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Sip/Al复合材料的发展及研究现状自1958年世界上第一块集成电路问世以来,微电子技术的核心及代表—集成电路(ＩＣ)技术经历了飞速的发展。在微电子集成电路以及大功率整流器件中,因材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳成为微电子电路和器件的主要失效形式。30%左右的芯片计算能力受到封装材料的限制,解决该问题的重要手段就是进行合理的封装。此时封装对系统性能的影响已经变得与芯片同样的重要。常见的电子元器件裸露在外的仅仅是它们的封装外壳。电子封装就是把构成电子器件或集成电路的各种部件按规定的要求，实现合理布局、组装、键合、连接、与环境隔离和保护等操作工艺。电子封装应当实现防止水分、尘埃及有害气体对电子器件或集成电路的侵入，减少震动、防止外力损伤和稳定元件参数的目的。对电子元器件进行封装可以对内部结构起到保护、支撑的作用。除此之外，由于电子元件在工作的时候会把消耗的一部分电能转化成热量，这些热量如果不能及时散发就会导致器件的失效，所以封装材料在很大的程度上起到了散热器的作用。一些电子器件在特殊环境F工作时会与海水、酸雨、盐雾等等有腐蚀性的介质接触，这时外层的封装材料就会起到防腐蚀的作用。在有电磁辐射的环境下，封装材料还可以起到防止局部高压、射频信号和因发热而伤害临近的电子器件的作用。在运输以及使用过程中，封装材料对内部的电子元件起到了防止压力、震动、冲击和摩擦的作用。基于电子封装所起的以上作用，对应用于电子封装的材料就提出了以下的要求：(1)导热性能良好导热性能是封装基片材料所要考虑的主要性能。大规模集成电路(LSI)集成度、表面安装密度及半导体输出功率的不断提高，带来的主要问题之一就是电子元器件单位体积发热量显著增加。大规模集成电路允许工作温度范围为0～70℃，可靠使用温度范围为0～40℃，当半导体器件发热面温度由100℃升高到125℃时，故障将会增加5～6倍。电路高速运转而产生的热量甚至可以使电路温度达到400℃，如果封装基片不能及时散热，这将影响电子设备的寿命和运行状况。(2)热膨胀系数匹配封装基片材料与半导体器件是直接接触，二者应保持相匹配的热膨胀系数，以减小连接处因热膨胀不匹配而引起的应力。若二者热膨胀系数相差较大，电子器件工作时的快速热循环易引入热应力，从而导致封装材料失效。(3)高频特性良好高频特性良好，即低的介电常数和低的介质损耗。在高速传输信号的布线电路上，信号延迟时与基片材料介电常数平方根成正比。为满足用作高速传输速度器件的要求，封装基片材料的介电常数必须低。(4)机械强度高封装基片材料用于承载电子元器件及其相互的联线，因此应具有足够的机械强度，以避免由应力引起的变形失效，满足组装器件的要求。在航空方面，飞机起飞、导弹发射时，电子系统必须承受机械振动和温度变化，也要求材料必须有一定的机械强度。传统的电子封装材料如Kovar，Invar系列合金、陶瓷基复合材料、钼铜合金等已经越来越无法适应现代先进微波和集成电路技术的高速发展对封装的各项要求。许多研究人员都致力于研究和开发新的电子封装材料,新型的高硅铝合金电子封装复合材料显示了无可比拟的优异性能,希望其可以满足现代封装的要求。由表1可知,利用硅、铝单质配制的金属基复合材料其密度在2.3～2.7ｇ/ｃｍ3之间,ＣＴＥ在4.5～11×10-6/Ｋ之间,ＴＥ大于100Ｗ﹒ｍ-1﹒Ｋ-1,因此通过改变硅和铝的不同配比,可以获得不同性能的电子封装材料,而且硅和铝在地球上的含量十分的丰富,硅粉的制备工艺也十分成熟,价格低。所以硅铝合金电子封装复合材料有望成为一种应用前景广阔的电子封装材料,特别是在航天航空、空间技术和便携式电子器件等高技术领域。表一Si和Al的主要性能1颗粒增强铝基复合材料的研究进展金属基复合材料（MMCs）具有耐高温、尺寸稳定性好、热膨胀系数小等优异的物理性能和力学性能。