IGBT封装的新一代材料：铝碳化硅基板简介

       IGBT广泛用于各类高电压、大功率电子领域，更是堪称新能源汽车的“心脏”，尽管相较于同类型的产品更具有优势，但是其仍然存在所有大功率器件的共同缺点——发热量高，对封装材料的要求越来越高，因此开发出综合性能更好的新型封装材料一直是行业关注的热点。

       以往IGBT除了金属化层的基板外，底层的散热基板通常采用铜等金属材料，有着密度普遍偏大、导热性能不高、热膨胀系数不匹配等缺点，如今渐渐被一种新型金属基复合材料铝碳化硅（SiCp/Al、SiC/Al或者AlSiC）替代。

铝碳化硅基板封装器件

AlSiC材料的性能特性

       铝碳化硅（AlSiC）材料具有以下性能特性：1）AlSiC具有高导热率（170～200W/mK）和可调的热膨胀系数（6.5～9.5×10^-6/K），可提升器件散热性能的同时，其热膨胀系数与半导体芯片和陶瓷基片实现良好的匹配，能够防止疲劳失效的产生，甚至可以将功率芯片直接安装到AlSiC基板上；2）AlSiC是复合材料，其热膨胀系数等性能可通过改变其组成而加以调整，因此电子产品可按用户的具体要求而灵活地设计，这是传统的金属材料或陶瓷材料无法作到的；3）AlSiC的密度与铝相当，比铜和Kovar轻得多，还不到Cu/W的五分之一，特别适合于便携式器件、航空航天和其他对重量敏感领域的应用；4）AlSiC的比刚度（刚度除以密度）是所有电子材料中最高的：是铝的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是铜的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是恶劣环境（震动较大，如航天、汽车等领域）下的首选材料；5）AlSiC可以大批量加工，但加工的工艺取决于碳化硅的含量，可以用电火花、金刚石、激光等加工；6）AlSiC可以镀镍、金、锡等，表面也可以进行阳极氧化处理；7）金属化的陶瓷基片可以钎焊到镀好的AlSiC基板上，用粘结剂、树脂可以将印制电路板芯与AlSiC粘合；8）AlSiC本身具有较好的气密性；9）AlSiC的物理性能及力学性能都是各向同性的，其产品性能均匀度较高。

       由于AlSiC电子封装材料及构件具有高弹性模量、高热导率、低密度的优点，而且可通过SiC体积分数和粘接剂添加量等来调整膨胀系数，实现与GaAs芯片和氧化铝、氮化铝等基板的热匹配；同时可近净成形形状复杂的构件，因此生产成本也较低，使其在微波集成电路、功率模块和微处器盖板及散热板等领域得到广泛应用。

AlSiC应用方向

AlSiC材料的制备技术

       AlSiC（SiCp/Al）材料虽然具有优异的力学与物理特性，但是实现高体积分数SiC的SiCp/Al材料的制备一直是制约该行业发展的难题。如何实现经济、快速、高品质、低次品率的工业化生产，是SiCp/Al材料行业发展的机遇与挑战。目前，SiCp/Al材料制备方法与工艺的研究，主要分为粉末冶金、搅拌熔铸、共喷沉积、无压渗透与压力渗透五种。

AlSiC材料的制备技术特点

1、粉末冶金法

       粉末冶金法的优点是Al与SiC成分比例准确，体积分数容易控制；缺点是原材料要求高，生产成本高，产品结构和尺寸受限制。对于SiCp/Al材料而言，Al粉与SiC粉的品质很大程度上决定了最终产品的质量，目前国内的相关制备技术还并不完善。其次，粉末冶金需要首先进行模压成形再送入炉内烧结，为了保证SiCp/Al材料较低的气孔率，烧结过程需要在低压与保护气氛中进行，设备与生产成本较高。同时原材料需要进行近成形模压与烧结，因此在一定程度上限制了薄壁、结构复杂零件的生产。

       随着对粉末冶金法的技术改进，研究人员开发出了新的粉末冶金方法——机械合金化粉末冶金法，主要分为造粉与压力成形两步。首先将Al基合金与SiC粉末在球磨机的碰撞和搅动作用下进行造粉，形成SiC表面粘有Al合金的复合粉末，然后使用热挤压或热等静压技术，在成形模具中热压致密化成材。

       机械合金化粉末冶金法制备的SiCp/Al材料的力学性能较高，制备工艺较为成熟，但是生产成本较高。

2、搅拌熔铸法

       搅拌熔铸法制备SiCp/Al材料的技术，主要需要解决的技术问题是Al合金熔体与SiC颗粒混合熔体的配制。由于SiC颗粒与Al熔液润湿性差，因此实现SiC增强体颗粒均匀分布较为困难。同时，当混合熔液暴露于空气中时，SiC颗粒在氧气的参与下，容易与Al合金发生化学反应。此外，添加的SiC颗粒的尺寸通常需要大于10μm，体积分数最高仅为20％左右。

