西安科技大学 硕士学位论文 粉末冶金法制备-SiC/Al电子封装材料工艺与性能研究 姓名：于庆芬 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王晓刚 论文题目：粉末冶金法制备 - SiCp/Al 电子封装材料工艺与性能研究 专 业：材料加工工程 硕 士 生：于庆芬 （签名） 指导教师：王晓刚 （签名） 摘 要 - SiCP/Al 复合材料具有高导热、低膨胀、高模量、高化学稳定性、低密度等优异的 性能，在电子封装领域具有广阔的应用前景。粉末冶金方法具有两相混合均匀、成分控 制和材料成形均比较容易实现、可以获得高致密度的复合材料等多方面的优点，是制备 金属基复合材料，特别是颗粒增强金属基复合材料的常用方法，因此本文采用粉末冶金 方法制备体积分数为 50%的 - SiC/Al 电子封装材料。 论文实验中根据振实密度、松装密度、空隙率测试结果，首次采用工业炉生产的平 均粒度为 17.94m 的 - SiC 微粉作为增强体制备铝基电子封装材料。实验中对 - SiC 微 粉进行 1100的高温氧化、 HF 酸洗和 200烘干的表面处理方法， 除去 SiC 表面的吸附 气体和水分并使其棱角钝化，提高了 - SiC 粉体的分散性，制备出了增强体分布均匀、 致密度高、孔隙少的 - SiC/Al 电子封装材料。论文研究了成型压力、烧结温度、热压压 力对材料热导率和热膨胀系数的影响，采用金相显微镜、扫面电镜和 X- 衍射等方法研 究了材料的物相，组织形貌及致密度的变化。利用动态热机械分析仪测试了复合材料的 热膨胀系数，利用激光导热仪测试了复合材料的热导率，确定的比较理想的制备工艺参 数为成型压力 320MPa、烧结温度 1000、热压压力 3 MPa。 本文实验条件下制备的 - SiC/A1 电子封装材料具有比较好的综合热物理性能，在 20150平均线膨胀系数为 8.8610- 6K- 1；在室温下其热导率为 124 Wm- 1K- 1，可 满足大功率电子器件对封装材料的使用性能要求。 关 键 词：粉末冶金；电子封装材料；热膨胀系数；热导率 研究类型：应用研究 Subject ：Fabrication and ProPerties of - SiCp/Al Electronic Packaging Material by Powder- Metallurgy Specialty ：Material Processing Engineering Name ：Yu Qing fen （Signature） Instructor ：Wang Xiao gang （Signature） ABSTRACT With excellent high quality of high thermal conductivity, low expansion, high module, high chemical stability and low density, - SiCP/Al composite enjoys great potential of application in the realm of electronic packaging. Powder Metallurgy Method has the following advantages:mixing uniformity,component easily controlled,forming more easily,geting high density composite materials,etc.it is a commonly used methods to manufacture Metal Matrix Composites,especially particle reinforced metal matrix composites.So we adopt Powder Metallurgy Method to manufacture - SiC/Al Electronic packaging materials with volume fraction to 50%. Testing the tap density , bulk densityand porosity of - SiC powder, the average size D = 17.94m of - SiC particles is good at reinforcement phase. Surface treatment methods for the sic micro powder include the following three steps:the high temperature oxidation 1,100 degrees,HF acid pickling,200degrees drying,these methods eliminated adsorption of gases and moisture,made edges passivation and improved the dispersion of SiC micropowder,manufactured - SiC/Al electronic packaging materials with enhance body distributed evenly,high density,pore less.In the process,the specific preparation processes of forming pressure,sintering temperature,hot- pressure have an effects on the material morphology ,relative density. Determining