IGBT廣泛用于各類高電壓、大功率電子領(lǐng)域，更是堪稱新能源汽車的“心臟”，盡管相較于同類型的產(chǎn)品更具有優(yōu)勢，但是其仍然存在所有大功率器件的共同缺點——發(fā)熱量高，對封裝材料的要求越來越高，因此開發(fā)出綜合性能更好的新型封裝材料一直是行業(yè)關(guān)注的熱點。

       以往IGBT除了金屬化層的基板外，底層的散熱基板通常采用銅等金屬材料，有著密度普遍偏大、導(dǎo)熱性能不高、熱膨脹系數(shù)不匹配等缺點，如今漸漸被一種新型金屬基復(fù)合材料鋁碳化硅（SiCp/Al、SiC/Al或者AlSiC）替代。

鋁碳化硅基板封裝器件

AlSiC材料的性能特性

       鋁碳化硅（AlSiC）材料具有以下性能特性：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），可提升器件散熱性能的同時，其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片和陶瓷基片實現(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；2）AlSiC是復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)等性能可通過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，這是傳統(tǒng)的金屬材料或陶瓷材料無法作到的；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；9）AlSiC的物理性能及力學(xué)性能都是各向同性的，其產(chǎn)品性能均勻度較高。

       由于AlSiC電子封裝材料及構(gòu)件具有高彈性模量、高熱導(dǎo)率、低密度的優(yōu)點，而且可通過SiC體積分?jǐn)?shù)和粘接劑添加量等來調(diào)整膨脹系數(shù)，實現(xiàn)與GaAs芯片和氧化鋁、氮化鋁等基板的熱匹配；同時可近凈成形形狀復(fù)雜的構(gòu)件，因此生產(chǎn)成本也較低，使其在微波集成電路、功率模塊和微處器蓋板及散熱板等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

AlSiC應(yīng)用方向

AlSiC材料的制備技術(shù)

       AlSiC（SiCp/Al）材料雖然具有優(yōu)異的力學(xué)與物理特性，但是實現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Al材料的制備一直是制約該行業(yè)發(fā)展的難題。如何實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速、高品質(zhì)、低次品率的工業(yè)化生產(chǎn)，是SiCp/Al材料行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。目前，SiCp/Al材料制備方法與工藝的研究，主要分為粉末冶金、攪拌熔鑄、共噴沉積、無壓滲透與壓力滲透五種。

AlSiC材料的制備技術(shù)特點

1、粉末冶金法

       粉末冶金法的優(yōu)點是Al與SiC成分比例準(zhǔn)確，體積分?jǐn)?shù)容易控制；缺點是原材料要求高，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸受限制。對于SiCp/Al材料而言，Al粉與SiC粉的品質(zhì)很大程度上決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，目前國內(nèi)的相關(guān)制備技術(shù)還并不完善。其次，粉末冶金需要首先進(jìn)行模壓成形再送入爐內(nèi)燒結(jié)，為了保證SiCp/Al材料較低的氣孔率，燒結(jié)過程需要在低壓與保護(hù)氣氛中進(jìn)行，設(shè)備與生產(chǎn)成本較高。同時原材料需要進(jìn)行近成形模壓與燒結(jié)，因此在一定程度上限制了薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的生產(chǎn)。

       隨著對粉末冶金法的技術(shù)改進(jìn)，研究人員開發(fā)出了新的粉末冶金方法——機(jī)械合金化粉末冶金法，主要分為造粉與壓力成形兩步。首先將Al基合金與SiC粉末在球磨機(jī)的碰撞和攪動作用下進(jìn)行造粉，形成SiC表面粘有Al合金的復(fù)合粉末，然后使用熱擠壓或熱等靜壓技術(shù)，在成形模具中熱壓致密化成材。

       機(jī)械合金化粉末冶金法制備的SiCp/Al材料的力學(xué)性能較高，制備工藝較為成熟，但是生產(chǎn)成本較高。

2、攪拌熔鑄法

       攪拌熔鑄法制備SiCp/Al材料的技術(shù)，主要需要解決的技術(shù)問題是Al合金熔體與SiC顆粒混合熔體的配制。由于SiC顆粒與Al熔液潤濕性差，因此實現(xiàn)SiC增強(qiáng)體顆粒均勻分布較為困難。同時，當(dāng)混合熔液暴露于空氣中時，SiC顆粒在氧氣的參與下，容易與Al合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，添加的SiC顆粒的尺寸通常需要大于10μm，體積分?jǐn)?shù)最高僅為20％左右。

       與其他制備方法相比，攪拌熔鑄法優(yōu)勢為SiCp/Al材料力學(xué)性能較好，制備成本最低，缺點在于難以完成大體積分?jǐn)?shù)SiC的SiCp/Al復(fù)合材料的制備。

