硅铝合金电子封装材料创新实验报告.ppt

报告题目：成分梯度化高硅Al-Si合金电子封装材料制备与性能研究 报告人： 李翔鹏 指导教师：蒋阳 教授,2010年创新实验总结报告,一.概述 1.电子封装材料的概述 2.高硅Si-Al合金电子封装材料的概述 3.梯度Si-Al合金电子封装材料的概述 4. Si-Al合金制备工艺选择概述 二.实验部分 1.单一组份Si-Al性能探讨 （以50%Si-Al为例说明问题） 2.多组份梯度Si-Al合金材料制备工艺及性能探讨 三.实验成果,报告内容,一. 概述,1.电子封装材料的概述,二十一世纪科学技术的发展，尤其突出的表现就是电子科学技术的发展。随着电子元器件朝着尺寸更小、质量更轻、运算速度更快的方向发展，对电子封装材料也相应地提出了更高的要求。据文献报道1随着集成电路集成度的增加，芯片发热量成指数关系上升，从而使芯片的寿命降低，芯片温度每升高10，GaAs或Si半导体芯片寿命就会缩短三倍。这主要是因为在微电子集成电路及大功率整流器件中，材料间散热性能不好而导致的。解决这个问题最重要的手段就是使用具有更好性能的新的封装材料并且改进原有的封装工艺。,电子封装材料概述,电子封装材料概述,电子系统封装主要包括三方面的技术： 1.电学方面：晶体管之间的信号传输及各个部件的电力分配 2.材料方面：信号和电力分配方面正确使用材料，电力分配时需高电导率，器件散热时需高热导 3.机械方面：不同性质不同材料的使用必然会在界面中引起热应力。,电子封装材料概述,目前常用的电子封装材料主要分为三大类：陶瓷基电封装 材料、塑料电子封装材料和金属基及金属电子封装材料。各 材料的优缺点： 陶瓷基电子封装材料： 优点：耐湿性能好、机械强度高、热膨胀系数小、导热率高、 气密性好，芯片和电路不受周围环境的影响、具有最高的布线密度，最好的可靠性和尺寸稳定性。 缺点：制备困难 设备昂贵 不易加工 价格昂贵 应用：航空航天及军事工程的电子产品中 典型材料：Al2O3、BeO、BN、AlN、SiC等,电子封装材料概述,塑料封装材料： 优点：密度很小、加工性能好、加工成本低廉、 可靠性较好 缺点：导热性很差、吸水受热易膨胀、抗水汽性能差 应用领域：一般的商用或民用，塑料封装器件占世界商用芯片封装市场的90%以上。 典型材料：环氧树脂、聚四氟乙烯,电子封装材料概述,金属封装材料： 优点：机械强度较高、散热性能较好、对电磁有一定的屏蔽功能 缺点：纯金属铝、银、金和铜的CTE较高钨、钼 和硅较易被侵蚀且焊接性能差 应用领域：应用范围较小,电子封装材料概述,伴随着IC集成度的提高和应用环境的变化，传统的单一质 的电子封装材料已经越来越不能适应先进电子器件对封装的 要求。现在亟需解决的就是原有的电子封装材料不能满足封 装的要求。发掘新的封装材料体系及材料加工方法已经成了 迫在眉睫的事情。近些年，世界各国也都对新的电子封装复 合材料进行研究和开发，以期在能有新的材料能满足现在对 电子封装材料的种种要求。 近年来世界各国对铝基金属合金的关注和研究比较多，下 面我们就铝基硅复合材料的发展、研究现状及制备工 艺方法等进行详细阐述。,电子封装材料概述,2.高硅Si-Al合金电子封装材料的概述,高硅Si-Al合金电子封装材料的概述,1.密度2.3-2.7g/cm3、CTE介于4.5-1110-6/K之间TE100W/mk 2.高硅Al-Si合金电子封装材料中，高体积分数的硅基体保证了其较低的热膨胀系数，从而很好的解决了与电子芯片相匹配的问题，而合金内部连通分布的铝金属则保障了封装材料高的导热散热性能，硅和铝单质两者的低密度同时保证了合金材料的轻质性能 3.硅和铝在地球上的含量十分丰富，硅粉与铝粉单质的制备工艺也相当成熟，成本比较低。 所以高硅铝合金电子封装材料有望成为一种应用前景广阔的电子封装材料，特别是用于航空航天及便携式电子器件等高科技领域。,高硅Si-Al合金电子封装材料的概述,1.台湾成功大学的徐志宏小组通过用喷射成形的方法制备出了Si-50%Al合金，并且研究讨论了这个组分材料的高温压缩变形情况 2.台湾的Lee及其研究小组采用了压力浸渗制备出了综合性能较为优良的硅铝合金。 3.中南大学材料学院的杨培勇教授21等人也用粉末冶金的方法也制备出了Si-50%Al合金，并对烧结工艺对材料制备的影响进行了研究。 4.