新型化合物半导体封装材料—铝碳化硅

  铝碳化硅是目前金属基复合材料中最常见、最重要的材料之一。铝碳化硅是一种颗粒增强金属基复合材料，采用Al合金作基体，按设计的基本要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。

  铝碳化硅研发较早，理论描述较为完善，其主要分类一般按照碳化硅体积含量可分为高体分铝碳化硅（SiC体积比55%-75%）、中体分铝碳化硅（SiC体积比35%-55%）、低体分铝碳化硅（SiC体积比5%-35%）。

  （55%～75%）电子封装及热控元件用铝碳化硅的密度一般在3.1g/cm3左右，密度大大低于W/Cu合金（｛11～18｝g/cm3）、Mo/Cu合金（｛9～10｝g/cm3）和Kovar合金（8.3g/cm3），可有效减重。以替代W/Cu合金用作雷达微波功率管封装底座为例，在同样的强度和刚度条件下，可减重高达80%以上。

  （55%～75%）电子封装及热控元件用铝碳化硅线胀系数一般为（6～9）×10-6 m/℃（-60℃～200 ℃），远低于W/Cu合金（｛7～13｝×10-6 /K）、Mo/Cu合金（｛7～13｝×10-6 /K）等传统封装材料，与Si、GaAs、AlN等无机陶瓷基片材料热匹配良好。

  （55%～75%）电子封装及热控元件用铝碳化硅比模量是W/Cu和Kovar合金的4倍、Mo/Cu的2倍。

  （55%～75%）电子封装及热控元件用铝碳化硅热导率可达（180～240）W/m·K，比Kovar合金提升了（8～9）倍，可有效地扩散热控元件的热量。

  可同时运用于军用和民用领域的热管理材料领域，代表零件如军用电子IGBT基板、印刷电路板（PCB）基板、封装散热底板、电子元件基座及外壳、功率放大模块外壳及底座等，可替代W/Cu、Mo/Cu、Kovar合金等。

  高体分铝碳化硅为第三代半导体封装材料，已率先实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、常规使用的寿命下降以及电子封装的“轻薄微小”的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装方面作用极为凸显，成为封装材料应用开发的重要趋势。

  封装材料用作支撑和保护半导体芯片的金属底座与外壳，混合集成电路HIC的基片、底板、外壳，构成导热性能最好，总耗散功率提高到数十瓦,全气密封性，坚固牢靠的封装结构，为芯片、HIC提供一个高可靠稳定的工作环境，具体材料性能是个首选核心问题。常用于封装的电子金属材料的主要特性如下表所示，可见封装类铝碳化硅综合性能显著优于其他材料。

  在长期使用中，许多封装尺寸、外形都已标准化、系列化，存在的主要缺陷是无法适应高性能芯片封装要求。例如，Kovar ( 一种Fe-Co-Vi合金)和Invar (一种Fe-Ni合金）的CTE低，与芯片材料相近，但其K值差、密度高、比刚度低，无法全面满足电子封装小型化、高密度、热量易散发的应用需求。合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素所组成的金属材料，具有其综合的优势性能。随之发展的Mo80Cu20、Cu/ Invar/Cu、Cu/ Mo/Cu 等合金在热传导方面优于Kovar，但其密度大于Kovar，仍不适合用作航空航天所需轻质的器件封装材料。

  常用金属封装材料与CaAs芯片的微波器件封装需求存在性能上的差距，使得研发一种新型轻质金属封装材料,满足航空航天用器件封装成为急需，引发有关部门调试重视。经过近些年来的深入研究，AlSiC取得产业化进展，相继推动高硅铝合金SiC/Al实用化进程。将SiC与Al合金按特殊的比例和工艺结合成AlSiC后，可克服目前金属封装材料的不足，获得高K值、低 CTE、高比强度、低密度、导电性好的封装材料。

  从产业化趋势看，AlSiC可实现低成本的、无需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：

  封装金属基复合材料的增强体有数种，SiC是其中应用最为广泛的一种，这是因为它具有优良的热性能，用作颗粒磨料技术成熟，价格相比来说较低；另一方面，颗粒增强体材料具备各向同性，最有利于实现净成形。AlSiC特性主要根据SiC的体积分数(含量)及分布和粒度大小，以及Al合金成分等。依据两相比例或复合材料的热处理状态，可对材料热物理与力学性能进行设计，从而满足芯片封装多方面的性能要求。其中，SiC体积分数特别的重要，实际应用时，AlSiC与 芯片或陶瓷基体非间接接触，要求CTE尽可能匹配。

