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铝基碳化硅材料可以用来做什么

文章出处:http://www.jundro.cn/industry/438.html人气:25时间:2020-11-14


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。钧杰陶瓷先进陶瓷与金属相比,具有高硬度、高强度、耐高温(耐火)、特种损、耐腐蚀、耐酸碱、抗氧化、绝缘、无磁性、 化学稳定性好等优异性能,所以它常常用在金属材料无法胜任的环境中。先进陶瓷的用途前景广阔,广泛用在航天、 航空、军工、核能、机械、纺织、化工、电子、食品、医疗等各行各业中。我们的先进陶瓷产品材质有氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等。我们的产品有两部分:一部分是陶瓷棒、管、套、板、块、条等陶瓷材料,另一部分是工业用的精密陶瓷零件和民用产品。公司有先进的陶瓷成型、烧结、加工一条龙设备和技术。希望与海内外客户进行广泛的真诚的合作。咨询钧杰陶瓷联系电话:134 128 56568。
铝基碳化硅

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。

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。

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。
铝基碳化硅加工

/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。

倒装芯片封装
倒装芯片封装 FCP 技术优势在于能大幅度提高差别的电性能、散热效能,适合高引脚数、高速、多功能的器件。 AlSiC 的 CTE 能够与介电衬底、焊球阵列、低温烧结陶瓷以及印刷电路板相匹配,同时其具有高热传导率、高强度和硬度,是倒装焊盖板的理想材料,为芯片提供高可靠保护。 AlSiC 可制作出复杂的外形,例如, AlSiC 外壳产品有多个空腔,可容纳多块芯片,用于提供器件连接支柱、填充材料的孔以及不同的凸缘设计。 AlSiC 外形表面支持不同的标识和表面处理方法,包括激光打印、油漆、油墨、丝网印刷、电镀,完全满足 FCP 工艺要求。

功率器件封装
大功率密度封装中管芯所产生的热量主要通过基板材料传导到外壳而散发出去,上世纪九十年代中期, AlSiC 已用作功率放大器的基板,通过修改金属 Al和 SiC 颗粒的比例,来匹配裸芯片或衬底的 CTE 值,从而防止空洞或剥离失效。事实表明, AlSiC 基板对于 Cu 基板系统有很好的可靠性,耐受成千上万次热循环也不会失效,而 Cu 的可靠性达不到 1000 次热循环,这从根本上解决功率器件散热问题,成为重要的功率器件封装材料。宽禁带半导体 SiC、 GaN 在芯片制造中的应用显示出很强的竞争优势,已制作高纯度 100mm-150mm 的 GaN 圆片,在单位面积上可产生比其他器件高 6 倍的功率,带宽达到 1GHz-40GHz。功率半导体和集成功率模块技术方兴未艾,AlSiC 封装材料大有发展前景。
铝基碳化硅加工

AlSiC 可制作出光电模块封装要求光学对准非常关键的复杂几何图形,精确控制图形尺寸,关键的光学对准部分无需额外的加工,保证光电器件的对接,降低成本。此外, AlSiC 有优良的散热性能,能保持温度均匀性,并优化冷却器性能,改善光电器件的热管理。

 

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