北科大和北京有色金属研究院的研究人员的努力下，用喷射成形的方法制备了Si-50%Al和Si-40%Al合金，并用热等静压的方法对制备的材料进行了致密化处理，得到综合性能优异的电子封装材料。,高硅Si-Al合金电子封装材料的研究现状,5.欧盟成立了由BRITE/EURAM领导的协作项目，致力于研制轻质、低膨胀系数的硅铝合金 6.美国最近采用喷射沉积和液体金属熔渗等方法制备了铝含量为30%-70%（wt）的硅铝合金电子封装材料，密度可达2.5 g/cm3左右，并且具有良好的使用性能和加工成形性能,高硅Si-Al合金电子封装材料的研究现状,3.梯度Si-Al合金电子封装材料的概述,硅铝合金作为一种新型封装材料，由于其密度小,热膨胀系数低,热传导性好，容易加工成所需形状，可以电镀，同时能够满足航空航天设备和移动、计算通讯设备轻量化的要求。此外，该材料具有足够的强度和刚度，能够用传统工艺方法进行机械加工和涂镀，因此具有广阔的应用前景。但硅铝合金中存在一个矛盾，即随着硅含量的增加热导率增加，热膨胀系数减小，但由于硅含量的增加机械加工的难度相对增大，比较难进行焊接。单一组分的硅铝合金已不能满足一些特殊电子封装的需要，亟需研究一种具有高热导且易机加工的材料，这就要求在同一封装材料中存在组分的变化，且各个组分材料又保持着各自组分的特性。,梯度Si-Al合金电子封装材料的概述,4. Si-Al合金制备工艺选择概述,迄今，Si-Al合金的制造方法归纳起来主要有下几种： 1.喷射沉积法；2.熔渗法；3.粉末冶金法；4.真空热压法；5.熔铸法 结合目前研究的情况表明：Si-Al合金材料的封装性能主要取决于其组织结构的致密性和均匀性，选择合适的制备方法格外重要!,工艺选择的概述,喷射沉积法： 将Si-Al合金的原料加热，直至熔化，然后熔体通过导流管流出，被高压氮气雾化，形成直径约为40m的小粒滴，这些粒滴冷凝到旋转的接收基板上，从而得到不同形状的预制坯件。 特点：1.不会有宏观偏析；2.显微组织都是细小且均匀的等轴晶；3.细小的初生沉淀相；4. 氧含量都非常低；5.材料的热加工性能相对改善；6.工艺流程短；7.沉积效率高,工艺选择的概述,熔渗法: 首先制备具有相对密度高、强度高的多孔基体骨架，然 后再渗进去熔点比骨架低的金属来填充进去。它一般分 为有压熔渗和无压熔渗。 特点：设备简单、生产成本低，可以生产形状复杂 的网络状电子封装材料，且获得的材料很少需要后续加 工。但这种方法寻在预制件不能完全浸透、制备时间长 等缺点。,工艺选择的概述,熔铸法： 熔铸法是熔炼铸造方法的简称，这种方法是制造大多数合金材料所使用的最广泛的一种方法 特点：设备简单、成本低廉，可实现大批量工业化生产。缺点也很明显，成形困难微观组织不均匀界面发生了化学反应,工艺选择的概述,粉末冶金法： 首先把硅粉和金属粉均匀混合，混合可以干混也可以再 悬浮液中进行。粉末混合完成后冷压得到半成品，其密 度大约为成品的80%，最后通过烧结得到高致密度的硅 铝合金材料。 特点：粉末冶金法不受基体与第二相的限制，可以准确 地调节第二相得含量操作简单，设备也相对简单,工艺选择的概述,真空热压法：真空热压烧结工艺与常规的压制工艺相比较，最大的不同点在于热压是在一定真空和温度条件下对合金粉末进行压制的具体工艺是：在真空或惰性气体保护的条件下，将粉末装入模具中，在加压的同时加热，经过短时间的热压变形形成致密、均匀的制品。真空热压法是一次完成粉末脱气、粉末压制和粉末预烧结，大大的缩短了制备时间，用此法材料在较低压力下就能迅速达到较高的密度和结合强度，而冷压烧结工艺就很难达到。所以说真空热压工艺能较好的提高硅铝合金材料的致密度。 特点：1.能在较低温度下制备且得到的致密度较高2.得到的材料不仅组织均匀性好而且强度高、氧含量低。,工艺选择的概述,上面介绍了制备硅铝合金材料的种种方法，每种方法都各有优劣。 如熔铸法适用于硅含量较低的硅铝合金制备；喷射沉积技术在国外已经用硅铝合金的工业化生产，但此法对设备要求相当严格，且国内在此方面研究较少；若采取熔渗法，由于硅铝之间的润湿性较差，且多连通孔隙的硅骨架也很难制备，最主要的是硅铝之间的成分无法做到精确的控制。 通过比较本实验采用粉末冶金真空热压烧结法来制备硅铝合金材料，因为这种方法操作简单、对组分的控制较易，且实验过程周期短、成本低，最主要的是通过次法可以获得高致密的合金材料。