  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）嵌人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成本相比来说较高的快速散热材料，减少相关成本，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预成形件内，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。

  SiC颗粒与Al有良好的界面接合强度，复合后的CTE随SiC含量的变化可在一些范围内进行调节， 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的预制件的SiC颗粒大小多在1 um-80um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制作的过程的差异在80W ( m·K ) -280W ( m·K )之间变化。基体是强度的主要承载体，一般都会采用6061、 6063、2124、A356等高强度Al合金，与SiC按特殊的比例和不同工艺结合成AlSiC，解决SiC与Al润湿性差，高SiC含量难于机加工成形等问题，成为理想的封装材料。

  制备55vol%~ 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金属填充预制件，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，脱模无需机械加工，在其表面上覆盖有一层0.13mm-0.25mm厚的完美铝层，按用途电镀上Ni、Au、Cd、Ag等，供封装使用。

  熔渗法是AlSiC制备的关键，大体上分为有压力渗透和无压力渗透，前者根据生产的全部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,主要特征是需要真空和高压设备，渗透时间比较短，有效控制Al与SiC的界面反应，同时与精度的模具相配套，获得实用性发展。后者是将Al合金锭放置在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，易于低成本制备，但产品的机械性能与热性能略低，对基体合金的成分有较为严格的要求，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，但较难实现材料的一次成形。

  IC产业的发展与其设计、测试、流片、封装等 各环节密切相联，最终在市场应用中体现价值认同，良性循环形成量产规模，实现经济效益。封装技术至关重要，尤其是军用产品大多采用金属封装、陶瓷封装结构，确保器件、模块、组件、系统的整体可靠性。金属封装气密性高，散热性好，形状可多样化，有圆形、菱形、扁平形、浅腔与深腔形等，其材料难以满足当今航空航天、舰船、雷达、电子战、精确打击、天基和海基系统对大功率、微波器件封装的需求。按目前VLSI电路功耗的同一方法计算，未来的SoC芯片将达到太阳表面温度，现有的设计和封装方法已不能够满足功率SoC系统的需求。AlSiC恰好首先在这一领域发挥作用，现以军用为主，进而推向其他市场。

  b、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，其探测距离下表所示：

  APG-80捷变波束雷达、多功能机头相控阵一体化航电系统、多功能综合射频系统、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美元，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，在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个、探测范围为360°全周向。

  AESA由数以千计的T/R模块（有的高达9 000 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、低噪声接收放大器、T/ R开关、多功能增益/相位控制等电路芯片，最终生产关键在其封装技术上，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2 000个T/R模块构成，每个T/R模块 输出功率10W，移相器6位，接收噪声系数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，接收噪声系数降低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，即使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，逐步降低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。用无压溶渗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FCP技术优点是能大幅度提升产品的电性能、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，同时还具有髙热传导率、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。

  大电流IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在工作时，会产生大量的热。尤其是工作电流达到600A以上的IGBT模块。类似功率模块的封装热管理工艺中，考虑的目标是消除热结。那么，需要在芯片底部和散热器之间的热通道建设尽量畅通。

  铜基板拥有非常良好的导热能力，但铜的热膨胀系数接近IGBT芯片的三倍，而且IGBT芯片陶瓷衬底的面积可高达50mmx60mm，这三倍的差异在低功率模块封装可用陶瓷覆铜板或多层陶瓷覆铜板来过渡解决。高功率模块如果用铜基板去承载芯片衬底同时在下方接合散热器的话，焊接的铜基板经受不住1000次热循环，焊接外缘就会出现分层脱离。这种情况下压接法制造出的模块，如长期在震动环境下使用，如轨道机车、电动汽车、飞机等，其可靠性会一下子就下降。那么，如何牢固封装高功率IGBT模块，使其在震动、高温、粉尘等环境下可使用呢？业界的办法是采用AlSiC材料来制作IGBT基板。

  AlSiC的典型热线胀系数为（6～9）X10-6/K，参考芯片的6X 10-6/K，如果再加上芯片下面焊接的陶瓷覆铜板，那么三倍的差异就从本质上消除了。同时AlSiC材质的热导率可高达（180～240）W/mK(25℃)，比铝合金热导率还高50%。英飞凌试验证明，采用AlSiC材料制作的IGBT基板，经过上万次热循环，模块工作良好如初，焊层完好。

  AlSiC材料很轻，只有铜材的1/3，和铝差不多，但抗弯强度(300MPa)却和钢材一样好。这使其在抗震能力方面表现优秀，超过铜基板。因此，在高功率电子封装方面，AlSiC材料以其独特的高热导、低热线胀系数和抗弯强度的结合优势成为无法替代的材质。

