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碳化硅粉体真正的高大上应用——碳化硅颗粒增强
铝基复合材料
与传统材料相比，颗粒增强金属基复合材料不仅兼有金属的高韧性、高塑性优点和增强颗粒的高硬度、高模量优点，而且材料各向同性，可采用传统的金属加工工艺进行加工。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的密度仅为钢的1/3，但其强度比纯铝和中碳钢都高，且还具有较高的耐磨性，可以在300℃～350℃的高温下稳定工作。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料由碳化硅粉体和颗粒状的铝复合而成，增强颗粒在基体中的分布状态直接影响到铝基复合材料的综合性能。
能否使增强颗粒均匀分散在熔液中是能否成功制备铝基复合材料的关键,也是制备颗粒增强铝基复合材料的难点所在。
碳化硅颗粒分布的均匀与否与颗粒的大小、颗粒的密度、添加颗粒的体积分数、熔体的粘度、搅拌的方式和搅拌的速度等因素有关。
一、碳化硅增强铝基复合材料制备
1.压力铸造法。
压力铸造法制备碳化硅颗粒铝基复合材料的过程，主要包括碳化硅颗粒预制块的制备和液态铝合金在一定压力下渗入预制块中两部分。
碳化硅颗粒在复合材料中分布的均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度决定,并取决于预制块的制备工艺。
复合材料的孔隙率和SiCp/Al界面结合状态则与压铸工艺参数密切相关。
2.喷射共沉淀法。
喷射共沉积法具有碳化硅颗粒分布均匀、没有严重的界面反应、基体组。
铝碳化硅（Al/SiCp）系第三代电子封装材料，这种SiC颗粒增强铝基复合材料具有的高比强度、高比模量、耐磨损及抗腐蚀性等优良的性能使得其在航空、航天、医疗、汽车等领域获得了广泛的应用前景，也使得其制备、加工以及应用成为当今世界科技发展的一个研究热点。
增强体颗粒SiC比常用的刀具如高速钢刀具和硬质合金钢刀具的硬度高, 在机械加工过程中能引起剧烈的刀具磨损, 因此,复合材料的难加工性和昂贵的加工成本限制了铝基碳化硅复合材料的广泛应用。
目前, 在进一步扩大铝基碳化硅复合材料的应用方面, 材料的切削加工是最重要的研究课题之一。
随着SiCp/Al复合材料在航空、航天等领域应用的不断增加，出现了越来越多的带有直线、曲线形状的深窄沟槽、小尺寸孔、螺纹且需要对它们进行精密加工的零件。
如何突破这种难加工材料的加工工艺方法，有效的降低其加工成本，使其得到广泛的应用，对我国国防事业有着重要意义。
基于当前世界的机械制造水平，我国有部分科研院所针对这个课题作了部分研究，人们尝试了多种加工方法：有金刚石刀具高速加工、金刚石砂轮进行高效磨削、电火花加工、激光加工、超声振动切削加工等等。
这么多的方法总而言之，各有利弊，铝碳化硅材料的加工工艺方法还处于摸索总结阶段。
我公司于2009年启动该项目，经过不断地摸索实验与总结，已经取得了一系列研究成果，促进了SiCp/Al复合材料加工技术的发展和应用。
我们认为采用金刚石刀具高速切削和采用金刚石砂轮进行高效磨削以及结合电火花加工能有效的保证设计尺寸精度要求。
但是，要有效的降低其加工成本还有很多的路要走。
其加工制造的瓶颈主要有三点：1.高精度、高转速、高效率的切削机床。
这是实现铝碳化硅复合材料高效加工的根本，是金刚石刀具高速加工及金刚石砂轮高效磨削的前提条件。
2.金刚石刀具及金刚石砂轮的制造。
如何提高金刚石刀具及金刚石砂轮的使用寿命，降低其制造成本，实际上也就决定了铝碳化硅复合材料的加工成本。
铝碳化硅（Aluminum Silicon Carbide，简称AlSiC）是一种复合材料，由铝基体和碳化硅颗粒组成。
它具有优异的导热性能，是一种常用的散热材料。
铝碳化硅的导热率通常在100-200 W/m·K之间，具体数值取决于材料的制备方法和组分比例。
相比于纯铝和纯碳化硅，铝碳化硅的导热率更高，这是由于碳化硅颗粒的高导热性能和铝基体的良好导热性能相结合所致。
铝碳化硅的导热性能使其在高功率电子器件、电子封装和散热器等领域得到广泛应用。
它能够有效地将热量从热源传导到散热器，提高设备的散热效率，保持设备的稳定工作温度。
需要注意的是，铝碳化硅的导热性能受到材料的密度、颗粒尺寸和分布等因素的影响。
此外，材料的热导率还可能随着温度的变化而发生变化。
因此，在具体应用中，需要根据实际情况选择合适的铝碳化硅材料，并进行适当的热设计和散热方案。
