1 引言

电子封装技术的重要支撑是电子封装材料，集成电路和芯片封装技术的快速发展对封装材料提出了更高的要求。对集成电路来说，电子封装材料是用于承载电子元器件及其相互连线，起机械支持、密封环境保护、散失电子元件的热量等作用，并具有良好电绝缘性的基体材料，是集成电路的密封体。现代科学技术的发展使得传统的电子封装材料，如塑封料、陶瓷封装材料、金属封装材料已不能满足电子工业对材料更高性能的要求，研制开发新型的电子封装材料己成为各国竞相追求的目标。SiCp/A1作为新型的电子封装材料，由于其优良的性能成为新的研究热点[1-4]。

2 SiCp/Al复合材料制备工艺

Sicp/Al复合材料是20世纪80年代初发展起来的一种非连续陶瓷颗粒增强金属基复合材料。自问世以来一直受到材料科学及工程应用领域极大的重视，经过20多年来的发展，SiCp/A1复合材料目前作为一种重要的先进材料，正在部分取代传统的金属材料而应用在航空航天工业、汽车工业、电子封装和体育器械等对材料性能要求较高的领域。许多国家将SiCp/A1复合材料作为21世纪新材料开发的重点。

SiCp/Al复合材料有多种制备方法，根据原理和工艺的不同，其制备方法主要有粉末冶金法[5]、搅拌铸造法[6]、挤压铸造法[7]、喷射沉积法[3]、无压浸渗法[9]等。

2．1 粉末冶金法

粉末冶金法(powder metallurgy method)是一种较为成熟的工艺方法，可以直接制造出复合材料零件。其基本原理是首先将金属粉末和增强物按需要的比例进行混合，然后进行冷压烧结，或者采用热压将成型与烧结同步完成。利用粉末冶金制作铝基复合材料的一个很重要的工艺参数是烧结温度。烧结温度可以选择在固液两相区，即液相烧结。但更一般的观点是选择在基体合金的固相线以下。这是因为，在温度很高的液相烧结下，混合粉末尽管可以被压实得致密一些，但其缺点是增强相与液相基体更容易发生反应，在增强相与基体的界面处生成性能较差的中间相，同时使快速凝同粉末的显微组织恶化，在熔化区形成共晶中间相。

粉末冶金法以其制备的材料具有高强度、较好塑性等特点已发展成为制备复合材料结构件的重要手段。国外以英国AMC公司为代表，采用高能球磨粉末冶金法已成功实现了超细SiC颗粒增强销基复合材料的批量生产并应用于航空航天领域。

2．2 搅拌铸造法

液态金属搅拌铸造法(stir casting method)简称熔铸法，是通过机械搅拌装置使颗粒增强体与液态或半固态的合金相互混合，然后浇铸成锭子的技术。其基本原理是：将颗粒增强物直接加人到熔融的基体金属液中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分布在金属熔体中，然后将复合金属基熔体浇铸成铸件等。搅拌法的工艺和所用设备都比较简单，但若不在真空或惰性气体保护下搅拌，高速搅拌的旋涡中难免会有气体和夹杂物混入，易形成偏析和"结团"现象，影响复合材料性能。液态搅拌法的基体温度较高(液相线温度以上)，对搅拌器质量要求高，且只能用于制备较粗颗粒(φ50μm～100μm)的复合材料。

曾国勋[10]等人对液相搅拌铸造法制备的SiCp/A1复合材料的界面和力学性能进行了研究。结果表明，SiCp/A1的界面结合性能良好，SiC能提高铝基体的拉伸强度，同时显著提高铝基体的室温与高温硬度。