  AlSiC可制作出光电模块封装要求光学对准最重要的复杂几何图形，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，减少相关成本。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。

  AlSiC金属基复合材料正成为电子封装所需高K值以及可调的低CTE、低密度、高强度与硬度的理想材料，为各种微波和微电子以及功率器件、光电器件的封装与组装提供所需的热管理，可望替代分别以Kovar和W-Cu、Mo-Cu为代表的第一、第二代专用电子封装合金，尤其在航空航天、军用及民用电子器件的封装方面需求迫切。

  （35%～55%）光学仪表级铝碳化硅的微屈强度服度可达（110～120）MPa水平，是国产线倍，且无毒，可确保惯性导航系统中陀螺仪有效屏蔽小幅震动，保证稳定性

  （35%～55%）光学仪表级铝碳化硅的高比强度特性能够更好的降低结构件质量，实现武器装备的轻量化，高比刚度可保证零件的面型（如反射镜镜面）精度。

  （35%～55%）光学仪表级铝碳化硅具有低热线胀系数（9～11）×10-6 /K，能够保证结构件在较大温差变化的情况下仍保持稳定的尺寸。

  （35%～55%）光学仪表级铝碳化硅具有高导热性率（｛120-180｝W/m·K），可快速散热，可避免零件过热对机能的降低。

  可应用于航空航天及军工行业中的光学反射镜、惯性导航系统零件，可替代铍材、微晶玻璃、石英玻璃等。

  2、中体分铝碳化硅的代表应用领域——航空航天及军工领域光学/仪表系统及惯性导航系统：

  中体分铝碳化硅的功能化特性比较突出，即不仅仅具备比铝合金和钛合金高出一倍的比刚度，还有着与铍材及钢材接近的低线胀系数和优于铍材的尺寸稳定性。因此，其可替代铍材用作惯性导航系统器件，被誉为“第三代航空航天惯性器件材料”。其已被正式用于美国某型号惯性环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的国军标（MIL-M-46196）。此外，还替代铍材被成功地用于三叉戟导弹的惯性导航向地球及其惯性测量单元（IMU）的检查口盖，并取得比铍材的成本低三分之二的效果。微屈服（MYS）是表征材料尺寸稳定性的主要指标，而该种复合材料的微屈服度为118MPa，该值是国产线倍，且已超过美国布拉什公司研制的高尺寸稳定性新型光学仪表级高强I-250铍材。

  除用作惯性器件外，光学/仪表级铝基碳化硅还可替代铍材、微晶玻璃、石英玻璃等用作反射镜镜坯。例如，美国已采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制成了超轻空间望远镜的主反射镜和次反射镜，主镜直径为0.3m。反射镜面带有抛光的化学镀镍层，镍反射层与铝基复合材料基材结合良好、膨胀也十分匹配。在（230-340）K之间进行320次循环后，镍反射层仍能保持1/10可见光波长的平面度。由于结构的改进，铝碳化硅反射镜比传统玻璃反射镜轻50%以上。由于多处采用了新材料。使得整体空间望远镜重量仅为4.54kg。

  作为结构件或结构-功能一体化构件，中体分铝碳化硅可用于我国高分辨率遥感卫星的光机结构。例如，在高分辨率遥感卫星的详查相机上，若采用这种高刚度、低膨胀的复合材料制作其空间光学反射镜坯，不仅可近无余量地获得整体性（无需连接）的复杂轻量化结构，而且由于刚度高、韧性好、可直接加工和装配，故而可省去现用微晶玻璃反射镜所必须的沉重的镜框，从而简化结构，减轻重量，并明显降低光机结构的研制周期、难度和成本。同时，由于铝碳化硅的热扩散系数远高于微晶玻璃，因此可大幅度减少小光机结构的时间常数和热惯性，使结构更容易达到热平衡，进而易于保持光学镜面。另外，由于采用该复合材料的光机系统在大范围高低温交替变化下产生的热光学误差较小，这将可以简化甚至有可能取消通常一定要采用的主动温控系统，以此来实现降低遥感器分系统甚至整星系统的功耗、提高系统可靠性和寿命的目的。

  2.8g/cm3左右，比钢（7.9g/cm3）低，在汽车和列车刹车盘上可减重40%～60%，活塞（如丰田）可减重10%～5%；

  （10%～35%）AlSiC刹车盘抗拉强度及弹性模量与铸铁差异不大，但由于其密度低，故其比强度及比模量可达铸铁的（2～4）倍；

  （10%～35%）AlSiC复合材料能够使制动盘具有更加好的耐磨性，常规使用的寿命大大加长，减少运行保养成本；

  铝合金具有较大的热容性和良好的导热性（丰田制造发动机活塞导热性比铸铁活塞导热性提升4倍），在相同速度相同载荷下，制动盘摩擦过程中气温变化较小，热裂纹产生的可能性减小、摩擦稳定性更好；

