4.4.2　金属基复合封装材料

不同芯片与封装材料的性能参数如表4-13所示。可以看出，作为芯片用的材料Si和GaAs，以及作为基片用的Al2O3和BeO等陶瓷材料，其CTE为4×10-6～7×10-6K-1，而具有高导热性能的Al、Cu的CTE高达20×10-6K-1，这样的基片和封装材料会产生较大的热应力，这正是集成电路和基板产生脆性裂纹的原因。综上所述，塑料封装材料、陶瓷封装材料、金属封装材料都存在这样那样的缺点，已经无法满足现代电子封装技术的发展，所以近年来很多研究人员都在致力于研究和开发新的电子封装材料。

可以通过基体和增强体的不同组合而获得不同性能的金属基复合封装材料。金属基复合封装材料的基体通常选择Al、Mg、Cu或它们的合金。这些纯金属或合金具备良好的导热、导电性能，良好的可加工性能及焊接性能，同时它们的密度也很低（如铝和镁）。增强体应具有较低的CTE、高的热导率、良好的化学稳定性、较低的成本，同时增强体应该与金属体有较好的润湿性。金属基复合封装材料具有高的热物理性能、良好的封装性能，它具有以下特点：①改变增强体的种类、体积分数和排列方式，或者通过改变复合封装材料的热处理工艺，可制备出不同CTE匹配的封装材料；②复合封装材料的CTE较低，可以与电子器件材料的CTE相匹配，同时具有高的导热性能，较低的密度；③材料的制备工艺成熟，净成型工艺的出现，减少了复合封装材料的后续加工，使生产成本不断降低。

1）铜基复合封装材料

铜基复合封装材料被广泛地应用于热沉材料及电触头材料，Cu的热导率很高，达到400W/（m·K），但其CTE也很高（约为17×10-6K-1）。为了降低其CTE，可以将Cu与CTE较低的物质如Mo（CTE约为5.12×10-6K-1）、W（CTE约为4.15×10-6K-1）等复合，得到具有的导电、导热性能，同时融合了W、Mo的低CTE、高硬度特性的复合封装材料。美国德州仪器公司在Invar合金板上双面覆纯Cu制成了Cu/Invar/Cu复合板（简称CIC），美国A2MAX生产出Cu/Mo/Cu（简称CMC）复合封装材料。上述两种材料具有CTE可设计性，高的热导率。但由于Cu的屈服而产生迟滞现象。另外，复合层板的密度比较大。最近有学者将金刚石加入铜基体内制成了CD/Cu，试验表明金刚石加入的体积分数为55%左右时，复合封装材料具备很好的热物理性能，为25～200℃，CTE为（5.148～6.15）×10-6K-1，热导率也在600W/（m·K）左右。

以负热膨胀材料ZrW2O8与金属Cu为原料，分别采用常规烧结法和热压法制备具有高热导率、低CTE的新型Cu基复合封装材料Cu-ZrW2O8，研究ZrW2O8体积分数与烧结方法对该复合封装材料致密度、热导率及CTE的影响。结果表明：热压法制备的Cu-50%ZrW2O8复合封装材料的热导率达173.3W/（m·K），致密度为91.6%，均明显高于常规烧结样品；热压样品的热膨系数为11.2×10-6K-1，稍高于常规烧结样品；在150～300℃，热处理后该样品的平均CTE降低到10.87×10-6K-1，较纯Cu的平均CTE 17×10-6K-1低很多，有望成为一种新型的电子封装材料。

