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张韧1 王子良1 崔 岩2
(1．中国电子科技集团公司第55研究所，江苏南京210016;2．北京航空材料研究院，北京100095)
摘 要：无压浸渗SiC/Al新材料集高导热性、低热膨胀系数(并在一定范围内可调)、轻量化几大优势于一身，导热性可与W-Cu相当，热膨胀系数可与Si、 GaAs等芯片，Al2O3,AlN，BeO等瓷件相匹配，比重则不到W-Cu的20％，且可加工性强，成本低，未来可望在封装领域大量替代W-Cu、 Mo-Cu等材料。实验证明，此复合材料前处理用有机溶剂和中性化学除油，HNO3，HF混合酸液浸蚀后浸锌，然后化学镀镍，经适当热处理后镀镍、镀金， 完全能满足后道封装工艺要求，器件性能经考核完全符合GJB33A-97和GJBl28A-97要求。
关键词：无压浸渗SiC／Al；表面处理；热处理；可靠性
中图分类号：TN305．94 文标标识码：A
1 引言
随着信息技术的高速发展，当今器部件中的芯片集成度越来越高，微电路的组装密度也越来越高，芯片的尺寸越来越大，功率也越来越大，散
热要求越来越高。Al、Cu等传统封装金属尽管导热性能十分理想，但它们的热膨胀系数与Si、GaAs等芯片，以及陶瓷和电容介质材料存在高热
错 配应力，同时芯片向大尺寸化不断发展，陶瓷基片也越来越薄，这样就很容易引起芯片和陶瓷基片的炸裂或某些焊点、焊缝的开裂。以Kovar为代表第一代封装 合金解决了热膨胀系数与芯片及陶瓷基片匹配问题，但热导率却很低(比Cu小20倍)。以W／Cu、Mo／Cu为代表的第二代封装合金，可以同时实现高导热 与低膨胀，但它们的比重却很大(比纯铜还高)，而且制造工艺复杂、成本高，因此大大制约了它们在有很高轻量化要求的航空航天电子系统中的大量使用，对当今 搭载电子元器件数量急剧膨胀的先进预警机、战斗机、大型相控阵雷达、卫星、弹道导弹等军事装备来说，降低自重就意味着提高了灵活性和生存性，降低了燃料装 载量，增加了有效载荷。
因此，军事电子装备尤其在航空航天飞行器上的装备迫切需要一种集低热胀、高导热、轻质三大特性于一身的新型电子封装材料， 近十年来问世的高体积分数碳化硅颗粒／铝基(Sic／Al)复合材料就可望替代第一、第二代专用电子封装合金，满足需求。它的热胀系数比无氧Cu低一半以 上，且在一定范围内精确可控，比重仅为无氧Cu的三分之一：与第一代封装合金Kovar相比，导热率可提高十倍，减重三分之二：与第二代封装金属W- Cu、Mo-Cu相L匕，分别减重约83％和7l％(见表1)，且成本低得多。另外，Sic／Al电子封装复合材料具备优异的尺寸稳定性，与其它封装金属 相比，机加工及钎焊引起的畸变最小，具有净成型(net shape)，加工能力、可焊性也较好。
基于上述性能优 势，SiC／Al电子封装复合材料已在美国获得了实际应用。工程应用是在二十世纪九十年代中期兴起的，最早是美国休斯、西屋公司为机载预警雷达的模块封装 而开发的。二十世纪九十年代末期，又在F-22战斗机、EA-6B“徘徊者”电子战飞机、ALE-50型军机诱饵吊舱等装备上大量使用，SiC／Al电子 封装复合材料在商用上也取得了突破，应用系统包括摩托罗拉铱星、“探路者”火星探测器、“卡西尼”土星探测器等。
2 实验
本实验以某功率管管壳底座(图1)为例，为和管壳上的氧化铍(BeO)瓷件热胀系数较好匹配，选用～60％sic颗粒体分比的用无压浸渗法获得的
SiC／Al复合材料(材料光学金相照片和界面状态见图2和图3)，通过线切割获得产品的外形结构，圆孔采用电火花穿孔机穿孔，为了确保产品
