IGBT廣泛(fan)用(yong)于各類高電(dian)壓、大(da)功(gong)率電(dian)子領域(yu)，更是堪(kan)稱(cheng)新(xin)能源汽車的(de)(de)“心臟”，盡管相較于同(tong)類型(xing)的(de)(de)產品更具(ju)有(you)優勢，但是其仍然(ran)存在所(suo)有(you)大(da)功(gong)率器件的(de)(de)共同(tong)缺點(dian)——發熱(re)(re)量(liang)高，對封裝(zhuang)(zhuang)材(cai)料(liao)的(de)(de)要求越來越高，因(yin)此開發出綜(zong)合性能更好(hao)的(de)(de)新(xin)型(xing)封裝(zhuang)(zhuang)材(cai)料(liao)一直是行(xing)業關注的(de)(de)熱(re)(re)點(dian)。

       以往IGBT除了金屬(shu)化層的基(ji)(ji)板(ban)外，底層的散熱(re)基(ji)(ji)板(ban)通常(chang)采(cai)用(yong)銅等(deng)金屬(shu)材料(liao)，有著(zhu)密度普(pu)遍(bian)偏大、導熱(re)性能不高(gao)、熱(re)膨(peng)脹系數不匹配等(deng)缺點(dian)，如(ru)今漸漸被一種(zhong)新型金屬(shu)基(ji)(ji)復合材料(liao)鋁碳化硅(gui)（SiCp/Al、SiC/Al或者AlSiC）替(ti)代。

鋁(lv)碳化硅基(ji)板封(feng)裝器(qi)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具有高導熱率（170～200W/mK）和可調的熱膨脹系數（6.5～9.5×10^-6/K），可(ke)提(ti)升器(qi)(qi)件(jian)散(san)熱(re)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時，其(qi)熱(re)膨脹系數與(yu)半導體(ti)芯(xin)片(pian)(pian)和(he)(he)陶(tao)瓷基(ji)(ji)片(pian)(pian)實現良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)匹配，能(neng)夠防(fang)止疲勞失效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生，甚至可(ke)以將功率(lv)芯(xin)片(pian)(pian)直(zhi)接安裝到(dao)AlSiC基(ji)(ji)板上；2）AlSiC是(shi)(shi)(shi)復(fu)合(he)材(cai)料，其(qi)熱(re)膨脹系數等(deng)(deng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)可(ke)通(tong)過改(gai)變其(qi)組成而(er)加以調整，因此電(dian)(dian)子產品(pin)可(ke)按用戶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)具體(ti)要(yao)求而(er)靈活地設計(ji)，這是(shi)(shi)(shi)傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)金屬材(cai)料或陶(tao)瓷材(cai)料無法作到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)；3）AlSiC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)密(mi)度與(yu)鋁相當，比銅和(he)(he)Kovar輕得多，還不到(dao)Cu/W的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)五(wu)分(fen)之(zhi)一，特別(bie)適(shi)合(he)于便攜(xie)式(shi)器(qi)(qi)件(jian)、航(hang)空航(hang)天(tian)和(he)(he)其(qi)他對重(zhong)量敏感領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用；4）AlSiC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)比剛度（剛度除以密(mi)度）是(shi)(shi)(shi)所(suo)有電(dian)(dian)子材(cai)料中最高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)：是(shi)(shi)(shi)鋁的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)3倍(bei)，是(shi)(shi)(shi)W-Cu和(he)(he)Kovar的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)5倍(bei)，是(shi)(shi)(shi)銅的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)25倍(bei)，另外AlSiC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗震性(xing)(xing)(xing)比陶(tao)瓷好，因此是(shi)(shi)(shi)惡劣環境（震動較(jiao)大，如航(hang)天(tian)、汽車等(deng)(deng)領域）下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)首(shou)選材(cai)料；5）AlSiC可(ke)以大批量加工(gong)，但加工(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)藝取(qu)決于碳化(hua)(hua)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)含(han)量，可(ke)以用電(dian)(dian)火花、金剛石(shi)、激光(guang)等(deng)(deng)加工(gong)；6）AlSiC可(ke)以鍍鎳、金、錫等(deng)(deng)，表面也可(ke)以進行陽極氧(yang)化(hua)(hua)處理；7）金屬化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)陶(tao)瓷基(ji)(ji)片(pian)(pian)可(ke)以釬(han)焊到(dao)鍍好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)AlSiC基(ji)(ji)板上，用粘結劑、樹脂(zhi)可(ke)以將印制電(dian)(dian)路(lu)板芯(xin)與(yu)AlSiC粘合(he)；8）AlSiC本身(shen)具有較(jiao)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣密(mi)性(xing)(xing)(xing)；9）AlSiC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)物理性(xing)(xing)(xing)能(neng)及力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)都是(shi)(shi)(shi)各(ge)向同(tong)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，其(qi)產品(pin)性(xing)(xing)(xing)能(neng)均勻(yun)度較(jiao)高。