,实验方法的对比：,工艺选择的概述,二.实验部分,实验原料： 纯铝粉：尺寸30m，产地河南远洋铝业有限公司，主要元素含量 Al99.97%、Fe0.0112%、Cu0.0045%、Si0.0121%、水份0.0068% 硅铝粉：硅含量75%的硅铝合金粉，尺寸45m 主要设备： 60T液压机、自制真空气氛烧结炉包括（高频感应加热装置、热压 装置、真空控制装置） 金相所用设备为NEOPHAT金相显微镜、 FEISirion 200(10KV)场发射扫描电子显微镜、 Rigaku2D/MAX22550PC型X射线衍射仪,实验部分（一）原料和设备,理论计算材料配比（质量比）,混料,装料压坯,烧结,机加工,热等静压,性能测试,实验部分（二）实验的方法及流程：,1.混料 按照比例称量两种粉末，然后将两种粉装入塑料容器内，将装有混合粉末的容器放在V型混料机上旋转6小时，以保证两种粉末混合均匀,2.预压制 将混合均匀后的粉末装入特种钢模具中进行预压制，模具表面上涂有氮化硼酒精 溶液。此过程 在60T双柱油压机上完成。,3.烧结 模具放入真空气氛烧结炉内，打开真空泵，把炉腔抽成真空状态，然后通入氩气，如此循环几次，待彻底把炉内空气排净之后开始加热。烧结加热方法：在低温下（400-500）加压（50-100MPa）且保温保压一段时间，升至烧结温度（700-900）保温，再降至400-500时进行保温保压，之后随炉冷却至室温。烧结过程是在自制真空烧结炉中完成。,4.热等静压 烧结体在等静压高压容器内，同一时间受高温和高压的联合作用，强化压制与烧结过程，改善了烧结体的晶粒结构，消除材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，能很好的提高材料的致密度和强度。热等静压法是消除烧结体内部残存微量孔隙和提高烧结体相对密度的有效方法。据文献报道，热等静压工艺为压力180MPa、温度520的条件下保温保压4个小时下效果最好。本实验也采取此工艺。,5.机加工 热等静压之后把烧结的试样加工成102-3mm的热导试样，5550mm的热膨胀试样，5540mm的抗弯强度试样和444mm的金相试样。,实验部分（三） 单组分Si-Al合金性能研究,图1 不同硅含量硅铝合金密度值,图2 不同硅含量硅铝合金热膨胀系数值,单组份Si-Al合金性能研究,图3 不同硅含量硅铝合金热导率值,单组份Si-Al合金性能研究,图4 不同硅含量硅铝合金抗弯强度值,单组份Si-Al合金性能研究,图5 不同硅含量硅铝合金硬度值,单组份Si-Al合金性能研究,不同组分硅铝合金显微组织,不同组分硅铝合金组织金相图 A 40%SiAl；B 50%SiAl ；C 60%SiAl,图6,图7,图8,单组份Si-Al合金性能研究,热等静压对硅铝性能的影响,经过热等静压后，硅铝合金各方面的性能均有所提高。下面我们对热等静压对各个性能的影响逐一分析。 1.密度 从图1中可以看出，硅铝合金经过热等静压后密度都有提高，说明热等静压对消除颗粒之间的孔隙还是很有帮助的，对于材料的致密化较为理想。而图7则更直接的反映出材料经过热等静压后，材料内部致密程度的变化。 2.热膨胀系数 从图2中可以看出，热等静压后合金材料的热膨胀系数减小了。这主要是因为合金经过热等静压后，材料内部的残余应力减少，且随着合金密度的增加，合金材料内部孔洞、孔隙的减少，硅铝界面的结合的改善。所以经过热等静压后的合金材料热膨胀系数减小。 3.热导 从图3中可以看出，硅铝合金经过热等静压后热导率有所提高。热导率的高低与材料内部的孔隙、缺陷有很大的关系。有孔隙的存在必然会造成热传导的空挡，使传导受阻，导致热导率偏低。解决这个问题最好的办法就是把材料的致密度变高。 4.抗弯强度、硬度 从图4中可以清楚的看到，经过热等静压后的材料抗弯强度有明显提高，主要原因应跟合金材料密度的提高有很大关系。材料内部缺陷越多，材料的力学性能就越差。热等静压使得材料致密度升高，从而减少材料内部孔隙，集中应力和一些微应力也同时消除，使抗弯强度提高。 从图5中也能清楚的看到，热等静压后合金材料的硬度有所提高，这主要是因为经过高温高压后材料内部的孔隙减少，从而材料的致密度增加，这样也使其硬度有所增高。