攪拌熔鑄法制備工藝示意圖

3、共噴沉積法

       共噴沉積法一種新型的快速凝固技術(shù)，其突出的優(yōu)點是可以直接由液態(tài)金屬的霧化與沉積過程，快速形成具有凝固組織和性能特征的、具有一定形狀的坯件，以減少或省略各種高成本的中間加工環(huán)節(jié)。

       利用共噴沉積成形技術(shù)制備SiCp/Al材料是近年來SiCp/Al材料制備的研究方向之一。現(xiàn)行的國內(nèi)外共噴沉積制備SiCp/Al材料的技術(shù)，大多是在共噴沉積成形過程中將一定量的SiC顆粒噴入霧化錐中，與Al合金熔滴強(qiáng)制混合后在沉積器上共沉積以獲得SiCp/Al材料坯件。

       該方法的缺點是SiC顆粒利用率低，設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜，要求精確控制，難以投入工業(yè)化生產(chǎn)。

共噴沉積法示意圖

4、無壓滲透法

       無壓滲透法是一種最新發(fā)展的工藝，是將Al合金加熱至熔點以上保溫，Al合金液依靠毛細(xì)管力的作用自發(fā)滲入SiC預(yù)制件中，最終形成SiCp/Al復(fù)合材料。

       滲透過程的實現(xiàn)主要需要兩個條件：1）Al合金中至少含有1%的Mg，最好是3%；2）滲透過程需要在氮氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行。

       在SiCp/Al制備方式中，無壓滲透是一種具備發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?，具有設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本低，SiC體積分?jǐn)?shù)可以任意配制，容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)的優(yōu)點，但是無壓滲透的滲透速度較慢，生產(chǎn)過程耗時太多，這是無壓滲透法目前需要妥善解決的問題。

無壓滲透法制備工藝示意圖

5、壓力滲透法

       根據(jù)生產(chǎn)過程中壓力施加的方式不同，壓力滲透法主要可以分為液壓滲透鑄造法、氣壓滲透鑄造法與離心滲透鑄造法等。

        液壓滲透鑄造法的原理是將SiC預(yù)制件放入經(jīng)過加工的澆鑄模中，預(yù)熱到一定溫度，加入熔化的Al合金液，在壓機(jī)壓力作用下，對熔化的Al合金熔液進(jìn)行加壓，使其在壓力的作用下滲入SiC預(yù)制件中，最后去壓、冷卻、脫模成形。該方法需要高壓設(shè)備及密封良好的耐高壓模具，小規(guī)模生產(chǎn)費用較高，在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件方面限制很大，優(yōu)點在于生產(chǎn)速度快，SiCp/Al產(chǎn)品力學(xué)與物理性能較好。

        目前因該方法與傳統(tǒng)壓力鑄造完全不同，滲透工藝研究不成熟，對生產(chǎn)過程中的控制要求高，研發(fā)過程需要投入大量設(shè)備與資金，現(xiàn)有技術(shù)成果也較少。

       氣壓滲透鑄造法與液壓滲透鑄造法相似，不同點在于用氣體壓力代替了液壓壓機(jī)中的壓鑄頭，相較于液壓滲透法，氣體壓力具有壓力均勻，有一定的緩沖能力等優(yōu)勢，但同時生產(chǎn)設(shè)備對氣密性的要求很高，增加了一定的額外成本。

        離心滲透鑄造法以離心力作為外界壓力，預(yù)制件放人高速旋轉(zhuǎn)的鑄模中，然后將Al合金液在澆鑄口倒人，在離心力的作用下完成滲透。此法所制SiCp/Al產(chǎn)品形狀通常只能為筒環(huán)狀，因而難以在工業(yè)上得到廣泛推廣。

總結(jié)

        目前SiCp/Al材料的五種制備方法均已有一定的研究成果，國外發(fā)展較早，按照地域主要分為美國、歐洲與日本三大技術(shù)開發(fā)中心，生產(chǎn)的SiCp/Al材料產(chǎn)品廣泛用于飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、雷達(dá)、儀表、汽車等領(lǐng)域，而國內(nèi)真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)還極少，制備技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品工藝的穩(wěn)定性以及材料組織性能的可靠性等因素，仍然制約著SiCp/Al材料的工業(yè)化進(jìn)程。其中最重要的因素就是居高不下的生產(chǎn)成本，如果能夠?qū)崿F(xiàn)SiCp/Al材料的低成本、高效率的生產(chǎn)，無疑將會為SiCp/Al材料的發(fā)展開啟一扇嶄新的大門。

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