元器件的封装材料
元器件的封装材料有多种，包括金属、陶瓷、塑料等。
这些材料各有其特性和应用范围。
1. 金属：如铜、铝、钢、钨、镍和可伐合金等，这类材料主要用于宇航及军品元器件管壳。
2. 陶瓷：如氧化铝、碳化硅、氧化铍、玻璃陶瓷和钻石等。
陶瓷材料具有较好的气密性、电传输、热传导和机械特性，可靠性高。
不仅可作为封装材料，也多用于基板，但脆性高易受损。
3. 塑料：分为热固性聚合物和热塑性聚合物，如酚醛树脂、环氧树脂和硅胶等。
采用一定的成型技术（转移、喷射、预成型）进行封装，当前90%以
上元器件均已为塑料封装。
4. 还有一些新兴的第三代封装材料，如铝基碳化硅（AlSiC）、铝硅（AlSi）、铝金刚石（Al-Dia）和铜金刚石（Cu-Dia）等。
这些材料是金属基热管理复合材料，既有金属的性能，又有非金属（陶瓷、硅颗粒、金刚石）材料的性能。
主要特性包括高导热、高刚度、高耐磨、低膨胀、低密度和低成本等。
以上内容仅供参考，建议查阅电子封装材料相关书籍或咨询电子封装行业专家以获取更全面和准确的信息。
航空航天用电子封装材料及其发展趋势陈寰贝;庞学满;胡进;程凯【摘要】随着航空航天领域的迅速发展，其应用的电子器件不断微型化、高度集成化，并且可靠性要求越来越高，其电子封装材料具有更高的热导率及与芯片热膨胀系数的匹配性，还要求其电子封装材料具有更低的密度。
BeO、AlN、Al/SiC与AlSi由于具有高热导率、低密度及与芯片材料良好的热膨胀匹配性，非常符合航空航天用电子封装材料的发展趋势，并已经逐步在取代常用的一些封装材料。
重点介绍了四种材料的性能优势，以及它们之间的性能对比与应用前景分析。
%With the rapid development of technology for aviation and aerospace, the electronic devices become smaller, more integrated, and higher reliability. Due to the particularity of aviation and aerospace ifeld, low density also required. BeO, AlN, Al/SiC and AlSi, as electronic packaging materials, have been showing extensive prospects for use in aviation and aerospace field and gradually replacing some of the commonly used packaging materials, since their high thermal conductivity, low density and thermal expansion coefifcient matching with chip. The article focuses on the performance advantages and prospect of these materials. And the performance differences among these materials are analyzed.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P6-9)【关键词】电子封装;氮化铝;碳硅铝;硅铝【作者】陈寰贝;庞学满;胡进;程凯【作者单位】中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所，南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN305.941 引言当前，电子器件在航空航天领域扮演了极其重要的角色。
铝基碳化硅（AlSiC）是一种高性能材料，它结合了铝的优良导热性和碳化硅的高硬度特性。
在许多应用领域中，铝基碳化硅都表现出优异的性能，特别是在高温和高频领域。
这种材料的热膨胀系数是一个重要的物理性质，它决定了材料在不同温度下的尺寸变化。
铝基碳化硅的热膨胀系数取决于其组成成分和制备工艺。
通常情况下，铝基碳化硅的热膨胀系数在x 至y之间（具体的数值取决于具体的材料和工艺条件）。
这意味着当温度升高时，铝基碳化硅的尺寸会增加，反之亦然。
这种特性使得铝基碳化硅在高温环境下能够保持稳定的性能，并且能够适应不同的温度变化。