,单组份Si-Al合金性能研究,热等静压对硅铝性能的影响：,图9、10为50%SiAl合金热等静压前后的断口电子显微照片。两张图片比较可以明显看出，经过热等静压后的合金内部孔隙明显减少，热等静压后使材料内部晶粒更加细化，材料的致密度较之热等静压前也有大幅度提高。,50%SiAl合金热等静压前后断口SEM照片 A 热等静压前；B 热等静压后,图9,图10,单组份Si-Al合金性能研究,烧结工艺对50%Si-Al合金性能的影响：,图11 50%Si-Al合金烧结工艺曲线图,为了方便讨论烧结工艺对硅铝合金材料性能的影响，我们选用单一因素法来试验。即三种因素中任选择一种因素不变，讨论另外两种因素对烧结密度的影响。具体烧结工艺流程见图11。压制压力选择50 MPa、75MPa、100MPa、125MPa；温度选择700、800、900；烧结时间选择1h、2h。,单组份Si-Al合金性能研究,压制压力对烧结体密度的影响：,图13 烧结时间为2h时烧结密度随压制压力与烧结温度变化曲线图,单组份Si-Al合金性能研究,烧结时间对烧结体密度的影响：,图14 烧结温度为800时烧结密度随烧结时间与压制压力变化曲线图,单组份Si-Al合金性能研究,烧结温度对烧结体密度的影响：,图15 压制压力为100MPa时烧结密度随烧结温度与烧结时间变化曲线图,单组份Si-Al合金性能研究,最佳烧结工艺条件下50%SiAl合金性能表征：,通过比较得到，50%SiAl合金的最佳烧结工艺是在烧结温度800、压制压力100MPa的情况下烧结2个小时。具体烧结过程是：先加热升温至460，在此温度下施加100MPa的压力最佳烧结工艺曲线如图16。，保温保压30分钟；之后继续升温至800，保温2小时；降温到460，保温保压1个小时进行复压，从而提高致密度。,在最佳烧结工艺条件下得到的硅铝合金，原始性能如表2所示,热等静压后性能见表3：,单组份Si-Al合金性能研究,图16 50%SiAl最佳烧结工艺曲线图,单组份Si-Al合金性能研究,图17 50%SiAl合金X射线衍射图谱,单组份Si-Al合金性能研究,50%Si-Al合金电子扫描和金相照片,图17,单组份Si-Al合金性能研究,Si-Al合金： 1.硅含量对硅铝合金性能有着非常重要的影响，在热学性能方面，硅含量增大，硅铝合金的密度变小、热膨胀系数变小、热导率增加；力学性能方面，硅含量增加，硅铝合金的抗弯强度逐渐变小，硬度则是逐渐变大。 2.Si-Al合金经过热等静压后密度有所提高，而热等静压对硅铝合金性能的影响主要是通过提升材料的致密度来实现的。密度的提高，使材料的热膨胀系数、热学性能提高；与此同时材料的抗弯强度与硬度也有不同程度热导率等的提高。 3.50%Si-Al合金的最佳烧结工艺：烧结温度800、热压压力100MPa、烧结时间2小时。经过热等静压后材料的相对密度达到99%，热膨胀系数达到9.310-6/K，热导率为142 W/mK，抗弯强度223MPa，硬度153HB。,实验结果,多组份梯度Si-Al合金电子封装材料,实验方法：快速热压法,1.制备两端面热膨胀系数不同、热传导系数有差异的硅 铝合金材料 2.简化设备、缩短操作时间、提高工作效率、稳定产品性能,实验目的：,技术方案： a、将气体雾化的硅铝合金粉和纯铝粉按比例进行混料，分别获得硅的质量百分比为5-60%的不同组分的混合料； b、将所述不同组分的混合料按照硅的质量百分比从大到小或从小到大的顺序平铺装入模具中，不同组分的混合料平铺后在模具中的厚度相等，在氩气气氛中以380-500、10-50MPa的压力预压10-20分钟，然后在600-900下烧结0.5-2小时；再降温至380-500，并以10-50MPa的压力保压0.5-2小时； c、脱模即得相对密度大于99%的梯度硅铝合金材料。,多组份梯度Si-Al合金电子封装材料,本实例制备硅质量分数为60%、55%、50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%和15%的梯度硅铝合金 1、将雾化后的硅铝粉（硅铝质量比3:1）和铝粉按硅铝质量比为60:40、55:45、50:50、45:55、40:60、35:65、30:70、25:75、20:80和15:85配制得到不同组分的混合料，分别放到混料机上混料6h。 2、将所述不同组分的混合料按照铝的质量百分比从大到小