2．3 挤压铸造法

在常用的SiCp/A1复合材料制备工艺中，挤压铸造法(pressure casting method)是最有效的工艺方法之一。挤压铸造法是在高速搅拌基体合金液的过程中，加入SiC预制件，搅拌均匀后把混合浆体浇注到预热的模具中，然后挤压铸造成形。该工艺中预制件的预热温度、Al合金液的渗入温度、斥力大小、冷却速度是关键工艺参数[11]。该方法施加压力可以较大，生产时间短，渗透、凝固过程可以在几分钟内完成，工艺稳定性好。挤压铸造工艺与精密模具相配套，脱模后无需进行机械加工，节约原料，减少加工成本。但是，这种工艺需要高压设备和密封性能良好的耐压模具，生产费用较高，在生产复杂形状零件方面受到很大的限制。 Hwu等人[7]采用挤压铸造法制备了SiC体积含量高达50％的Sicp/A1-6061复合材料，抗拉强度可达495MPa。

2．4 喷射沉积法

喷射沉积法(spray deposition method)是20世纪80年代由Ospray公司开发的一种制备金属基复合材料的方法，1974年将它运用于工程领域并获得了专利。

喷射沉积的基本原理是：液态金属通过特殊的喷雾，在惰性气体气流的作用下分散成细小的液态金属雾化流；在金属液喷射雾化的同时，将增强颗粒加入到雾化的金属与金属液滴混合，并一起沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料(MMc)。文献[12]采用工业纯铝(纯度为99．9％)与平均粒度为2μm～3μm的SiCp，喷射沉积制得SiCp的体积分数为35％的SiCp/6066铝基复合材料，材料孔隙数量少、尺寸小，SiCp分布均匀。

2．5 无压自浸渗法

无压自浸渗法(pressureless infiltration method)是按通常的方法把熔炼好的铝合金，经精炼、调温后进行预热，浇入含有增强颗粒与助渗剂的预制件中，在助渗剂的参与下，液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到预制件中制成复合材料。这种制备技术是美国Lanxide公司1986年开发出来的。通过控制过程条件，如合金成分、温度、保温时间等，可以取得良好的润湿，使自发浸透得以进行。近两年，我国北京航空材料研究院经过努力用这种方法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料达到了净成型的效果[13-14]。

最初的无压自浸渗法，有两个必要条件，即A1-Mg合金和氮气环境。Rao等人[15]发明了一种新的无压自浸渗技术，可以在700℃以上的空气气氛中完成渗透而不需要上面提到的两个条件。渗透的比率与处理参数有关，即温度、合金组成、颗粒大小和气孔率。据报道[16]由这种技术制成的SiCp/A1复合材料满足了微波电路衬底载体的要求，而且从室温到400℃均表现出较好的热物理性能。Rao[17]等人在空气气氛下通过渗透铝合金到SiC预制件中制备了SiCp/Al复合材料。这种方法的工艺图如图1所示。

  在实验中，使用单轴冷压法制成SiC预制件。由尺寸在76μm一190μm的大颗粒和125μm～37μm的小颗粒组成(比率为3：1)，用适量浓度的聚乙烯醇进行处理，然后干燥90min，将预制件在空气中加热一段时间使SiCp获得足够的强度，以便进行后续处理。首先将预制件以5℃-min-1的升温速率加热到500％，然后再以10℃．min。的速率升温到1100℃，保温10min并冷却。将铝合金预制件放人有石墨内衬的氧化铝坩锅中，在铝合金预制件腔体中放人SiC预制件，并将Mg粉均匀地撒在SiC的上部或底部，然后放人到预先加热的熔炉中，在900 ℃保温30min-120min，然后随炉冷却。

  由于其制备原理、工艺过程以及所用设备的不同，每种制备方法各有其优缺点，表1为SiCp/A1制备工艺的比较。

3 Sicp/Al复合材料的基本性能

Sicp/A1复合材料由铝或铝合金基体和增强体SiC颗粒构成。这种材料很致密，无空洞，是优良的气密性封装材料。图2为Rao[17]等人用无压自浸渗法制得的Sicp/A1微观形貌照片。Sic颗粒作为曾强材料具有性能优异，成本低廉的优点。其热彭胀系数(CTE)在5×10-6K-1～1 8×10-6K-1之间可以任意调节，同时通过Al：SiC比率的改变，热传导率在170W.m-1K-1～180W．m-1K-1之间，弹性模量达250GPa，密度为3．2g.cm-3；A1作为基板材料，具有高导热(170W.m-1K-1～220W.m-1K-1)、低密度(2．7g.cm-3)、价格低廉和易于加工等优点，又克服了各自的缺点，所以能表现出综合的优异性能。表2给出了SiCp/A1与其他封装材料各种性能的比较[18-19]。