  低体分铝碳化硅主要使用在于轻量化、耐磨等方向，可替代铝合金、铸钢、铸铁、钛合金等材料。代表零件为刹车类零件、活塞及连杆、战机腹鳍、直升机旋翼模锻件等。

  早在20世纪80年代，低体分铝碳化硅就作为非主承载结构件成功地应用于飞机上，典型案例为洛克希德马丁公司生产的电子设备支架。本世纪开始，该材料作为主承载结构件在飞机上正式应用。

  F-18“大黄蜂”战斗机上采用铝碳化硅作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、线胀系数降低，而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机上的应用方面，欧盟也取得了突破性进展。

  更为引人注目的是，在20世纪90年代末，铝碳化硅在大型客机上获得正式应用。普惠公司从PW4084发动机开始，将DWA公司生产的挤压态颗粒增强变形铝合金基复合材料（6092/SiC/17.5p-T6）作为风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。普惠公司的研发工作表明：作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片，铝基复合材料耐冲击（冰雹、鸟撞等外物损伤）能力比树脂基（石墨纤维/环氧）复合材料好，且任何损伤易于发现。此外，还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀（沙子、雨水）能力，并使成本下降三分之一以上。

  由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造铝基碳化硅材料中还需解决一些关键技术，其中主要体现于：

  在加工过程中，为了确认和保证基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，生成有害的反应产物Al4C3，呈脆性，会成为铝碳化硅材料整体破坏的裂纹源。因此控制复合材料的加工温度是一项关键技术。

  增强材料与基体浸润性差是铝碳化硅材料制造的又一关键技术，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。

  ①加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强体的浸润性，常用的合金元素有：镁、硅等；

  ②对增强材料SiC进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性，表面涂层涂覆方法较多，如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶－凝胶和电镀或化学镀等。

  按结构设计需求，使增强材料SiC均匀地分布于基体中也是铝碳化硅材料制造中的关键技术之一。尤其是在低体份铝碳化硅搅拌法、真空压力浸渗法、粉末冶金法中，SiC颗粒的团聚，以及不一样的尺寸SiC颗粒均匀分布为一项难点。

  其中，目前针对铝碳化硅产业化成型工艺主要为：粉末冶金法、真空压力浸渗法、挤压铸造法和搅拌铸造法，下表为四种制备工艺的对比。

  铝粉+SiC粉混料—压制成型—脱脂—烧结—后处理（机械加工、表面处理、锻造等）

  多孔SiC陶瓷制备—模具装配—盛铝坩埚装炉—抽真空、升温、浸渗—工装拆解—铝碳化硅热处理—机加（—表面处理）

  多孔SiC陶瓷制备、预热金熔炼—陶瓷装模—浇注铝液—加压浸渗—取件—浇冒口切割—铝碳化硅热处理—机加（—表面处理）

  SiC粉末预处理—铝合金熔炼—加入SiC粉末搅拌—铸造成型—浇冒口切割—铝碳化硅热处理—机加（—表面处理）

  1、可以减少成分偏聚，消除不均匀的组织；2、可以容易地添加除铝基体和增强体SiC之外的其他优化成分，并实现复合，充分的发挥各组元材料各自的特性；3、增强体SiC与铝基体可以在任意比例范围调控，可涵盖低、中、高体积分数铝碳化硅的制备。

  1、可实现近净成型加工，尤其是复杂的零件；2、组织致密度高，材料性能好；3、相对于粉末冶金，其工艺过程易于控制。

  1、可实现近净成型加工，尤其是复杂的零件；2、成型压力很高，可获得良好性能的铝基体和高致密度的铝碳化硅；3、各工艺过程容易控制；4、生产效率高；5、可制备大尺寸零件。

  1、可实现近净成型加工，尤其是复杂的零件；2、各工艺过程容易控制；3、生产效率高；4、可制备大尺寸零件。

  1、对成型设备要求高；2、受限于设备尺寸，制造大尺寸零件困难；3、组织易粗大。

  1、不易获得真空度和模具的温度不易控制；2、对模具设计的基本要求高；3、对预制体强度要求较高。

  铝碳化硅的材料成型方法还在一直在改进和发展，高效、低成本、批量生产的方法仍需研究开发，这将关系到铝碳化硅材料的广泛应用和发展。当前，现代制造技术的发展为铝碳化硅复合材料的制备从理论研究到具体应用提供了有力的保证。计算机技术、现代测试技术、新材料技术的完善，使复合材料的制备技术、工艺不断推出，这些工艺本身也有交叉并相互融合，铝碳化硅材料制备技术的发展的新趋势必将是多学科、多种技术相“复合”的综合过程。