在电子封装和航空航天领域，铝基碳化硅的热膨胀系数尤为重要。
由于这些领域中的设备通常需要在高温环境下工作，因此材料必须具有良好的热膨胀性能以保持其结构完整性和功能稳定性。
铝基碳化硅的热膨胀系数能够满足这些要求，使得它成为这些领域中的理想材料。
总之，铝基碳化硅的热膨胀系数是一个重要的物理性质，它决定了材料在不同温度下的尺寸变化。
了解并控制这种性质对于优化铝基碳化硅的应用至关重要。
在电子封装和航空航天等领域中，铝基碳化硅的热膨胀系数能够满足高温环境下的性能要求，使其成为一种具有广泛应用前景的高性能材料。
随着LED制造技术的飞跃以及器件更高性能的要求，对封装材料提出了更新、更高的要求，传统材料不再适用于高功率密度器件的封装。
过去大量使用的铝、铜、可伐或半导体材料等不能达到良好的导热指标和轻便的要求，而且成本较高，已不能满足这种高功率密度的需要。
这使得电子器件热管理问题成为瓶颈。
电子器件热管理问题得不到很好的解决，会导致电子器件的热失效，从而造成封装体与芯片因受热膨胀而开裂，芯片散热性不佳而停止工作。
当两种接触材料的热膨胀系数差异达到12ppm/K时，仅100次热循环就会出现热疲劳失效，在大功率LED应用中，高亮度产品的电流量提高(电流由早期0.3A发展到目前约1A)或因其高功率(由早期1W发展到目前约可达5W)致使单位面积高热量产生。
目前光电转换效率，每100%的能源只有约20%产生光，而有80%的能源变为热能损耗，因此热量是能源最大的消耗。
但同时若不移除多余的热能，则LED 使用寿命及效能将折损。
为了保证此类设备的可靠性，就需要解决热管理这个问题。
解决这一瓶颈最好的方法就是通过改变提高封装材料的性能。
一、大功率LED照明光源需要解决的散热问题大功率LED芯片在工作时就会产生大量的热量。
如何将产生的热量散发出去，保证一定环境温度条件下能长期正常工作显得尤为重要，解决好热耗散是大功率器件封装的关键。
大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节：1、晶片PN结到外延层;2、外延层到封装基板;3、封装基板到散热器4、散热器到空气为了取得好的导热效果，提高对流散热。
LED发出的热量通过导热硅脂/焊锡传递给基板，再通导热硅脂传递给铝散热器再将热量通过辐射和对流的方式带到周围的空气中，将热量排除，形成从LED芯片通过导热硅脂和铝基板到周围空气的散热通路。
材料热传导性能的一个很重要的指标是热阻，热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传递速率的比值。
越短的热传导距离、越大的截面积、越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这就要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。
电子封装中的铝碳化硅及其应用1 引言铝碳化硅AlSiC（有的文献英文所略语写为SiCp/Al或Al/SiC、SiC/Al）是一种颗粒增强金属基复合材料，采用Al合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。
AlSiC研发较早，理论描述较为完善，有品种率先实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的"轻薄微小"的发展需求。
尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装分析作用极为凸现，成为封装材料应用开发的重要趋势。
2 封装AlSiC特性封装金属材料用作支撑和保护半导体芯片的金属底座与外壳，混合集成电路HIC的基片、底板、外壳，构成导热性能最好，总耗散功率提高到数十瓦，全气密封性，坚固牢靠的封装结构，为芯片、HIC提供一个高可靠稳定的工作环境，具体材料性能是个首选关键问题。
在长期使用中，许多封装尺寸、外形都已经标准化、系统化，存在的主要缺陷是无法适应高性能芯片封装要求。
例如，Kovar（一种Fe-Co-Vi合金）和Invar（一种Fe-Ni合金）的CTE低，与芯片材料相近，但其K值差、密度高、刚度低，无法全面满足电子封装小型化、高密度、热量易散发的应用需求合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素所组成的金属材料，具有其综合的优势性能。
