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

       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、導熱性能不高、熱膨脹系數不匹配等缺點，如今漸漸被一種新型金屬基復合材料鋁碳化硅（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具有高導熱率（170～200W/mK）和可調的熱膨脹系數（6.5～9.5×10^-6/K），可提升器件散熱性能的同時，其熱膨脹系數與半導體芯片和陶瓷基片實現良好的匹配，能夠防止疲勞失效的產生，甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上；2）AlSiC是復合材料，其熱膨脹系數等性能可通過改變其組成而加以調整，因此電子產品可按用戶的具體要求而靈活地設計，這是傳統的金屬材料或陶瓷材料無法作到的；3）AlSiC的密度與鋁相當，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域的應用；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，因此是惡劣環境（震動較大，如航天、汽車等領域）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的物理性能及力學性能都是各向同性的，其產品性能均勻度較高。

       由于AlSiC電子封裝材料及構件具有高彈性模量、高熱導率、低密度的優點，而且可通過SiC體積分數和粘接劑添加量等來調整膨脹系數，實現與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雜的構件，因此生產成本也較低，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域得到廣泛應用。

AlSiC應用方向

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進行，設備與生產成本較高。同時原材料需要進行近成形模壓與燒結，因此在一定程度上限制了薄壁、結構復雜零件的生產。

       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基合金與SiC粉末在球磨機的碰撞和攪動作用下進行造粉，形成SiC表面粘有Al合金的復合粉末，然后使用熱擠壓或熱等靜壓技術，在成形模具中熱壓致密化成材。

       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SiC顆粒與Al熔液潤濕性差，因此實現SiC增強體顆粒均勻分布較為困難。同時，當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合金發生化學反應。此外，添加的SiC顆粒的尺寸通常需要大于10μm，體積分數最高僅為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SiCp/Al復合材料的制備。

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，其突出的優點是可以直接由液態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節。

       利用共噴沉積成形技術制備SiCp/Al材料是近年來SiCp/Al材料制備的研究方向之一。現行的國內外共噴沉積制備SiCp/Al材料的技術，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，設備成本高，工藝復雜，要求精確控制，難以投入工業化生產。

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合金液依靠毛細管力的作用自發滲入SiC預制件中，最終形成SiCp/Al復合材料。

       滲透過程的實現主要需要兩個條件：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氣氛中進行。

       在SiCp/Al制備方式中，無壓滲透是一種具備發展潛力的方法，具有設備簡單，生產成本低，SiC體積分數可以任意配制，容易實現批量生產的優點，但是無壓滲透的滲透速度較慢，生產過程耗時太多，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

       根據生產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，優點在于生產速度快，SiCp/Al產品力學與物理性能較好。

        目前因該方法與傳統壓力鑄造完全不同，滲透工藝研究不成熟，對生產過程中的控制要求高，研發過程需要投入大量設備與資金，現有技術成果也較少。

       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，因而難以在工業上得到廣泛推廣。

總結

        目前SiCp/Al材料的五種制備方法均已有一定的研究成果，國外發展較早，按照地域主要分為美國、歐洲與日本三大技術開發中心，生產的SiCp/Al材料產品廣泛用于飛機、衛星、導彈、雷達、儀表、汽車等領域，而國內真正實現產業化的企業還極少，制備技術的經濟性、產品工藝的穩定性以及材料組織性能的可靠性等因素，仍然制約著SiCp/Al材料的工業化進程。其中最重要的因素就是居高不下的生產成本，如果能夠實現SiCp/Al材料的低成本、高效率的生產，無疑將會為SiCp/Al材料的發展開啟一扇嶄新的大門。

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