下两个组装平面的平面度与表面粗糙度，对这两个平面再追加一次双面研磨。
本材料是在熔融的Al合金(Al-Si-Ng)中渗SiC颗粒生成，因此电镀前处理可参考Al合金(Al-Si-Ng)的前处理工艺，并考虑此复合材料的特，陛加以适当的改进，大致工艺流程如图4所示。
因 铝是两性金属，因此除油先用有机溶剂(航空汽油或甲苯、丙酮)，再用中性化学去油。浸蚀(出光)用酸要加HF，要注意控制好时间(一般小于15s)，因本 材料为复合材料，如图2中，黑色区域为sic颗粒，白色区域为Al，SiC颗粒在酸中几乎不腐蚀，而Al剧烈腐蚀，因此浸蚀控制不好容易在工件表面造成点 状蚀坑(如图5)。因为是含有非金属成分的复合材料，所以预镀镍不用电镀而用化学镀镍，并选用中磷低应力镍配方(见表2)，厚度不要超过3μm，以免镀层 应力太大影响基体间的结合力，退火在氢气中随炉升降温，450℃保温2分钟，可以很好地消除底镀层的应力，增强和基体金属的结合力。因基材中的A1在酸中 剧烈腐蚀，因此不能进行酸洗活化，退火出炉后为避免酸洗活化，立即再进行化学镀镍(＜5分钟)，然后直接电镀低应力镍、预镀金、镀金，退火(450℃)。 镀金溶液为中性柠檬酸盐体系。
镀好的底座抽样8只，用Fischer X射线荧光测厚仪测试总镀镍和镀金层厚度(每片随机测两点)如表3。
镀 层表面电镜照片如图6，镀层厚度和表面电镜照片显示形成的镀层均匀，无外观和缺陷，因SiC/Al材料是用在管壳底座上，因此材料电镀后就要满足军用外壳 质量考核的各项标准，镀层质量按GJBl420A，450℃，空气中120s不变色，不起皮，不起泡，检漏(吸附)按GJB548-1041，加压抽真空 细检，漏率Rl≤5×10-3Pa?cm3/s，满足管壳国军标要求。
3 结果和讨论
镀好金的外壳和底座之间用Au- Sn封装，组装出来的微波功率管管壳按照GJB33A-97半导体分立器件总规范和GJBl28A-97半导体分立器件试验方法进行相关考核(热冲击，温 度循环，引线弯曲，封帽检漏)。按规范抽取38只样品进行要求的考核，没有失效现象发生，这就证明SiC/Al材料经适当表面处理、解决镀层结合力差的问 题后，完全可以用作军用器件和部件的封装材料。
在同一批镀好金的无底座成品管壳各随机抽取16只，分别和相同尺寸镀金后的SiC/Al材料底座及W／Cu材料底座用Au-Sn封装，做管壳性能测试：
(1)微波性能：如表4
在85℃的恒温基板上，对不同基座的微波功率管施加10V工作电压，在不同的工作电流下，用QFI红外热像仪分别进行分析，结果如表6和图7、8所示。
(2)热沉瞬态热阻：如表5
对应的热阻值(℃／w)测算为:
SiC/Al:1.08(最低温度点)1．94(最高温度点)
(3)散热性能
W-Cu：1.08(最低温度点)1.72(最高温度点)
记录下它们的红外热像图谱如图7所示。
硅 功率管在工作中承受很大的功率，而芯片的耐湿能力有限，所以一般都用Beo陶瓷作基片，和Beo直接焊接的基座就是管子的主要散热部件，它的热阻大小决定 了整个管子热阻的大小，从表5和图6、7试验数据可以看出，在25℃的室温条件下，功率加到107W测到的管子温度仅63℃左右，即热阻仅为 0．35℃／W，在85℃极端工作条件下，热阻值也在1．08℃／W到1．94℃／w之间，完全满足此微波功率管的使用要求，SiC／Al基座和W-Cu 基座的管子，二种材料没有明显的差别，都能满足使用的要求，替代不会有问题。
4 结论