       由于AlSiC電(dian)子封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)及構件(jian)具有高(gao)(gao)彈性模量(liang)(liang)、高(gao)(gao)熱(re)(re)導率(lv)、低密度的優(you)點，而且(qie)可通過SiC體積分數和(he)(he)粘接劑添(tian)加量(liang)(liang)等(deng)來調整(zheng)膨脹系(xi)數，實(shi)現與(yu)GaAs芯片和(he)(he)氧化(hua)鋁(lv)、氮化(hua)鋁(lv)等(deng)基板(ban)的熱(re)(re)匹配；同時可近凈成形(xing)形(xing)狀復(fu)雜的構件(jian)，因(yin)此生產成本也較低，使其在微波集成電(dian)路、功(gong)率(lv)模塊和(he)(he)微處器(qi)蓋板(ban)及散(san)熱(re)(re)板(ban)等(deng)領(ling)域得到廣泛應用。

AlSiC應(ying)用方向

AlSiC材料的制備技術

       AlSiC（SiCp/Al）材料雖然具有優異的力學與物理特性，但是實現高體積分數SiC的SiCp/Al材料的制備一直是制約該行業發展的難題。如何實現經濟、快速、高品質、低次品率的工業化生產，是SiCp/Al材料行業發展的機遇與挑戰。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(zhi)備技術特點

1、粉末冶金法

       粉末冶金法的優點是Al與SiC成分比例準確，體積分數容易控制；缺點是原材料要求高，生產成本高，產品結構和尺寸受限制。對于SiCp/Al材料而言，Al粉與SiC粉的品質很大程度上決定了最終產品的質量，目前國內的相關制備技術還并不完善。其次，粉末冶金需要首先進行模壓成形再送入爐內燒結，為了保證SiCp/Al材料較低的氣孔率，燒結過程需要在低壓與保護氣氛中(zhong)進行，設備(bei)與生產成本(ben)較高。同時(shi)原材(cai)料需要進行近成形模(mo)壓與燒(shao)結，因此在一定程度上限(xian)制了薄壁、結構復雜(za)零件的生產。

       隨著對粉末冶金法的技術改進，研究人員開發出了新的粉末冶金方法——機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(he)(he)金與SiC粉末在球(qiu)磨機(ji)的(de)碰(peng)撞和攪動作用(yong)(yong)下進(jin)行造(zao)粉，形成SiC表面粘有Al合(he)(he)金的(de)復合(he)(he)粉末，然后使用(yong)(yong)熱擠壓(ya)或熱等(deng)靜壓(ya)技術，在成形模具中熱壓(ya)致密化成材(cai)。

       機械合金化粉末冶金法制備的SiCp/Al材料的力學性能較高，制備工藝較為成熟，但是生產成本較高。

2、攪拌熔(rong)鑄法

       攪拌熔鑄法制備SiCp/Al材料的技術，主要需要解決的技術問題是Al合金熔體與SiC顆粒混合熔體的配制。由于(yu)SiC顆粒與(yu)(yu)Al熔液(ye)潤濕(shi)性差，因此(ci)(ci)實(shi)現(xian)SiC增強(qiang)體(ti)顆粒均勻分布較為(wei)困難。同(tong)時，當(dang)混合熔液(ye)暴露于(yu)空氣中時，SiC顆粒在氧氣的參與(yu)(yu)下，容易與(yu)(yu)Al合金發生化學(xue)反應。此(ci)(ci)外(wai)，添加的SiC顆粒的尺寸通常需要大于(yu)10μm，體(ti)積分數最(zui)高僅為(wei)20％左右。

       與其他制備方法相比，攪拌熔鑄法優勢為SiCp/Al材料力學性能較好，制備成本最低，缺點在于難以完成大體積分數SiC的(de)SiCp/Al復合材料(liao)的(de)制備(bei)。

攪拌(ban)熔鑄(zhu)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，其突(tu)出的優點是可以直接由液態金屬(shu)的霧化(hua)與沉積過程(cheng)，快速形(xing)成具(ju)有凝固(gu)組織和性能(neng)特征的、具(ju)有一定形(xing)狀的坯(pi)件(jian)，以減少或省略各種高成本(ben)的中間加工環節。

       利用共(gong)(gong)噴沉(chen)(chen)積(ji)(ji)成(cheng)形(xing)技(ji)術制(zhi)備(bei)SiCp/Al材料(liao)是近(jin)年來SiCp/Al材料(liao)制(zhi)備(bei)的(de)研(yan)究方向之一。現(xian)行的(de)國內外共(gong)(gong)噴沉(chen)(chen)積(ji)(ji)制(zhi)備(bei)SiCp/Al材料(liao)的(de)技(ji)術，大(da)多是在共(gong)(gong)噴沉(chen)(chen)積(ji)(ji)成(cheng)形(xing)過程中將一定量(liang)的(de)SiC顆粒噴入霧化錐中，與Al合金熔滴強制(zhi)混合后在沉(chen)(chen)積(ji)(ji)器上(shang)共(gong)(gong)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)以獲得(de)SiCp/Al材料(liao)坯件(jian)。

