周明智，許業(yè)林，雷黨剛，盧海燕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

金屬基復(fù)合材料在微波封裝領(lǐng)域的研究進(jìn)展*

周明智，許業(yè)林，雷黨剛，盧海燕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

電子信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)封裝材料的性能提出了苛刻的要求。金屬基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、低膨脹等優(yōu)異的熱物性能，是一種理想的電子封裝材料。電子封裝用金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體含量高，因而研制困難，工程應(yīng)用的技術(shù)難度大。文中綜述了國(guó)內(nèi)外電子封裝用金屬基復(fù)合材料的性能及研究現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前復(fù)合材料在應(yīng)用中的主要問題，并針對(duì)這些問題給出了建議。

金屬基復(fù)合材料；封裝；研究進(jìn)展

引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元器件的組裝密度越來(lái)越高，對(duì)組件封裝殼體及熱沉材料的性能要求也愈發(fā)苛刻,不僅要求材料具有低密度、低膨脹、高導(dǎo)熱、高致密等優(yōu)良的熱物性能，還要求能夠解決材料加工成型、表面改性、氣密封焊等一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)問題。從性能方面來(lái)看，傳統(tǒng)材料如以Al、Cu、Kovar、Invar Mo-Cu等為代表的第1代、第2代封裝材料已無(wú)法滿足航空航天新領(lǐng)域及高集成電子器件對(duì)封裝材料綜合性能的高要求。而以高導(dǎo)熱碳材料(金剛石、碳纖維、熱解石墨、碳納米管、石墨烯)、碳化硅顆粒、硅顆粒為增強(qiáng)體，與鋁、銅、銀等金屬?gòu)?fù)合得到的金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，MMCs)，具有高導(dǎo)熱率、輕質(zhì)、低膨脹等優(yōu)良的熱物性能，是高性能組件封裝殼體的優(yōu)選材料，正成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。

1 封裝材料性能對(duì)比及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高體分SiC顆粒增強(qiáng)鋁(SiCp/Al)是第3代電子封裝材料的代表，在發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入實(shí)用階段。從20世紀(jì)開始，美國(guó)休斯公司、西屋公司為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)開發(fā)、使用了該材料，成功改進(jìn)了美軍機(jī)載電子系統(tǒng)的效能。隨后，它又作為新型輕質(zhì)電子封裝及熱控材料在一系列為世人所矚目的先進(jìn)航空航天器上獲得了正式應(yīng)用[5]。

國(guó)內(nèi)在SiCp/Al材料制備方面也展開了大量的研究，目前已掌握不同體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的制備方法，具備了工程化應(yīng)用能力。文獻(xiàn)[6]通過(guò)熔鋁無(wú)壓浸滲復(fù)合工藝，解決了高體積分?jǐn)?shù)碳硅鋁研制過(guò)程中低熱阻、低電阻SiC與Al界面的獲得等技術(shù)難點(diǎn)，制備了高致密鋁基復(fù)合材料。國(guó)防科技大學(xué)[6]、西北工業(yè)大學(xué)等科研單位分別開展了采用壓力浸滲法制備高體分SiCp/Al電子封裝材料的研究工作，且取得了重要進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)制備的高體分SiCp/Al材料的熱導(dǎo)率已超過(guò)180 W/(m·K)，膨脹系數(shù)為6 × 10-6/ K～10 × 10-6/ K，組織致密(如圖1所示)，氣密性達(dá)到國(guó)軍標(biāo)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足封裝殼體對(duì)材料性能的要求。與此同時(shí)，我國(guó)于2005年頒布了國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒/鋁基復(fù)合材料規(guī)范》。該軍標(biāo)的形成為SiCp/Al復(fù)合材料在電子封裝領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用領(lǐng)域，北京航空材料研究院研制的微波功率管底座(如圖2所示)是國(guó)內(nèi)首次通過(guò)軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證鑒定并得到驗(yàn)證應(yīng)用的SiCp/Al產(chǎn)品[5,7]。此外，高體分SiCp/Al作為基板或熱沉材料在國(guó)內(nèi)封裝領(lǐng)域已得到批量應(yīng)用。

