碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（AlSiC)
一、碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（AlSiC)
鋁碳化硅AlSiC是一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，采用Al合金作基體，按設(shè)計(jì)要求，以一定形式、比例和分布狀態(tài)，用SiC顆粒作增強(qiáng)體，構(gòu)成有明顯界面的多組相復(fù)合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優(yōu)越性能。 中文名 鋁碳化硅 外文名 AlSiC 應(yīng)用領(lǐng)域 航空航天,微波集成電路,功率模塊 Si含量 70wt% SiC體積占比 50%-75% AlSiC研發(fā)較早，理論描述較為完善，有品種率先實(shí)現(xiàn)電子封裝材料的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，滿足半導(dǎo)體芯片集成度沿摩爾定律提高導(dǎo)致芯片發(fā)熱量急劇升高、使用壽命下降以及電子封裝的"輕薄微小"的發(fā)展需求。尤其在航空航天、微波集成電路、功率模塊、軍用射頻系統(tǒng)芯片等封裝分析作用極為凸現(xiàn)，成為封裝材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要趨勢(shì)。
封裝金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體有數(shù)種，SiC是其中應(yīng)用最為廣泛的一種，這是因?yàn)樗哂袃?yōu)良的熱性能，用作顆粒磨料技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)較低；另一方面，顆粒增強(qiáng)體材料具有各向同性，最有利于實(shí)現(xiàn)凈成形。AlSiC特性主要取決于SiC的體積分?jǐn)?shù)（含量）及分布和粒度大小，以及Al合金成份。依據(jù)兩相比例或復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)，可對(duì)材料熱物理與力學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿足芯片封裝多方面的性能要求。其中，SiC體積分?jǐn)?shù)尤為重要，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，AlSiC與芯片或陶瓷基體直接接觸，要求CTE盡可能匹配，為此SiC體積百分?jǐn)?shù)vol通常為50%-75%?！〈送猓珹lSiC可將多種電子封裝材料并存集成，用作封裝整體化，發(fā)展其他功能及用途。研制成功將高性能、散熱快的Cu基封裝材料塊（Cu-金剛石、Cu-石墨、Cu-BeO等）嵌入SiC預(yù)制件中，通過(guò)金屬Al熔滲制作并存集成的封裝基片。在AlSiC并存集成過(guò)程中，可在最需要的部位設(shè)置這些昂貴的快速散熱材料，降低成本，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，嵌有快速散熱材料的AlSiC倒裝片系統(tǒng)正在接受測(cè)試和評(píng)估。另外，還可并存集成48號(hào)合金、Kovar和不銹鋼等材料，此類材料或插件、引線、密封環(huán)、基片等，在熔滲之前插入SiC預(yù)成型件內(nèi)，在AlSiC復(fù)合成形過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)地完成并存集成，方便光電器件封裝的激光連接。
采用噴射沉積技術(shù)，制備了內(nèi)部組織均勻、性能優(yōu)良、Si含量高達(dá)70wt%（重量百分率）的高硅鋁合金SiAl封裝材料，高硅鋁合金的CTE與Si、GaAs相匹配，也可用于射頻、微波電路的封裝及航空航天電子系統(tǒng)中，發(fā)展為一種輕質(zhì)金屬封裝材料。 鋁碳化硅（AlSiC）金屬基熱管理復(fù)合材料，是電子元器件專用封裝材料，主要是指將鋁與高體積分?jǐn)?shù)的碳化硅復(fù)合成為低密度、高導(dǎo)熱率和低膨脹系數(shù)的封裝 材料，以解決電子電路的熱失效問(wèn)題。
1、AlSiC具有高導(dǎo)熱率（170～200W/mK）和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)（6.5～9.5×10-6/K），因此一方面AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片和陶瓷基片實(shí)現(xiàn)良好的匹配，能夠防止疲勞失效的產(chǎn)生,甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上；另一方面AlSiC的熱導(dǎo)率是可伐合金的十倍，芯片產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)散發(fā)。這樣，整個(gè)元器件的可靠性和穩(wěn)定性大大提高。
2、AlSiC是復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)等性能可通過(guò)改變其組成而加以調(diào)整，因此電子產(chǎn)品可按用戶的具體要求而靈活地設(shè)計(jì)，能夠真正地做到量體裁衣，這是傳統(tǒng)的金屬材料或陶瓷材料無(wú)法作到的。
3、AlSiC的密度與鋁相當(dāng)，比銅和Kovar輕得多，還不到Cu/W的五分之一，特別適合于便攜式器件、航空航天和其他對(duì)重量敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。
4、AlSiC的比剛度（剛度除以密度）是所有電子材料中最高的：是鋁的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是銅的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是惡劣環(huán)境（震動(dòng)較大，如航天、汽車等領(lǐng)域）下的首選材料。
5、AlSiC可以大批量加工，但加工的工藝取決于碳化硅的含量，可以用電火花、金剛石、激光等加工。
6、AlSiC可以鍍鎳、金、錫等，表面也可以進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。
7、金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC基板上，用粘結(jié)劑、樹(shù)脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。
8、AlSiC本身具有較好的氣密性。但是，與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。
9、AlSiC的物理性能及力學(xué)性能都是各向同性的。
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數(shù)據(jù)顯示，2017-2019年中國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，從2017年的76億美元增長(zhǎng)至2020年的94億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017-2020年全球62座新投產(chǎn)的晶圓廠中有26座來(lái)自中國(guó)大陸，占比超過(guò)40%，成為增速最快的地區(qū)。伴隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，汽車電動(dòng)化進(jìn)程拉動(dòng)IGBT規(guī)模增長(zhǎng)。得益于對(duì)清潔能源高速增長(zhǎng)的需求，IGBT市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)，IGBT市場(chǎng)在2020年的規(guī)模為54億美元，從2020年到2026年將以7.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2026年市場(chǎng)規(guī)模為84億美元。新能源車應(yīng)用作為IGBT市場(chǎng)規(guī)模的重要增量，2020年市場(chǎng)規(guī)模為為5.09億美元，2020-2026年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為23%，預(yù)計(jì)2026年新能源車用IGBT市場(chǎng)規(guī)模為17億美元。
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