       該方(fang)法(fa)的(de)缺(que)點(dian)是SiC顆粒利用率低，設備成本高，工藝復(fu)雜，要求(qiu)精確控(kong)制，難以投入工業化生產。

共噴沉(chen)積法示意(yi)圖

4、無壓滲透法

       無壓滲(shen)透法是一種最新發展的(de)工(gong)藝，是將Al合金(jin)加(jia)熱至熔點(dian)以上保(bao)溫，Al合金(jin)液(ye)依(yi)靠毛(mao)細管力的(de)作用自發滲(shen)入SiC預制件中(zhong)，最終形(xing)成(cheng)SiCp/Al復合材料。

       滲透過程(cheng)的實(shi)現主要需要兩個條件：1）Al合金中(zhong)至少含有1%的Mg，最好是3%；2）滲透過程(cheng)需要在氮(dan)氣(qi)保(bao)護氣(qi)氛中(zhong)進行。

       在SiCp/Al制備(bei)方式(shi)中，無壓(ya)(ya)滲透(tou)是(shi)一種具(ju)備(bei)發展潛力的方法(fa)，具(ju)有設備(bei)簡單，生(sheng)產成本低，SiC體積(ji)分(fen)數(shu)可以任意(yi)配制，容易實現批量生(sheng)產的優點，但是(shi)無壓(ya)(ya)滲透(tou)的滲透(tou)速度(du)較(jiao)慢，生(sheng)產過程耗時太多，這(zhe)是(shi)無壓(ya)(ya)滲透(tou)法(fa)目前需要妥善解決的問題(ti)。

無(wu)壓滲透法(fa)制備(bei)工藝示意圖

5、壓(ya)力滲透(tou)法(fa)

       根據生產過程中(zhong)壓力施加的方式不同，壓力滲(shen)透法(fa)主要可以分為液壓滲(shen)透鑄(zhu)造(zao)法(fa)、氣壓滲(shen)透鑄(zhu)造(zao)法(fa)與離心滲(shen)透鑄(zhu)造(zao)法(fa)等。

        液壓滲透鑄造法的原理是將SiC預制件放入經過加工的澆鑄模中，預熱到一定溫度，加入熔化的Al合金液，在壓機壓力作用下，對熔化的Al合金熔液進行加壓，使其在壓力的作用下滲入SiC預制件中，最后去壓、冷卻、脫模成形。該方法需要高壓設備及密封良好的耐高壓模具，小規模生產費用較高，在生產形狀復雜的零件方面限制很大，優點在于生產速(su)度快，SiCp/Al產品力學與物理(li)性能(neng)較好。

         目前因該方法與傳統壓力鑄造完全不(bu)同，滲透工藝研(yan)究(jiu)不(bu)成(cheng)熟，對生產過(guo)(guo)程中(zhong)的控(kong)制要求高，研(yan)發過(guo)(guo)程需要投入大量設備與資金，現有技術成(cheng)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勢，但同時生產設(she)備(bei)對氣密性的(de)(de)要求(qiu)很高，增加了一定的(de)(de)額(e)外(wai)成本。

        離心滲透鑄造法以離心力作為外界壓力，預制件放人高速旋轉的鑄模中，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產品形狀通常只能為筒環狀，因而難以在工(gong)業上得(de)到廣泛(fan)推廣。

總結

        目(mu)前SiCp/Al材料(liao)(liao)的(de)(de)五種制(zhi)備(bei)方法均已有一定的(de)(de)研究成(cheng)果(guo)，國外發(fa)(fa)展較早，按照(zhao)地域主(zhu)要分(fen)為美(mei)國、歐(ou)洲與(yu)日本三大(da)技(ji)術開(kai)發(fa)(fa)中(zhong)心(xin)，生產(chan)的(de)(de)SiCp/Al材料(liao)(liao)產(chan)品廣泛用于飛機、衛星、導彈、雷達、儀表(biao)、汽車等(deng)領域，而國內真正實現產(chan)業(ye)化(hua)的(de)(de)企業(ye)還極少，制(zhi)備(bei)技(ji)術的(de)(de)經濟性(xing)(xing)、產(chan)品工藝的(de)(de)穩定性(xing)(xing)以及材料(liao)(liao)組(zu)織性(xing)(xing)能的(de)(de)可(ke)靠性(xing)(xing)等(deng)因(yin)素(su)，仍然制(zhi)約(yue)著(zhu)SiCp/Al材料(liao)(liao)的(de)(de)工業(ye)化(hua)進程。其中(zhong)最重要的(de)(de)因(yin)素(su)就(jiu)是居高不(bu)下(xia)的(de)(de)生產(chan)成(cheng)本，如果(guo)能夠(gou)實現SiCp/Al材料(liao)(liao)的(de)(de)低成(cheng)本、高效率的(de)(de)生產(chan)，無疑將會為SiCp/Al材料(liao)(liao)的(de)(de)發(fa)(fa)展開(kai)啟一扇嶄(zhan)新(xin)的(de)(de)大(da)門。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、視覺檢測、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。