  铝碳化硅材料，尤其是高体分铝碳化硅机械加工是产品制造中的难点环节，大多数表现在铝碳化硅的高耐磨，以及加工周期长等方面。

  SiC 增强体颗粒比常用的刀具( 如高速钢刀具和硬质合金刀具) 的硬度高的多，在机械加工的过程中会引起剧烈的刀具磨损。PCD 金刚石刀具虽然比增强体颗粒的硬度高，但硬度值相差不大，在切削加工高体分的颗粒增强AlSiC复合材料时仍然会快速磨损，且PCD 金刚石刀具成本更高。众多研究表明，随着SiC含量的增大( 13%～70%)，可切削性越来越差，加工效率随之降低，生产所带来的成本快速增加。若以45#钢的切削性能为1计量，此种材料的切削性能仅为0.05～0.3。因此，复合材料的难加工性和昂贵的加工成本限制了AlSiC 复合材料的广泛应用。

  目前，切削加工是AlSiC复合材料的主要加工方法，但在切削加工中存在刀具磨损严重和难以获得良好加工表面上的质量的问题。有研究提出了颗粒增强AlSiC复合材料的铣磨加工方法。这种加工方法使用金刚石砂轮( 电镀或烧结) 在数控铣床上对工件进行切削加工，具有磨削加工中多刃切削的特点，又同时具有和铣加工相似的加工路线，能够适用于曲面、孔、槽的加工，在获得较高加工效率的同时，又能保证加工表面质量。

  目前国内外学者对铝基复合材料激光加工技术的研究大多分布在在打孔、切割、划线和型腔加工等方面。用自行研制的机械斩光盘调脉冲激光器切割试验表明，在高峰值能量、短脉冲宽度、高脉冲频率和适当的平均功率条件下，采用高速多次重复走刀切割工艺，能够获得无裂纹的精细切口。有研究采用氧气作辅助气体，用800W 的连续波CO2激光在厚度13.5mm 的复合材料上加工出了直径0.72 mm 的无损伤深孔，深径比达18.75。有研究提出了基于裂纹加工单元的激光铣削方法，他们采取了激光对复合材料来了基于裂纹加工单元的激光铣削加工，并在零件上加工出了形状较复杂的型腔。研究根据结果得出，采用该办法来进行激光铣削所需要的功率比通常的方法低。

  超声加工(USM) 是由超声发生器产生高频电振荡( 一般为16 kHz～25 kHz) ，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。

  由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可低于工件材料；

  可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工。

  随着AlSiC复合材料在航空航天、汽车、军事、电子、体育用具等领域的广泛应用，对其制品的加工精和表面上的质量的要求也慢慢变得高，采用传统的机械加工方法或单一的特种加工方法，都难以实现高标准的加工要求。这就要求在对AlSiC复合材料的机械切削加工、激光加工、超声加工和电火花加工的加工工艺、加工机理进行研究的同时，更多地注重研究复合加工技术，尤其是超声加工与机械切削加工、电解加工、电火花加工相配合的复合加工技术的研究工作。

  AlSiC封装材料产业化引起国内科研院所、大学等单位的广泛重视，积极着手研发其净成形工艺，部分单位研制成功样品，为AlSiC工业化生产积累经验, 离规模化生产尚有一定距离，存在成本高、SiC体积含量不高、低粘度、55% ~ 75%高体积分材料的制备与浆粒原位固化技术等问题。

  （1）美国DWA复合材料公司。在美国国防部“Title III”项目的支持下，DWA复合材料公司与洛克希德马丁公司及空军合作，将碳化硅颗粒增强铝基（6092Al）复合材料应用于F-16战机的腹鳍，代替了原有的2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，使寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿命8000h，提升幅度高达17倍。Ogden空军后勤中心评估根据结果得出：这种铝基复合材料腹鳍的采用，可大幅度降低检修次数，全寿命节约检修费用达2600万美元，并使飞机的机动性得到提高。此外，F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖，其寿命只有2000h，并且每年都要检查（2-3）次。采用铝碳化硅后，刚度提高40%，承载能力提升28%，平均翻修寿命高于8000h，裂纹检查期延长为（2-3）年。