2）铝基复合封装材料

颗粒增强铝基复合封装材料是金属基复合封装材料中最成熟的一种，目前研究最广泛、应用最多的就是SiCP/Al，其基体可以是纯铝，但大多数为各种铝合金。在采用熔体浸渗、液态及半固搅拌等低成本工艺制备SiC颗粒增强铝基复合封装材料过程中，SiC颗粒与铝合金熔体之间容易发生界面化学反应，从影响制备过程方面来看，SiC与铝液的润湿性很差，界面化学反应常常能有效改善润湿性，但其反应产物对复合封装材料性能产生不利影响。但从成本、工艺、密度和毒性等因素综合考虑，SiC颗粒应是首选对象。采用粉末冶金法，其工艺和制品质量易控制，复合封装材料中颗粒的体积含量高。美国的Alcoa公司采用真空压铸法利用多孔的SiC预制件与铝合金制成复合封装材料。由此法制备的SiC/Al材料具有高的SiC体积分数，因而有很大的商业竞争力。Lanxide公司用无压渗透法制备净成型SiCP/Al复合封装材料，制得的SiC体积分数为20%～40%。SiCP/Al的CTE可通过SiCP的加入量来调整，如70%SiCP/Al的CTE约为7×10-6K-1，可以在具体应用中获得精确的热匹配，使得与芯片或基片材料结合处应力最小，同时可以保证高的热导率（大约是Kovar合金的10倍）；物理性能也很好，如抗弯强度达到270MPa，抗拉强度为192MPa，弹性模量为224GPa，SiCP/Al的制备工艺较成熟，同时可以在其上镀覆Al、Ni等，很容易实现封装材料的焊接。

高硅铝合金是指Si含量为30%～50%的铝基复合封装材料，Si含量大于50%时称为硅铝合金。国外在20世纪90年代研制成功了高硅铝合金电子封装材料，作为轻质电子封装材料，其优点突出表现在：一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计；二是该类材料是飞行器用质量最轻的金属基电子封装材料，兼有优异的综合性能；三是可实现低成本要求。高硅铝合金复合封装材料制备方法主要加压浸渗法、无压浸渗法、粉末冶金法、真空热压法、喷射沉积法。英国、美国于20世纪90年代初研发成功的新型高硅铝合金封装材料是采用先进的喷射沉积法制备的，其硅含量高达30%～50%，密度仅为2.5～2.69g/cm3，热导率为126～60W/（m·K），热膨胀系数为（6.5～13.5）×10-6K-1，该类材料易加工、可钎焊、机加工性能好。1998年，美国M. Jacobson及P.S. Sangha研究表明，制备的硅铝合金Si含量已达50%。日本开发的CMSHA40（A1-40%Si）合金能批量生产。英国OspreyMetal公司于2000年和2002年分别报道采用喷射沉积法制备了一系列高硅铝合金封装材料，合金成分分别为（27%、40%、50%、60%、70%）Si。此外，俄罗斯及少数其他国家也有同样的报道，1995年国际上首次提出应用液体金属熔渗法使熔融液态状的Al合金基体利用毛细作用渗入Si粒子组成的网络中，可得到Si含量高、组织细小、各向同性的硅铝合金封装材料。

目前国际上有关硅铝合金封装材料的研究报道，其Si含量最高可达70%左右，这些研究工作代表了轻质电子封装材料的最新进展和水平，并在航空航天飞行器电子系统中得到应用，但大规格板材制备工艺未见报道。硅铝合金封装材料成为一种潜在的有广阔应用前景的电子封装材料，受到越来越多人的重视，特别是在航空航天领域。国内报道的高硅铝合金Si含量仅为17%～30%，其研究工作主要是利用它的低密度、低CTE和高耐磨性，为汽车发动机制造耐磨零部件。电子封装用高硅铝合金的研究目前仍处于起步阶段。

3）碳纤维增强镁基复合封装材料

碳纤维增强镁基复合材料与镁合金相比，基体合金在具有密度低、高热传导性、高电传导性、良好的阻尼减振性、优良的电磁屏蔽特性和易加工等性能的同时，还克服了镁合金尺寸稳定性差、CTE高、蠕变抗力小等缺点。在航空航天、电子封装、汽车工业及军工制造等高精密器械等领域，该材料具有广阔的应用前景。由于镁及其合金的熔点较低，为650℃左右，碳/镁复合封装材料通常采用液态法来制备，如真空压力浸渗、模压铸造、真空吸铸和浇注等。在制备过程中，存在的最大困难就是液态镁不能润湿碳纤维，不能形成良好的界面结合。因此，液态镁和碳纤维在界面处的物理和化学行为将极大地影响复合封装材料的性能。