在金属基复合材料中，颗粒增强铝基复合材料具有优异的性能，例如具有耐磨性良好，高的比强度，高的比模量，具有良好的导热性能，并且具有较小的热膨胀系数。增强体的分布、界面、含量和特性状态，铝合金的种类对颗粒增强铝基复合材料的性能起着关键性作用。增强体相和基体相相连接的部分则为界面，界面作为纽带传递应力和其它信息。其作为重要的微结构，结构和性能直接影响着复合材料的性能。颗粒增强铝基复合材料因为有丰富的铝资源在世界范围内，而且具有很小的密度，较低的热膨胀系数，良好的导热性能，并且制备铝基复合材料只需要简单的设备、简单的工艺。因此与其它金属基复合材料相比，铝基复合材料的制备和生产更为简单,推广和应用更为容易.因此颗粒增强铝基复合材料受到更广泛的重视，并且其会有更广泛的应用前景在各个领域。近些年来,生产颗粒增强铝基复合材料的公司在国外相继出现,这些公司已形成了一定的生产规模，并且具有一定的研发水平。这对于颗粒增强铝基复合材料而言起到了积极作用，因为不仅提高了复合材料性能，还使其得到了广泛的应用。具有良好性能的铝基复合材料在我国已经研制出来，并且其水平已经接近国际先进水平,说明相对国外应用研究，我国在这方面的应用研究已经可以和其接轨。我国也发展了铝基复合材料的一些应用基础研究,这为其实际应用打下了良好的基础。上海交通大学制备的颗粒增强铝基复合材料已应用到太阳能电池帆板的展开机构,这种材料的应用使其结构质量明显降低,并且增加了振动频率相比设计高出40%,因此延长了其寿命。2Sip/Al复合材料颗粒增强铝基复合材料由于其优良的机械性能和热物理性能及其能通过工艺调控对其进行设计从而在电子封装领域具有广泛的应用前景。Sip/Al复合材料，具有低的热膨胀系数、轻量化、高的热导率、良好的导电性、高硬度、致密性高、易加工、易镀涂保护、与标准的微电子组装工艺相容（胶粘、锡焊、金丝键合、金带键合、激光焊）等特点，能够满足电子封装技术新发展的需求，成为国内外电子封装研究的热点。2.1Sip/Al复合材料研究现状A1/Si合金(是一种天然的Sip／A1复合材料)，其发展可追溯到十九世纪二十年代，自1920年欧洲研究人员发现Na对A1/Si合金能起到变质效果，进而得以提高其力学性能，Al/Si合金便在各领域得到广泛应用。而真正的Sip/Al复合材料的发展是自上世纪六十年代，Dixon利用粉末法制备出含Si量45％(质量分数)的Sip／A1复合材料，得到的组织中Si相细小均匀，至此研究者针对粉末冶金技术在制备Sip／A1复合材料中开始研究。到70年代，Skelly利用快速凝固法，成功制备出含Si量在25％～45％的高耐磨Sip／Al复合材料材料。此后，日本率先在快速凝固高含Si量Sip／A1复合材料领域投入大量精力，并首次将其投入生产。进入90年代，继日本后，美、荷、法等国陆续展开对高含Si量Sip／Al复合材料成分、制备工艺、微观组织及其性能等方面的研究。显然，国外在研究高含Si量Sip／A1复合材料领域已经取得显著进展。近二十年来，国内的一些院校及研究院所相机开展了对高含Si量Sip／Al复合材料的研究，包括：沈阳金属研究所、哈尔滨工业大学、北京科技大学、中南大学、华中科技大学等。Sip／Al复合材料以其轻质、高强高耐磨性能，在实现交通工具轻量化和节能方面，有着广泛的应用前景。其中代表的实例有：日本马自达公司研发的新型Sip／Al复合材料发动机转子，使发动机在工作过程中节油20％；日本雅马哈汽车制造有限公司生产的Sip／A1复合材料活塞，较之普通铸铁减重20％，寿命却提高30％；日本Sumitomo电气公司生产用于汽车空调中的Sip／Al复合材料转子，使转子重量减轻60％。另外，高含Si量Sip／A1复合材料还具有较低的热膨胀数，良好的散热性。美国Osprey金属公司用喷射沉积结合热等静压法制备出A1/70Si电子封装材料已用于航天微波电路中；北京科技大学张济山教授采用高含Si量Sip／Al复合材料研制作为2GHZ功率放大器的基板材料也已成功得到应用。