从表2可以看到，SiCp/A1的热导率为Kovar。及A1203的10倍，与Cu/W相当。SiCp/A1的CTE与GaAs(CTE值为6．5×10-6K-1)相近，并且其CTE可以通过SiC：的加入量来调节以获得精确的热匹配，可以将大功率芯片直接安装到SiCp/A1基板上，有效解决失配应力问题[20]。SiCp/Al的热传导率没有铝合金好，但是结合化学气相沉积法制得的金刚石或高定向裂解石墨(HOPG)平板能够增加热传导性[12]，国际航天站就使用SiCp/A1压缩HOPG印刷电路板热沉，一种SiCp/A1通讯光电封装使用HOPG嵌入以提高热扩散性。同时，SiCp/A1具有优异的机械性能，其弹性模量是Cu的两倍，可保证封装结构的牢固性以及伸缩性[22]，也有利于散热，SiCp/A1基板可以做得更薄从而减少热阻。因为SiCp/Al是采用无压自浸渗法制成的，表面覆有一层薄薄的Al，起到了抑制裂纹沿表面扩散的作用用。SiCp/Al的抗振性能也很理想，含75v01％SiC的SiCp/A1，其减振比可达5．867×10-3，是A1的两倍，在航空、航天电子设备中用它作芯材的标准电子组件(SEM)的共振频率可提高到600Hz，比使用Cu/W时高一倍，对使用在强烈振动环境下大尺寸封装显得极为重要[20]。

SiCp/A1是新型金属基复合材料中应用最为成功的电子封装材料。Dr．Carl经过研究发现[23]，当微粒的体积分数在0．7左右，其CTE和硅相近，并且具有低密度和净成型制造能力，导致了对这种材料的需求迅速地增长。据报道[17]，直接在SiCp/Al衬底上进行微电子封装不仅能够提高器件的热性能，而且通过减小衬底本身的尺寸，还能够减轻器件的重量，用于空间宇航领域还能节省成本。

4 展望

随着电子工业的飞速发展，电子封装、组装的高密度、高速度化，集成电路对封装材料的性能提出了更为严格的要求。因此，寻求新的封装材料，以此提高优化材料性能，进一步改进和完善制造工艺，朝着加工周期短、节能、省力和降低成本方向前进，已成为世界性的重大问题。SiCp/Al复合材料由于其独特的优势引起了人们广泛的关注，国内目前对这种材料的研究和发展仍处于起步阶段，还存在许多问题需要进一步深入研究。

首先在制备工艺方面，现有的方法都存在着成本过高或工艺复杂的缺点，从而使其应用受到限制，因此要加强这方面的研究，大力发展制备高纯度、低成本SiCp的生产工艺。在空气气氛中有效地实现无压渗透将是研究的重点之一。

在SiCp/Al复合材料的复合反应方面，需要进一步研究A1-SiCp的界面结合状况，包括对SiCp进行表面处理，研究基体成分对界面结合状况从而对材料热性能的影响，探索润湿机理，从而改善两者之间的润湿性。

从SiCp/Al电子封装复合材料应用方面来说，则需要充分利用其优异的性能，扩大使用领域，逐步从军用走向民用，实现规模化生产，有效地降低生产成本，以满足电子工业的需要。

在提高复合材料的热物理性能方面，研究重点在于材料显微结构与热导率等参数之间的关系，需要进一步研究增强体的粒度、形态等对热性能的影响。总之，在未来的电子技术领域，SiCp/A1复合材料将会有更广阔的前景，要求材料工作者加大研究的力度。