从以上实验可以看出，经适当表面处理 后，SiC／Al新材料的表面完全能镀上满足封装国军标要求和后道工艺要求的镀镍镀金层。用SiC／Al基座替代W-Cu基座后，管子的微波性能和热性能 没有变化，SiC／Al底座重量只及W-Cu基座的20％(每只成品管壳减重4克多)，同时每只SiC／Al基座的成本仅为W-Cu基座的1／3到 1／2，能节省大量的制造成本。因此，SiC／Al材料在封装领域大量替代W-Cu、MO-Cu等材料是大势所趋。
本文摘自《电子与封装》
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摘要：
简介 利 用最先进的材料设计低成本的高度可*的微波电子、微电子、光电子和功率半导体系统是不现实的。为了保证此类设备的可*性，需要电子封装和衬底热管理解决方 案，因此工程师需要既能够提供热管理特性，同时又能够在更小型的设计中达到最优功率密度的材料。要低成本生产此类材料需要满足封装设计功能要求的健壮成型 工艺。 铝碳化硅(AlSiC)金属基体复合材料为电子封装提供了高度可*且成本经济的热管理解决...
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摘要：
现代军用电子装备正在向短、小、轻、薄、快等方向发展，实现集成化、小型化、轻量化更为关键。相应地，在现代军用电子装备中占有重要位置的高密度微波组件，对电子封装材料提出了越来越高的要求。传统的封装材料——Cu、Al、Kovar、W、Mo等，由于存在密度较大或热膨胀系数与半导体芯片不匹配的等不足，严重制约了微波组件的性能和可靠性的提高。铝碳化硅...
摘要：
一．美国TTC（Thermal Transfer Composites）公司简介从1990开始，美国NASA着手对土星进行探测，并开始建造Cassini土星探测飞船，作为20世纪最大、最复杂的行星探测器，为了确保Cassini抵达土星后能顺利传回图像，NASA选择了LEC（Lanxide Eletronic Components）公司生产的铝碳化硅材料（AlSiC）作为飞船存储元件的封装材料...
摘要：
一．美国TTC（Thermal Transfer Composites）公司简介
从1990开始，美国NASA着手对土星进行探测，并开始建造Cassini土星探测飞船，作为20世纪最大、最复杂的行星探测器，为了确保Cassini抵达土星后能顺利传回图像，NASA选择了LEC（Lanxide Eletronic Components）公司生产的铝碳化硅材料（AlSiC）作为飞船存储...
摘要：
铜钼铜（CMC）材料是一种三明治结构的平板复合材料，它采用纯钼做芯材，双面再覆以纯铜或者弥散强化铜。这种材料的热膨胀系数可调，热导率高，耐高温性能优异，在电子封装中得到了广泛的运用。铜钼铜材料聊属于金属基平面层状复合型电子封装材料，这类电子封装复合材料的结构是层叠式，一般分为三层，中间层为低膨胀材料层，两边为高导电导热的材料层，当然，也有两层，或者四层复合层板。生产工...
摘要：
平行缝焊用盖板靠性研究
1 引言
目前平行缝焊工艺在有气密性要求的各种电子封装中大量使用。由于密封过程中封装体的温升较低、不使用焊料、对
器件性能影响较小、焊接强度高等优点，在对温度较敏感的电子元器件，如集成电路、混合集成电路、表面安装型石英晶
体振荡器、谐振器以及声表面波滤波器(SAW)等电子元器件封装中普遍采用...
摘要：
在复合封装材料研究方面，中国人有何进展？
九十年代初的时候，行内人说起金属基复合材料的研究单位，马上会想到三家：上海交大，哈工大和西工大。在复合封装材料
研究方面，上海交大由顾明元教授领衔，哈工大由武高辉教授领衔，西工大由于家康教授领衔。后来相继参与这方面研究的有：北京航空材料研究院的崔岩高工，国防科大的熊...
