[發(fā)明專利]鋁基碳化硅封裝部件材料及其碳化硅預(yù)置坯體制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011603007.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112759399B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包建勛;張舸;崔聰聰;郭聰慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): C04B35/565
• 分類號(hào): C04B35/565;C04B35/622;C04B35/638;C04B41/88;C04B41/85
• 代理公司: 長(zhǎng)春中科長(zhǎng)光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料零部件的成形技術(shù)領(lǐng)域，提供一種通過(guò)碳化硅預(yù)置坯體的漿液近凈尺寸成型，脫脂后坯體強(qiáng)度達(dá)到15MPa以上，結(jié)合熔融鋁合金浸滲的工藝，實(shí)現(xiàn)最終用于復(fù)雜形狀光電功能?結(jié)構(gòu)一體化的鋁基碳化硅部件坯體的近終尺寸制備。坯體任一面的加工余量不超過(guò)0.5mm，從而有效管控鋁基碳化硅封裝材料和部件的制備和制造復(fù)雜度和成本；并且實(shí)現(xiàn)鋁基碳化硅封裝部件材料內(nèi)部增強(qiáng)體碳化硅三維連通的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低熱膨脹系數(shù)至5.5～6.1ppm/K，與功能材料形成更優(yōu)熱匹配。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料零部件的成形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能鋁基碳化硅部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化硅多孔預(yù)置體及其封裝部件材料的近凈尺寸制備方法。

背景技術(shù)

以功率半導(dǎo)體模組、超高頻光電通信模組、應(yīng)對(duì)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)需求等大規(guī)模數(shù)據(jù)并發(fā)處理和計(jì)算單元為代表的超大規(guī)模集成電路，都面臨著半導(dǎo)體器件和模組封裝空間越來(lái)越緊湊、功耗增大帶來(lái)的發(fā)熱量和工況溫升越來(lái)越高的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)表明，溫度升高，半導(dǎo)體器件和模組性能將衰減，失效概率隨之急劇提高。原因包括：溫度升高，放大了半導(dǎo)體器件和封裝材料之間的熱膨脹不匹配性(亦稱為熱失配)，導(dǎo)致電氣互聯(lián)性能下降，并且急劇加大熱應(yīng)力破壞和熱機(jī)械疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，隨著電子系統(tǒng)集成功能的增加和性能的提高，應(yīng)用延伸至高振動(dòng)高溫變等嚴(yán)苛工況環(huán)境。這些應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)封裝材料的導(dǎo)熱性、低膨脹性能、材料比剛性(彈性模量與質(zhì)量密度比)、抗沖擊性等熱學(xué)與機(jī)械綜合性能提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

高碳化硅體積含量的鋁基碳化硅復(fù)合材料相比較于傳統(tǒng)的鋁合金、銅合金、Invar、Kovar合金、Al₂O₃陶瓷，具有顯著的熱學(xué)和力學(xué)綜合性能優(yōu)勢(shì)；對(duì)比AlN和Si₃N₄新型封裝材料，沖擊韌性更高，同時(shí)導(dǎo)熱性能也高于Si₃N₄；此外，相對(duì)AlN和Si₃N₄，鋁基碳化硅復(fù)合材料原料成本和加工難度相對(duì)較低，更容易以成熟低成本的化學(xué)鍍和電鍍等實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品的表面金屬化，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合材料中鋁合金金屬基體和增強(qiáng)體碳化硅的比例，可以實(shí)現(xiàn)材料熱學(xué)和機(jī)械性能的調(diào)劑，因而是高集成度、高功率密度光電模組理想的功能/結(jié)構(gòu)一體化封裝候選材料之一，其制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)得到廣泛的關(guān)注，其中材料批量制備和加工成本、材料性能是主要的技術(shù)突破方向。

對(duì)比文件1(CN1644276A)公開(kāi)了一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法。其采用粉末注射成型工藝，先制備碳化硅體積含量為62～72％的預(yù)置坯體，經(jīng)過(guò)排膠和預(yù)燒結(jié)得到碳化硅骨架，并在1100～1200℃高溫中進(jìn)行鋁合金熔滲，制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

對(duì)比文件2(CN 102806335 B)公開(kāi)了采用石蠟基粘接劑，經(jīng)130℃粘結(jié)劑和碳化硅SiC粉混煉后，150℃熱壓鑄成型，加熱排膠并1100～1300℃預(yù)燒結(jié)后得到碳化硅SiC骨架。再采用含鎂、硅和鑭系稀土元素的鋁合金，經(jīng)過(guò)無(wú)壓浸滲碳化硅骨架，獲得電子封裝鋁基碳化硅復(fù)合材料。該材料碳化硅體積含量達(dá)到60～75％，25～150℃熱膨脹系數(shù)CTE在6.67～9.00ppm/K，熱導(dǎo)率在165～190W/(m·K)范圍，對(duì)比傳統(tǒng)封裝材料Kovar合金、Invar合金、鋁合金、鎢銅合金，性能有明顯提高。

上述各對(duì)比文件公開(kāi)的鋁基碳化硅復(fù)合材料制備方法存在共同的待改進(jìn)之處：所采用成型方法需要耐壓耐高溫的熱作模具和相應(yīng)的壓力設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大尺寸異型部件的成型；同時(shí)經(jīng)過(guò)高溫排膠后碳化硅骨架強(qiáng)度力學(xué)性能不足，需要高溫預(yù)燒結(jié)，在此過(guò)程中，碳化硅骨架或坯體破壞的風(fēng)險(xiǎn)非常大。這兩方面局限性對(duì)工藝條件要求高，而且無(wú)法滿足高集成度的光電功能-結(jié)構(gòu)一體化封裝材料的近凈尺寸成型，不可避免的導(dǎo)致加工余量大，成本高。此外，應(yīng)用越來(lái)越廣泛的高性能半導(dǎo)體或器件襯板如GaN、AlN、Si₃N₄等，以及光學(xué)晶體、光學(xué)玻璃等光學(xué)材料，熱膨脹系數(shù)在3.7～6.0ppm/K，這些功能性材料與封裝材料之間硬性連接，在工況功率密度提高的趨勢(shì)下，要求進(jìn)一步降低封裝材料的熱膨脹系數(shù)的需求強(qiáng)烈。