  （2）美国ACMC公司制造的光学级碳化硅颗粒增强铝基复合材料，已在卫星太阳能反射镜、空间遥感器高速扫描镜、空间激光反射镜及空间望远镜上投入到正常的使用中。ACMC公司与亚利桑那大学光学研究中心合作，

  （3）英国航天金属基复合材料公司（AMC）。其制备出了高强度、耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基（2009Al）复合材料，用该材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及袖套），已成功地用于Eurocopoter公司生产的N4及EC-120新型直升机。其应用效果为：与铝合金相比，构件的刚度提高约30%，寿命提高5%；与钛合金相比，构件重量下降约25%。

  （4）德国克诺尔（苏州）有限公司。目前我国内已开始将铝碳化硅制动盘运用在列车上，如上海地铁15号线号线制动盘由其提供。

  （5）日本JR总研究所。20世纪80年代，其与三菱公司合作，采用搅拌铸造法制备出铝碳化硅金属基陶瓷复合材料制动盘，并成功应用于新干线上，是最早的应用案例。根据结果得出：采用铝碳化硅制动盘，可大幅度的降低重量（约为铸铁制动盘重量的40%），为车辆的轻量化和高速化创造了有利条件。

  （1）湖南文昌新材料科技股份有限公司的“轨道交通铝基碳化硅复合材料制动盘”应用项目突破了碳化硅颗粒加入、分散均匀、界面反应控制和成型技术等瓶颈，填补了国内此项技术的空白。

  （2）中国南车集团株洲电力机有限公司与湖大学合作，采用移动坩埚式喷射共沉积技术和大型环件楔形压制致密化技术开发了高速列车用 Al -20%Si/SiCp 复材料制动盘。

  （3）中国科学院金属研究所马宗义团队，该团队负责嫦娥五号探测器“挖土”的核心部件——2.5米长的钻杆及其结构件，是由碳化硅颗粒增强铝基复合材料制成。采样机构中搭载的2.5米长深孔钻取式采样器负责钻入月壤取样并送到上升器中。复杂的月壤构成、剧烈的环境和温度变化、苛刻的轻量化要求，对钻采机构结构件的重量、强度和耐磨性提出了严苛的要求，其中钻杆要钻入月壤深处，对材料的要求更加苛刻，常规金属材料不足以满足制备要求。马宗义团队研发的铝基复合材料，相比铝合金，这种复合材料的密度只增加了0.1克/立方厘米，但刚度和强度却提高50%以上，这样既实现轻量化，又有较高的刚度，不容易变形。在月面“挖土”，与月壤非间接接触的钻杆必须耐磨，在铝合金中添加碳化硅陶瓷颗粒可以显著提升材料的耐磨性，但陶瓷颗粒的添加使复合材料延展性明显降低，极大增加了复合材料的成形难度。研制的钻杆刚度、强韧性和耐磨性完全满足月壤钻取要求，相比钢材实现减重65%，为嫦娥五号顺利完成月球“挖土”提供了重要支撑。

  （4）珠海凯利得。根据资料显示，珠海凯利得是一家同时集成中高体分铝碳化硅材料设计、材料制造（陶瓷制备、复合成型、机械加工和后处理）和关键成型设备—真空压力浸渗炉设计制造于一身的高新技术企业。已在该方向拥有22项专利，其中发明专利14项。采取多孔陶瓷预制体+真空压力浸渗+机械加工的技术路径来制备铝碳化硅复合材料。具有多种技术优势，如烧结周期短（烧结周期缩短1/2以上）、热导率高、高速成型、高精密加工（尺寸精度±0.005mm；平行度、垂直度、平面度±5μm；表面光洁度≤Ra0.01；RMS≤20nm；钻孔直径≥0.5mm、攻丝≥M2.5、ST2.5、槽宽≥0.5mm）：此外，还有多项创新储备技术将陆续产业化。公司创始人也因突出贡献，入选蓝迪智库（中国第一智库）。

  该工艺省去了陶瓷制备环节，可直接将陶瓷粉末经过简易地处理，应用于复合成型。该技术可节省1/4以上的研发和制造成本，且在高体分铝碳化硅领域可显著提升材料的热导率。

  该模型可定性和定量预测陶瓷颗粒尺寸、陶瓷颗粒配比、铝合金基体及优化元素等因素对高体分铝碳化硅材料热导率影响，能为材料设计提供方向性指导，快速提高材料设计效率。

  公司通过数十次的挤压铸造试验，研究了挤压铸造制备中高体分铝碳化硅预制体型复合成型的技术，传统挤压铸造机难以同时控制好真空、压力和温度等关键参数。公司自主设计出了改进版真空挤压铸造工艺及设备，具有生产效率极高（单件复合成型周期为10min以内）、铝碳化硅基体性能优良、界面干净且结合良好等优势。