圖1 電子級(jí)SiCp/Al金相顯微組織

圖2 無(wú)壓浸滲SiCp/Al微波功率管底座

高體分SiCp/Al材料雖然具有優(yōu)良的熱物性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，其加工、涂覆及封焊均存在一定的困難。近年來(lái)，針對(duì)膨脹系數(shù)可控制(Controlled Expansion，CE)高硅含量的Al-Si合金的研究和應(yīng)用十分活躍。英國(guó)SANDVIK OSPREY 公司在該種材料的研制和推廣應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用[8]。OSPREY先后用噴射沉積法研制出了硅含量為27% ～ 70%的系列高硅鋁合金，圖3為其CE7金相顯微組織。該合金的顯著特點(diǎn)是密度低(小于2.7 g/cm3)、熱傳導(dǎo)性好(膨脹系數(shù)為11的CE合金熱導(dǎo)率接近150 W/(m·K))、膨脹系數(shù)可根據(jù)硅的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。同SiCp/Al材料相比，它具有良好的機(jī)械加工性能，易于鍍覆，且其硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%，具有激光熔焊性能，是一種較為理想的封裝材料。據(jù)公開報(bào)道，由OSPREY公司研制的高硅鋁已成功應(yīng)用于機(jī)載、星載等領(lǐng)域的微波組件殼體封裝，如圖4所示。

圖3 CE7金相顯微組織[8]

圖4 CE合金在星載封裝領(lǐng)域的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)的北京有色金屬研究總院、中南大學(xué)、江蘇豪然噴射成形公司等科研單位也開展了相關(guān)方面的研究，并分別采用噴射沉積、粉末冶金等方法制備出了高硅含量的Al-Si 合金[9-10]。目前生產(chǎn)的材料主要有Si質(zhì)量含量為22%、27%、42%、50%的鋁硅材料，但同國(guó)外同類材料相比，在材料內(nèi)部組織質(zhì)量方面還存在一定的差距。在國(guó)內(nèi)，高硅鋁材料已經(jīng)在地面、艦載、機(jī)載等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。

從增強(qiáng)體的性能來(lái)看，采用低膨脹和超高導(dǎo)熱的碳纖維、高定向熱解石墨(APG)、金剛石、碳納米管(CNT)、石墨烯等高導(dǎo)熱碳材料具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。如氣相生長(zhǎng)碳纖維的軸向熱導(dǎo)率可達(dá)1 950 W/(m·K)，高定向熱解石墨的平面熱導(dǎo)率可達(dá)1 600 ～2 000 W/(m·K)，具有各向同性天然金剛石的熱導(dǎo)率大于2 100 W/(m·K)，單壁CNT的熱導(dǎo)率則高達(dá)3 000 W/(m·K)[3]，遠(yuǎn)大于Si (150 W/(m·K))和SiC(80～200 W/(m·K))。

在高導(dǎo)熱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研制方面，美國(guó)MMCC公司開發(fā)了系列短石墨纖維增強(qiáng)鋁(銅)基復(fù)合材料[2]，其中AlGrafh4-230的平面CTE約為4 × 10-6/ K，熱導(dǎo)率為230 W/(m·K)，密度為2.4 g/cm3。石墨纖維含量為30%的AlGrafh7材料，其平面CTE約為7 × 10-6/ K，熱導(dǎo)率為200 W/(m·K)。在高導(dǎo)熱APG增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研制方面，為發(fā)揮APG材料的平面熱物性能，材料通常被設(shè)計(jì)成三明治結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示，即用金屬鋁(銅或鋁基復(fù)合材料)將高導(dǎo)熱石墨包覆，形成一種平面熱擴(kuò)展能力很強(qiáng)的材料。目前，國(guó)外K-CORE、MINTEQ、MOMENTIVE等公司研制的三明治材料平面熱導(dǎo)率已超過(guò)1 100 W/(m·K)。在金剛石顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料方面，美國(guó)的Plansee公司研制的Diamond/Al和Diamond/Cu具有各向同性導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率分別可達(dá)500 W/(m·K)、700 W/(m·K)，膨脹系數(shù)小于9 × 10-6/ K[9]。在碳基復(fù)合材料應(yīng)用方面，MMCC公司的AlGrafh材料已成功應(yīng)用于Bowing公司相控陣天線的T/R組件殼體的制造[2]，如圖6所示。具有超高平面熱導(dǎo)率的三明治材料則已應(yīng)用于SPY-3 及AN/TPS-99 T/R組件的封裝。

圖5 APG增強(qiáng)的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)材料

圖6 AlGrafh材料在星載封裝領(lǐng)域的應(yīng)用[2]