摘要：
1 引言
随着科学技术的不断发展和进步， 许多新型装
备都对整体工作性能和各项综合技术指标提出了愈
来愈高的要求， 特别是航空航天领域和军工领域以
及特种行业， 对产品的整体工作性能和各项综合技
术指标的要求更加苛刻和严格。为了满足产品的特
殊要求， 对产品中所使用的材料也往往提...
摘要：
将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表面粗糙度。焊接温度越高,原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍...
摘要：
第一代封装材料：以可伐(Kovar)合金为代表，其热膨胀系数与芯片和陶瓷基片匹配，但热导率只有17
W/mK，密度大；
弟二代封装材料：以CuW 假合金（或称混合物）为代表，热导率比Kovar提高了十倍，但密度更大，
难以成形和加工；
第三代封装材料：以AlSiC复合材料为代表，除了具备与芯片和陶瓷基片匹配的热膨胀系数，热导率
超过170W/mK外，其密度只有CuW 的五...
摘要：
攻丝是属于比较困难的加工工序，因为丝锥几乎是被埋在工件中进行切削，其每齿的加工负荷比其它刀具都要大，并且丝锥沿着螺纹与工件接触面非常大，切削螺纹时它必须容纳并排除切屑，因此，可以说丝锥是在很恶劣的条件下工作的。为了使攻丝顺利进行，应事先考虑可能出现的各种问题。如工件材料的性能、选择什么的刀具及机床、选用多高的切削速度、进给量等。
在特殊工件材料上攻丝
工件材料的可加工性是攻丝难易的关...
摘要：
硬质合金刀具的硬涂层可提高刀具寿命和生产率。化学气相沉积(CVD)技术已从早期的单涂层发展到现在的由Tic、TiN、TiCN和Al2O3复合多涂层，而且通过选择涂层的顺序及涂层的总厚度来满足特种金属切削的要求，尤其是Al2O3涂层可提供包括高的抗扩散性磨损、优良的抗氧化性和高的热硬度等极好的高温性能，所以在铸铁及钢等材料高速加工获得广泛应用。
近年来，刀具制造商已引进中温(MT)CVD...
摘要：
难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同，例如，宇航产业常用的超耐热合金、钛合金及含有碳纤维的复合材料等，都是该领域的难加工材料。宇航业的工程技术人员开展了加工技术的研究与开发工作，已经研究出适合该领域使用的切削工具和加工方法。近年来，机械制品多功能、高功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须...
摘要：
要想把alsic做成器件，平面磨是必不可少的。平面磨可以达到平行度、平整度和表面粗糙度三方面的技术精度，并且对于很多器件来
讲，是非常重要的一个加工环节。
设备需要：磨床、金刚石砂轮、烤箱；
工装：300＊500＊10mm的钢板，平面度达到所要磨的工件高一个数量级；
辅料：MQ粘接...
摘要：
AlSiC thermal management microwave housings
AlSiC provides an ideal material for microwave packaging applications. In
fact CPS developed the AlSiC material and the net-shape manufacturing
pro...
摘要：
历经三年中试，西安高新区建成中国第一条铝碳化硅生产线，设备技术先进，部分设备技术国际领先，具备年产200万片的生产能力。
随着电子产品发展，电路集成水平日新月异，电路封装热失效问题日益严重。铝碳化硅（AlSiC又写成Al-SiC或Al/SiC）金属基热管理复合材料，是电子元器件专用封装材料，主要是指将铝与高体积分数的碳化硅复合成为低密度、高导热率和低膨胀系数的封装材料，以解决电子电...
摘要：
DESIGN FEATURE
Draft Angle
- Required for casting process.
- 3 – 5° outside features
- 3 – 15° inside features (cavities)
Consider how drafted...
摘要：
AlSiC (Aluminum Silicon Carbide)metal matrix composite lids create an ideal packaging solution for Systems in Packaging (SiP) IC approaches.
The SiP technology combines multiple die with multi...
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