总体而言，我国在对Sip／A1复合材料的研究方面与国外的研究仍有一段差距，尤其是在高含Si量Si／Al复合材料的研究上，国内基本上还处于基础研究阶段，应用于生产的实例屈指可数，但随着国际科研合作与交流的日益加深，以及我国材料科学与技术的高速进步，我国在高含Si量Sip／A1复合材料上的研究和应用也必将得到的更快的发展。2.2Sip/Al复合材料常用制备方法Si/Al电子封装材料作为一种新型的电子封装材料有其优越的综合性能，如质量轻、比强度和比刚度高、热导率高、热膨胀系数低且可调等优点。因此，Si/Al电子封装材料具有广阔的应用前景，如何采用先进的制备工艺方法提高和改善材料的综合性能以更好的满足电子封装材料的要求也是国内外研究的重点。总结目前国内外关于Si/Al电子封装材料的制备工艺方法主要有以下两大类：2.2.1一步成型方法一步成型方法指的是硅颗粒增强体与铝基体可以经过一次成型制造工艺就可以得到复合材料。2.2.1.1粉末冶金法粉末冶金法在铝硅复合材料的制备工艺生产中时应用最早的一种方法。粉末冶金法的工艺过程主要是：混料，即硅粉与铝粉首先要混合均匀，混料方法有干混和悬浊液中湿混两种；冷压，混料后的混合粉末经冷压得到半成品；烧结，冷压得到的半成品进行烧结处理得到高致密度的铝硅复合材料。粉末冶金工艺流程如图1.1所示。粉末冶金法不受基体和第二相的限制，可以准确的调整铝硅的配比，还可以调整硅粉和铝粉的粒度；该方法制备复合材料一次成型，少切削，避免了金属基复合材料加工上带来的困难。然而，粉末冶金方法也存在一些缺点，首先，增强体体积分数不易过高，否则可能会出现大量组织缺陷或成形性差等问题。另外，铝粉表面的氧化膜在惰性气氛下很难被还原，表面的氧化膜将对复合材料的热物理性能产生不利影响。2.2.1.2喷射沉积法喷射沉积技术概念最初是由英国的Swansea大学的A.Singer教授于1968年最先提出来的。喷射沉积技术制备铝硅复合材料的原理是：首先，将铝硅金属坯料感应加热熔化，熔体通过导流管流出，然后利用高压惰性氮气气流将液态金属雾化，形成直径约40微米的雾滴喷射流冷凝到旋转的接收基板上。喷射沉积技术作为快速凝固技术的一个新的发展方向解决了粉末冶金工艺材料含氧高、成本高、无法制备大型的构件等缺点，迄今为止已有近40年的历史。喷射沉积技术的主要工艺参数有熔融金属过热度、金属流量、液流直径、气体压强、射流运动状态、喷射高度、沉积器运动状态等。由于喷射沉积技术工艺参数较多，因而带来了该技术的主要缺点：其关键工艺参数气流速度、液流直径、熔体温度等难以控制，一般只能凭经验把握；由于粉体喷射过程中流体动力学不稳定性造成得到的复合材料组织的不均匀；另外流体沉积速度较慢，成本较高。2.2.2两步成型方法所谓两步成型方法是指：首先制备仅由增强体硅颗粒组成的多孔形预制件，然后将铝基体熔渗入多孔预制件中形成铝硅复合材料。两步成型法首先制备增强体颗粒组成的预制件，通过预制件的调节可以制得不同体积分数的复合材料，另外两步成型法设备工艺都较简单、易操作实施。两步成型法涉及到预制件的制备和铝液浸渗两个过程。2.2.2.1预制件制备方法在两步成型方法中，预制件性能的好坏将对最终复合材料的性能有很大的影响。好的预制件首先要保证一定的强度，避免在机加工和浸渗铝的过程中不会发生断裂；其次，预制件要有连通的气孔保证铝的充分浸渗，若闭气孔太多则造成浸渗后组织缺陷太多；另外，预制件还应该能够满足设计的体积分数要求。通常，预制件的制备方法有三种：注射成型，凝胶注模成型，模压成型。2.2.2.2渗铝工艺方法所谓渗铝工艺就是指在成功制备出优异的增强体多孔预制件后再将铝基体熔渗入预制件形成性能形成致密的复合材料的过程。渗铝过程中要求首先铝液要浸渗充分，其次浸渗后复合材料微观组织均匀预制件中硅颗粒无连结长大。目前，渗铝工艺主要有以下几种方法：1、压力浸渗压力浸渗工艺首先将增强体粉末采用前述的预制件生产方法制成具有一定形状和体积分数的预制块，然后将熔融的铝合金倒入模具中，在压力机下加压使铝液强行渗透到预制块