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在高導(dǎo)熱碳材料增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料用于封裝領(lǐng)域的研究應(yīng)用方面還存在較大差距，特別是在高導(dǎo)熱碳材料方面，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)尚不能提供高導(dǎo)熱碳纖維。在高導(dǎo)熱碳材料的研究方面，中科院山西煤化所采用熱壓工藝制備高導(dǎo)熱石墨材料，其制備的大塊石墨材料的導(dǎo)熱率可達(dá)650 W/(m·K)；中科院沈陽(yáng)金屬研究所從20世紀(jì)60年代開始從事化學(xué)氣相沉積熱解石墨及熱解炭材料研究，其研制的高定向熱解石墨的平面熱導(dǎo)率已超過(guò)1 400 W/(m·K)。在高導(dǎo)熱碳鋁材料的制備上，上海大學(xué)通過(guò)在碳纖維上氣相沉積(CVD)高導(dǎo)熱炭的方法預(yù)制C-Cf纖維絲，制成C-Cf預(yù)制件，然后通過(guò)壓力浸滲鋁合金的方法制備了高導(dǎo)熱C-Cf/Al復(fù)合材料，其組織如圖7所示。據(jù)報(bào)道，該材料的導(dǎo)熱性能與MMCC材料AlGrafh4-230相當(dāng)。

圖7 C-Cf/Al金相結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，在金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方面，北京有色金屬研究院、北京科技大學(xué)等單位開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究，制備的Diamond / Cu熱導(dǎo)率可達(dá)650 ～750 W/(m·K)，膨脹系數(shù)為4.8 × 10-6/ K ～ 6.8 × 10-6/ K，密度約為5.4～5.5 g/cm3。目前，國(guó)內(nèi)在高導(dǎo)熱碳材料及其復(fù)合材料在封裝領(lǐng)域的應(yīng)用方面還處于探索階段，主要采用高導(dǎo)熱Diamond / Cu 作為大功率微波器件的封裝熱沉材料[11]。 Diamond / Cu熱沉如圖8所示。

圖8 Diamond/Cu熱沉

2 MMCs應(yīng)用中存在的主要問題

雖然MMCs在封裝材料領(lǐng)域已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，但也存在一些急待解決的問題：一是需進(jìn)一步優(yōu)化材料的制備工藝，以批量提供滿足性能要求的材料，特別是以增強(qiáng)體高導(dǎo)熱碳材料為代表的金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)研究還需加強(qiáng)；二是需解決復(fù)合材料工程應(yīng)用中的技術(shù)問題，以促進(jìn)材料的推廣應(yīng)用。當(dāng)前，工程應(yīng)用技術(shù)是制約復(fù)合材料推廣應(yīng)用的瓶頸之一。增強(qiáng)體的作用給MMCs的應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。在封裝領(lǐng)域，就MMCs應(yīng)用而言，需要解決精密加工、表面改性和高可靠連接等3大工藝技術(shù)難題。從材料的機(jī)械加工性能來(lái)說(shuō)，同傳統(tǒng)的金屬材料相比，由于增強(qiáng)體的作用，MMCs具有高的硬度和耐磨性，用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法加工時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，表面粗糙度易加大，形位公差難以保證，效率低下。為了獲得與陶瓷基板相近的CTE值，電子封裝用MMCs增強(qiáng)體的陶瓷體積組分含量高(如SiCp/Al、Sip/Al、Dimond/Cu中增強(qiáng)體含量為50%～70%)，在加工圓孔、螺紋孔、薄壁型腔時(shí)都存在較大的困難，而含有金剛石的金屬基復(fù)合材料采用常規(guī)的機(jī)械加工方法則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，復(fù)合材料的表面改性也存在問題，表現(xiàn)為涂覆鍍層附著力不高，高溫考核后鍍層出現(xiàn)變色、鼓泡等質(zhì)量問題。連接是困擾金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的另一大難題。由于增強(qiáng)體與基體合金之間的物理和化學(xué)性能(如熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和線膨脹系數(shù)等)存在巨大差異,采用普通的焊接方法無(wú)法焊接成型或連接質(zhì)量無(wú)法滿足使用要求[12]。