       与其他制备方法相比，搅拌熔铸法优势为SiCp/Al材料力学性能较好，制备成本最低，缺点在于难以完成大体积分数SiC的SiCp/Al复合材料的制备。

搅拌熔铸法制备工艺示意图

3、共喷沉积法

       共喷沉积法一种新型的快速凝固技术，其突出的优点是可以直接由液态金属的雾化与沉积过程，快速形成具有凝固组织和性能特征的、具有一定形状的坯件，以减少或省略各种高成本的中间加工环节。

       利用共喷沉积成形技术制备SiCp/Al材料是近年来SiCp/Al材料制备的研究方向之一。现行的国内外共喷沉积制备SiCp/Al材料的技术，大多是在共喷沉积成形过程中将一定量的SiC颗粒喷入雾化锥中，与Al合金熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以获得SiCp/Al材料坯件。

       该方法的缺点是SiC颗粒利用率低，设备成本高，工艺复杂，要求精确控制，难以投入工业化生产。

共喷沉积法示意图

4、无压渗透法

       无压渗透法是一种最新发展的工艺，是将Al合金加热至熔点以上保温，Al合金液依靠毛细管力的作用自发渗入SiC预制件中，最终形成SiCp/Al复合材料。

       渗透过程的实现主要需要两个条件：1）Al合金中至少含有1%的Mg，最好是3%；2）渗透过程需要在氮气保护气氛中进行。

       在SiCp/Al制备方式中，无压渗透是一种具备发展潜力的方法，具有设备简单，生产成本低，SiC体积分数可以任意配制，容易实现批量生产的优点，但是无压渗透的渗透速度较慢，生产过程耗时太多，这是无压渗透法目前需要妥善解决的问题。

无压渗透法制备工艺示意图

5、压力渗透法

       根据生产过程中压力施加的方式不同，压力渗透法主要可以分为液压渗透铸造法、气压渗透铸造法与离心渗透铸造法等。

        液压渗透铸造法的原理是将SiC预制件放入经过加工的浇铸模中，预热到一定温度，加入熔化的Al合金液，在压机压力作用下，对熔化的Al合金熔液进行加压，使其在压力的作用下渗入SiC预制件中，最后去压、冷却、脱模成形。该方法需要高压设备及密封良好的耐高压模具，小规模生产费用较高，在生产形状复杂的零件方面限制很大，优点在于生产速度快，SiCp/Al产品力学与物理性能较好。

        目前因该方法与传统压力铸造完全不同，渗透工艺研究不成熟，对生产过程中的控制要求高，研发过程需要投入大量设备与资金，现有技术成果也较少。

       气压渗透铸造法与液压渗透铸造法相似，不同点在于用气体压力代替了液压压机中的压铸头，相较于液压渗透法，气体压力具有压力均匀，有一定的缓冲能力等优势，但同时生产设备对气密性的要求很高，增加了一定的额外成本。

        离心渗透铸造法以离心力作为外界压力，预制件放人高速旋转的铸模中，然后将Al合金液在浇铸口倒人，在离心力的作用下完成渗透。此法所制SiCp/Al产品形状通常只能为筒环状，因而难以在工业上得到广泛推广。

总结

        目前SiCp/Al材料的五种制备方法均已有一定的研究成果，国外发展较早，按照地域主要分为美国、欧洲与日本三大技术开发中心，生产的SiCp/Al材料产品广泛用于飞机、卫星、导弹、雷达、仪表、汽车等领域，而国内真正实现产业化的企业还极少，制备技术的经济性、产品工艺的稳定性以及材料组织性能的可靠性等因素，仍然制约着SiCp/Al材料的工业化进程。其中最重要的因素就是居高不下的生产成本，如果能够实现SiCp/Al材料的低成本、高效率的生产，无疑将会为SiCp/Al材料的发展开启一扇崭新的大门。

        深圳市双翌光电科技有限公司是一家以机器视觉为技术核心，自主技术研究与应用拓展为导向的高科技企业。公司自成立以来不断创新，在智能自动化领域研发出视觉对位系统、机械手视觉定位、视觉检测、图像处理库等为核心的20多款自主知识产权产品。涉及自动贴合机、丝印机、曝光机、叠片机、贴片机、智能检测、智能镭射等众多行业领域。双翌视觉系统最高生产精度可达um级别，图像处理精准、速度快，将智能自动化制造行业的生产水平提升到一个更高的层次，改进了以往落后的生产流程，得到广大用户的认可与肯定。随着智能自动化生产的普及与发展，双翌将为广大生产行业带来更全面、更精细、更智能化的技术及服务。