随之发展的Mo80 Cu20、Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu等合金在热传导方面优于Kovar，但期比重大于Kovar，仍不适合用作航空航天所需轻质的器件封装材料。
常用金属封装材料与CaAs的微波器件封装需求存在性能上的差距，使得研发一种新型轻质金属封装材料，满足航空航天用器件封装成为急需，引发相关部门调试重视。
经过近些年来的深入研究，AlSiC取得产业化进展，相继推动高硅铝合金Si/Al实用化进程，表2示出其主要性能与常用封装材料的对比。
将SiC与Al合金按一定比例和工艺结合成AlSiC后，可克服目前金属封装材料的不足，获得高K值、低CTE、高强度、低密度导电性好的封装材料。
从产业化趋势看，AlSiC可实现低成本的、无须进一步加工的净成形（net-shape）或需少量加工的近净成形制造，还能与高散热材料（金刚石、高热传导石墨等）的经济性并存集成，满足大批量倒装芯片封装、微波电路模块、光电封装所需材料的热稳定性及散温度均匀性要求，同时也是大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管的优选封装材料，提供良好的热循环及可靠性。
3 封装AlSiC类型封装金属基复合材料的增强体有数种，SiC是其中应用最为广泛的一种，这是因为它具有优良的热性能，用作颗粒磨料技术成熟，价格相对较低；另一方面，颗粒增强体材料具有各向同性，最有利于实现净成形。
AlSiC特性主要取决于SiC 的体积分数（含量）及分布和粒度大小，以及Al合金成份。
依据两相比例或复合材料的热处理状态，可对材料热物理与力学性能进行设计，从而满足芯片封装多方面的性能要求。
其中，SiC体积分数尤为重要，实际应用时，AlSiC与芯片或陶瓷基体直接接触，要求CTE尽可能匹配，为此SiC体积百分数vol通常为50%-75%，表3示出某厂家产业化净成形AlSiC级别的详细情况。
此外，AlSiC可将多种电子封装材料并存集成，用作封装整体化，发展其他功能及用途。
研制成功将高性能、散热快的Cu基封装材料块（Cu-金刚石、Cu-石墨、Cu-BeO等）嵌入SiC预制件中，通过金属Al熔渗制作并存集成的封装基片。
在AlSiC并存集成过程中，可在最需要的部位设置这些昂贵的快速散热材料，降低成本，扩大生产规模，嵌有快速散热材料的AlSiC倒装片系统正在接受测试和评估。
另外，还可并存集成48号合金、Kovar和不锈钢等材料，此类材料或插件、引线、密封环、基片等，在熔渗之前插入SiC预成型件内，在AlSiC复合成形过程中，经济地完成并存集成，方便光电器件封装的激光连接。
采用喷射沉积技术，制备了内部组织均匀、性能优良、Si含量高达70wt%（重量百分率）的高硅铝合金SiAl封装材料，高硅铝合金CE牌号的性能如表4所示，由于其CTE与Si、GaAs该匹配，也可用于射频、微波电路的封装及航空航天电子系统中，发展为一种轻质金属封装材料。
4 封装AlSiC制备SiC颗粒与Al有良好的界面接合强度，复合后的CTE随SiC含量的变化可在一定范围内进行调节。
由此决定了产品的竞争力，相继开发出多种制备方法。
用于封装AlSiC预制件的SiC颗粒大多在1μm-80μm范围选择，要求具有低密度、低CTE，高弹性模量等特点，其热导率因纯度和制作方法的差异在80W（m·K）-200W（m·K）之间变化。
基体是强度的主要承载体，一般选用6061、6063、2124、A356等高强度Al合金，与SiC按一定比例和不同工艺结合成AlSiC，解决SiC 与Al润湿性差，高SiC含量难于机加工成型等问题，成为理想的封装材料。
制备500vol%-75vol%SiC高含量的封装用AlSiC多采用熔渗法，其实质是粉末冶金法的延伸。
它通过先制备一定密度、强度的多孔基体预制件，再渗以熔点比其低的进入填充预制件，其理论基础是在金属液润湿多孔基体时，在毛细管力作用下，金属液会沿颗粒间隙流动填充多孔预制作孔隙，脱模无须机械加工，在其表面上覆盖有一层0.13mm-0.25mm厚的完美Al合金层，按用途电镀上Ni、Au、Cd、Ag，供封装用。
熔渗法是AlSiC制备的关键，一般分为有压力渗透和无压力渗透，前者根据生产过程中压力施加的大小，方式的不同，又分为挤压熔渗、气压压力熔渗、离心熔渗铸造法等，主要特点是需要真空和高压设备，渗透时间较短，有效控制Al与SiC的界面反应，同时与精度的模具相配套，获得适用性发展。