  铝碳化硅IGBT基板铝层厚度及均匀性大大影响产品的性能，行业一般要求铝层厚度为（0.8-0.15）mm。公司通过大量设计研发，初步掌握了基板铝层厚度控制的方法，包括预留空间法、3D打印法和铝箔控制法等。该技术可为后续公司潜在相关这类的产品量产提供先期技术支持。

  公司通过大量试验，研究了搅拌铸造中的核心环节之一——SiC颗粒加入搅拌，其关键控制点为搅拌叶片设计及转速控制、颗粒尺寸控制、颗粒预处理及加入速度。同时结合半固态技术强化均匀搅拌化效果，初步制成了5%体分的铝碳化硅复合铸锭坯料。该技术可结合超声搅拌、真空辅助环境等进行提升改善。可为公司在低体分领域进行开拓，以适应轻量化结构件应用方向的需求。

  明科微电子与西北工业大学“产学研”联合开发的第三代铝瓷电子封装产品，是目前国内少有在该材料方面拥有多项独立知识产权，并可以投入批量化生产的企业。明科微先后成为科技部国家技术创新项目承担单位、西安市科技计划承担单位和国家重点高新技术开发区创业计划承担单位，公司的铝碳化硅产品还作为《中国军品采购指南大系》指定产品。

  其铝碳化硅系列新产品得到欧美、中国大陆和台湾多家企业的认可，已先后与中国电子研究所，中国航天科技集团第九研究院、华为技术有限公司、比亚迪汽车科技有限公司以及美国、俄罗斯、德国等国开展合作，成为国内第一个规模制造铝碳化硅高端产品的专业厂商。与此同时，由于明科公司在行业的加快速度进行发展，也吸引了大量的风险投资商，公司立足自立更生为基础，搭建优秀产业链为核心，最终选定与三家国内知名风投合作，其中陕西省高新技术服务创业互助基金就是一家。

  公司成立于 2007 年，始终致力于金属基陶瓷复合材料及器件生产、开发、销售，是国家高新技术企业、湖南省新材料企业。基本的产品为铝基碳化硅复合材料，铜基金刚石复合材料以及纤维增强金属复合材料。

  企业以国防科学技术大学为技术依托单位，经过多年努力，产品成功定型应用于军工、航天、电力、电子等多个行业，覆盖微波电子封装、大功率 IGBT 模块、光电封装、轻质复合结构件等领域。主要客户包括中国电子集团和航天科工集团下属多个研究所及比亚迪电子、东风汽车、中国中车集团等新能源交通工具制造商，已有多种型号定型并实现量产。企业致力于打造全国知名新材料领军企业，目前处于行业领先地位。

  现阶段厂房占地 5000 平方米，设备 70 余台（套）覆盖铝碳化硅复合材料全工序制造及检验。企业具有一支多年从事先进材料开发的技术团队，拥有完全的自主知识产权。产品工艺技术先进，质量稳定，通过与客户充分的前期交流和沟通，满足多种客户的需要，并为客户提供最优的材料设计与选择。

  企业已经通过ISO9001：2015 及 GJB9001C-2017质量体系认定，具备批量供应铝碳化硅复合材料及制品的能力。公司在2019年初荣获比亚迪股份有限公司2018年度“优秀供应商”称号在2019年3月，公司与“中国人民国防科技大学”共同成立的“湖南省轻质高导热金属基复合材料工程技术研究中心”日前获得湖南省科技厅批复。

  根据其官网显示，公司在2020年收购西安创正新材料，获得铝碳化硅有关技术能力。西安创正网上公开信息较少。

  专业从事以高体分铝基碳化硅为主的金属陶瓷复 合材料的设计研发、生产及销售服务，是目前国内金属陶瓷复合 材料领域的主流企业之一。公司总部在浙江湖州，在桂林、杭 州、长春设有研发中心。企业具有强劲的研发与产业化能力，自 主研发的金属基复合材料低温净成型浸渗技术在整个世界独一无 二，良品率超 99.9%，产品各项指标达到或超过美、日产品，完 全替代进口。高体分铝基碳化硅量产能力居于全国前十。 产品大范围的应用于军工、航天、电力、电子、汽车等多个行业， 覆盖微波电子封装、大功率 IGBT 模块散热基板、光电封装、轻 质复合结构件等领域。面向的用户包括中国电子集团和航天科工 集团下属多个研究所及比亚迪电子、东风汽车、上汽英飞凌、中 国中车集团等新能源交通工具制造商。公司将持续加强与用户的 交流与合作，使用户得到满足对材料的规格参数的定制化需求，以完备 的工艺技术、严格的质量管控、高性能水平、高性价比优势服务 用户、持续为客户创造价值。浩远新材的技术优势