the forming pressure 320MPa,the sintering temperature1000,hot- pressure 3MPa as the optimal parameters in the preparation of 50% - SiCp/Al . To sum up, The 50% - SiCp/Al composites fabricated by powder- metallurgy with 17.94m spherical SiC particles enjoy perfect comprehensive thermal and physical properties.: its its coefficient of thermal expansion is 8.8610- 6K- 1 under20150; the thermal conductivity is 124Wm- 1K- 1 .Owing to the high temperature applied, the network composites produced are sound. The results indicate that the composites sintered in liquid phase always satisfy the electronic packaging application. Key words : Powder Metallurgy Eelectronic Packaging Material Coefficient of Thermal Expansion Thermal Conductivity Thesis : Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 自 1958 年世界上第一块集成电路问世以来，仅仅不到 50 年的时间里，微电子技术 的核心代表集成电路(IC)技术，就已经历了小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、 超大规模(VLSI)和巨大规模(GLSI)等五个时代的发展1。 为充分适应半导体元件细小柔 嫩，性能高且多功能、多规格的特点，需要对其进行增强、密封、扩大，以便与外电路 实现可靠的电气连接，并得到有效的机械、绝缘等方面的保护作用，因此发展了“电子 封装” 。 进入八十年代，电路的集成度大约按每 3 年 4 倍，甚至更快的速率增长。IC 产 业已经进入了 G 级(109)高集成度的鼎盛时期并迅速向更高集成度迈进。这就促使微电 子封装技术迎来了“爆炸式”的发展时期。芯片制造业的发展和电子产品的市场需要将 最终决定电子封装的发展趋势:更小、更薄、更轻、性能更好、功能更强、能耗更小、 可靠性更好、更符合环保要求、更便宜。那么就要有高导热、低膨胀、低密度、气密性 好、符合环保要求的材料来满足电子封装的发展趋势。 1.2 电子封装 1.2.1 电子封装的定义 电子封装可以定义为:利用膜技术及微细连接技术将半导体元器件及其它构成要素 在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质密封固定， 构成完整的立体结构的工艺2。其目的是给予集成电路芯片(ICS)一套组织架构，使其 发挥既定的功能。集成电路器件必须与电阻、电容等无源器件组合成为一个系统才可以 发挥特定的功能。电子封装即在建立 IC 器件的保护与组织架构，它始于 IC 芯片完成之 后，包括 IC 芯片的粘结固定、电路互连、结构密封、与电路板的接合、系统组合、以 至于产品完成之间的所有工艺，完成 IC 芯片与其他必要的电路零件的组合，以传递电 能与电路信号、提供散热途径、承载与结构保护等功能。电子封装是伴随着电路、元件 和器件的产生而产生，并随其发展，最终发展成当今的封装行业。 1.2.2 电子封装的技术层次区分 一般是将封装的全过程分解为不同的阶段，或按不同的“级”来考虑。 西安科技大学硕士学位论文 2 图 1.1 电子封装的一般封装层次 从 IC 芯片的粘结固定开始到产品的完成，微电子封装一般分为以下几个层次： （如 图 1.1 所示： ）3第一层次是芯片层次上的互连。在这一层次的封装中，对封装材料的要 求是具有高的热导率以利于散热；低的热膨胀系数失配以减少热残余应力；良好的密封 性；良好的电磁屏蔽性。第二层次封装是指将第一层次封装完成的器件组合于一印刷电 路板上的工艺。这一层次的封装同样要求封装材料具有高的散热性和低的热应力失配； 低密度以及高阻尼以减震。 第三层次是指将几个电路板组合于一固定架上成为子系统的 工艺。这一层次封装要求材料具有绝缘性或良好的热分散性；良好的减震性和电磁屏蔽 性；低密度。第四层次封装则是指将数个子系统组合成为完整的电子产品的工艺。这一 层次要求材料具有低密度和抗震性。 通常， IC 芯片上的互连工艺也被称为第零层次的封 装，故电子封装的工艺有时又以五个不同的层次来区分。通过封装，不仅对芯片具有机 械支撑和环境保护作用，使其避免大气中的水汽、杂质及各种化学气氛的污染和侵蚀， 从而使集成电路芯片能稳定地发挥正常电气功能， 而且封装对器件和电路的热性能乃至 可靠性起着举足轻重的作用。 1.3 电子封装材料 1.3.1 电子封装材料的性能要求 由于集成度迅猛增加，通过的电流越来越大，电流频率也不断增加，单一微电路基 片上所受的热载荷急剧上升，大约 150W 左右。而温度每升高 10，GaAs 或 Si 微波电 路的寿命就缩短为原来的 1/3 4这是由于在微电子集成电路以及大功率整流器件中，因 材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳成为 微电子电路和器件的主要失效形式。 解