3 主要解決辦法

針對(duì)MMCs在工程應(yīng)用中的問題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究并提出了相應(yīng)的解決方法。如針對(duì)高體分Dimond /Cu、SiCp/Al材料難以加工的問題，采用無(wú)(少)切削加工量的(無(wú))壓熔滲近凈成形技術(shù)[6，13]，來(lái)解決MMCs連接問題的超聲釬焊、高能束焊等[12]，這些技術(shù)對(duì)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。但從應(yīng)用的角度看，由于MMCs的特性，單一的工藝方案往往無(wú)法完美地解決實(shí)際應(yīng)用問題。因此，必須針對(duì)MMCs的應(yīng)用尋求一種系統(tǒng)解決辦法。復(fù)合材料“同步設(shè)計(jì)與制造技術(shù)”是一種較為有效的方案，其核心思想是在初始設(shè)計(jì)階段就系統(tǒng)考慮產(chǎn)品材料性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備工藝、構(gòu)件成形等方面的綜合要求，是一種能有效解決后續(xù)加工制造問題或降低難度的新方法。其前提是需要材料制備方與實(shí)際工程應(yīng)用方進(jìn)行全方位細(xì)致的交流和溝通，通過(guò)對(duì)具體產(chǎn)品研制過(guò)程各技術(shù)環(huán)節(jié)的梳理和權(quán)衡，基于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，盡量將材料后續(xù)加工難題放在材料制備的源頭來(lái)解決。研究表明，同步設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在MMCs的推廣應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

發(fā)達(dá)國(guó)家先后成功采用同步設(shè)計(jì)與制造技術(shù)加工出了多種產(chǎn)品。如采用局部增強(qiáng)結(jié)合近凈成型的方法設(shè)計(jì)加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞；為降低熱應(yīng)力，采用梯度設(shè)計(jì)的思想設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料；在封裝領(lǐng)域，采用在制備高體分SiCp/Al時(shí)在表面預(yù)留鋁層的方法解決材料的電鍍和焊接問題，在需要打孔的地方預(yù)留鋁合金以解決螺紋孔加工的問題，直接把元件如引線、密封環(huán)等嵌入成型的預(yù)制件中，通過(guò)浸滲直接連接成形，實(shí)現(xiàn)金屬元件(引線、密封環(huán))與熔融狀態(tài)的基體“原位”連接[14]。

國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料的同步制造方面也開展了研究。文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[13]研究了帶金屬鑲嵌件T/R組件的SiCp/Al近凈成型工藝；文獻(xiàn)[16]和[17]分別研究了鋁合金與SiC預(yù)制件復(fù)合時(shí)與鈦合金和FeNi合金的同步連接問題；文獻(xiàn)[18] 采用梯度結(jié)構(gòu)思想設(shè)計(jì)了梯度硅鋁材料，同步解決了殼體膨脹系數(shù)匹配性和激光封焊問題。雖然國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料的同步設(shè)計(jì)與制造方面取得了一定的成果，但深入研究和實(shí)用化還有待進(jìn)一步開展。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著材料制備和加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，以高導(dǎo)熱、輕質(zhì)、低膨脹為代表的金屬基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用將得到不斷提高和推廣。在MMCs應(yīng)用于封裝領(lǐng)域方面，我國(guó)已經(jīng)開展了一些開發(fā)和驗(yàn)證工作，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定的差距。因此，很好地借鑒國(guó)外已經(jīng)驗(yàn)證的先進(jìn)材料和制造技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)材料研制方與應(yīng)用單位的交流和溝通，對(duì)加快我國(guó)航空航天等領(lǐng)域組件先進(jìn)封裝材料的開發(fā)和應(yīng)用具有非常重要的意義。

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周明智(1973-)，男，博士，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料制備、精密成形及加工過(guò)程數(shù)值模擬。

Research Progress of Metal Matrix Composites for Microwave Packaging

ZHOU Ming-zhi，XU Ye-lin，LEI Dang-gang，LU Hai-yan

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

With the development of electronic and information technology, the performance of the electronic packaging material is becoming even more critical. The metal matrix composites (MMCs) is an ideal electronic packaging material for its excellent thermal physical properties such as light weight, high thermal conductivity, low expansion coefficient. The MMCs is designed with high volume fraction of reinforcement for electronic packaging, which makes its manufacturing and application very difficult. In this paper the research status and application of the MMCs are summarized and the key problems in application are pointed out. The solutions to these problems are also suggested.

metal matrix composites; packaging; research progress

2015-08-18

TB333.1

A

1008-5300(2015)05-0001-04