后者是将Al合锭放置在SiC预制件上，在合金熔点以上保温，Al合金液依托毛细管力的作用自发渗入预制件中，所需设备简单，予以低成本制备，但产品的机械性能与热性能略低，对基体合金的成份有较为严格的要求，浸透需要在保护气氛中进行。
粉末冶金法对SiC体积分数可在15%-75%之间调节，SiC承载量大，但较难实现材料的一次成形。
AlSiC封装材料产业化引起国内科研院所、大学等单位的广泛重视，积极着手研发其净成形工艺，部分单位研制成功样品，为AlSiC工业化生产积累经验，离规模化生产尚有一定距离，存在成本高、SiC体积含量不高、低黏度、55%-75%高体积分浆料的制备与浆粒原位固化技术等问题。
5 封装AlSiC的应用IC产业的发展与其设计、测试、流片、封装等各环节密切相连，最终在市场应用中体现价值认同，良性循环形成量产规划，实现经济效益。
封装技术至关重要，尤其是军用产品一致采用金属封装，陶瓷封装结构，确保旗杆、模块、组件、系统的整体可靠性的金属封装气密性高，散热性好，形状可多样化，有圆形、菱形、扁平形、浅腔与深腔形等，其材料难以满足当今航空航天、舰船、雷达、电子战、精确打击、天基和海基系统对大功率、微波器件封装的需求。
按目前VLSI 电路功耗的同一方法计算，未来的SoC芯片将达到太阳表面温度，现有的设计和封装方法已不能满足功率SoC系统的需求。
AlSiC恰好首先在这一领域发挥作用，现以军用为主，进而推向其他市场。
5.1 T/R模块封装机载雷达天线安装在飞机万向支架上，采用机电方式扫描，其发展的重要转折点是从美国F-22开始应用有源电子扫描相控阵天线AESA体制，其探测距离如表5所示，研发出多种AESA系统。
例如，APG-80捷变波束雷达、多功能机头相控阵一体化航电系统、到功能综合射频系统、综合式射频传感器系统、JSF 传感器系统等，所用T/R（发/收）模块封装技术日趋成熟，每个T/R模块成本由研发初期的10万美元降至600-800美言，数年内可降至约200美元，成为机载雷达的核心部分。
几乎所有的美国参战飞机都有安装新的或更新AESA计划，使其作战效能进一步发挥，作多目标威胁环境中先敌发现、发射、杀伤，F-22机载AESA雷达可同时探测跟踪目标数分别为空中30个、地面16、探测范围为360度全周向。
AESA由数以千计的T/R模块（有的高达9000个左右）构成，在每个T/R模块内部都有用GaAs技术制作的功率发射放大器、低噪声接受放大器、T/R开关、多功能增益/相位控制等电路芯片，最终生产关键其封装技术上，因机载对其体积与重量的限制极为苛刻。
AlSiC集低热胀、高导热、轻质于一体，采用AlSiC 外壳封装T/R模块，包括S、C、X、Ku波段产品，可满足实用需求。
雷达APG-77是一部典型多功能、多工作方式雷达，其AESA直径约1m，用2000个T/R模块构成，每个T/R模块输出功率10W，移相器6位，接受噪声系数2.9dB，体积6.4cm3，重14.88g，平均故障间隔MTBF20万h，其发射功率比初期产品增加16倍，接受噪声系数降低1倍，体积重量减少83%，成本下降82%。
以1000个T/R模块构成机载AESA雷达为例，用AlSiC替代Kovar，雷达重量可减轻34kg，而热导率比Kovar提高10余倍，且提高整机可靠性MTBF达2000h以上。
试验表明，及时AESA中10%的T/R模块产生故障，对系统无显著影响，30%失效时，仍可维持基本工作性能，具有所谓的"完美降级"能力。
本世纪初，美国AlSiC年产量超过100万件，T/R模块由"砖"式封装向很薄、边长5cm或更小方块形的"瓦"式封装发展，进一步降低T/R模块的尺寸、厚度，重量以及所产生的热量。
欧洲防务公司、法、英、德联合开发机载AESA及T/R 模块技术，研制具有1200个T/R模块全尺寸样机的试验工作，俄罗斯积极着手研制第4代战斗机用AESA雷达，以色列、瑞典研制出轻型机载AESA预警雷达，机载AESA及T/R模块市场持续升温。
在国内，随着AESA产品的定型，T/R模块出现批量生产需求，其基板、壳体的生产极为关键，采用近净成形技术，研制出小批量T/R模块封装外壳样品。
用无压熔渗AlSiC制作基座替代W-Cu基座，封装微波功率器件，按GJB33A-97和GJB128A-97军标严格考核，器件的微波性能、热性能无变化，可完全满足应用要求，前者的重量只及W-Cu基座的20%，且成本仅为后者的1/3左右，有望在封装领域大量替代W-Cu，Mo-Cu等材料。
国产L波段功率器件月批量生产累计上千只，实现某型号雷达全面国产化、固态化，今后几年会持续批量生产，S、C波段功率模块怎样低成本生产，将涉及AlSiC封装材料的研发应用。