  铝基碳化硅金属陶瓷复合材料（AlSiC），充分结合了碳化 硅和金属铝的特性，具备了高导热、高强度、高硬度、低密度、 低膨胀、抗辐射、气密性好、抗氧化、抗腐蚀等优势。 铝基碳化硅的体积分数可调，密度在 2.91-3.1g/cm ³ 之 间 ， 热 膨 胀 系 数 （ CTE ） 4.5-16ppm/℃之间，随着碳化硅体积分数的升 高而降低。同时，铝基碳化硅还具有较高的比 刚度，是铝的 3 倍，W-Cu 和 Kovar 的 5 倍， 铜的 25 倍，表面能够镀镍、金、银、铜，拥有非常良好的镀覆性能， 这些特性使铝基碳化硅复合材料为众多应用领域所追捧。

  在我国工业与信息化部于2019年印发的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019年版）》中，收录了铝碳化硅复合材料，并对相关性能提出了明确要求：

  我国部分企业如珠海凯利得等已可满足上述性能指标要求。我们始终相信在全球新时代技术革命的浪潮和我国“十四五”战略规划及国防装备改装升级的背景下，这些中国企业的优质铝碳化硅产品做为当下最有潜力的金属基陶瓷复合新材料，在航空航天及军用领域、电子封装、汽车轻量化等领域有着非常大的市场前景。

  以已进入爆发期的新能源汽车行业为代表，预计2030 年后中国将全面禁售燃油车，届时每年 2500 万辆汽车的销量（2020年数据）将全面被替代为电动车占据。以每车（2～6）件铝碳化硅 IGBT 基板，单价 300元 /件计算，预计2030年后国内电动车IGBT基板市场需求为：300亿元/年。同时，充电桩基本的建设也有庞大的IGBT基板需求。

  同样在汽车领域，刹车盘同样有庞大的铝碳化硅复合材料需求。至2020年，全国汽车保有量达到2.8亿，按照每4年8万公里更换一次刹车盘/毂计算，保有的汽车年需求刹车盘为2.8亿件/年。加上每年2500万汽车销量（2020年数据），新产汽车年需求刹车盘为1亿件/年。参考HT250刹车盘200元/件定价，则目前刹车盘市场每年有760亿元市场规模。铝碳化硅复合材料凭借其显著的耐磨和轻量化优势，在刹车零件方向未来市场发展的潜力可期。

  纵观全球市场，欧美西方国家已将以铝碳化硅为代表的金属基复合材料大量运用于军民领域，但其对相关新材料关键技术禁售。中国“十四五”规划以来，促进内需市场被提到前所未有的高度，新材料更新换代具有十分的紧迫性。在此背景下，以新能源汽车、航天航空和军工、高铁及智能电网为代表的领域对以铝碳化硅为主的金属基复合材料的需求，将催生出每年千亿级规模的市场。同时，铝碳化硅在大量关键零部件方面（如封装及热控元件、惯性导航零件、光机仪表类零件）已发展成为行业内唯一成熟的新材料，其发展大趋势已不可阻挡！

  封装：半导体封装（semiconductorpackage），是一种用于容纳、包覆一个或多个半导体器件或集成电路的载体/外壳，外壳的材料可以是金属、塑料、玻璃、或者是陶瓷。

  比模量：比模量是单位密度的弹性模量，是一种材料性质。又称劲度－质量比或比劲度。比模量高的材料在航天工业中有广泛应用，这样的领域需要把质量降至最低。从因次分析可得，比模量的单位为距离的平方除以时间的平方。

  体分：体积分数，即陶瓷颗粒在复合材料中的含量，会对密度（同体积重量）、热导率、硬度、刚度等造成影响。

  IGBT: 绝缘栅双极晶体管（英语：InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT），是半导体器件的一种，大多数都用在电动车辆、铁路机车及动车组的交流电电动机的输出控制。传统的BJT导通电阻小，但是驱动电流大，而MOSFET的导通电阻大，却有着驱动电流小的优点。IGBT正是结合了这两者的优点：不仅驱动电流小，导通电阻也很低。

  T/R：发射/接收模块是有源相控阵雷达天线的基本组件和关键技术。根据用途，有源相控阵可以由数百或数千个T/R模块组成。这些T/R模块在阵列性能发挥方面起着及其重要的作用，它们有必要进行大量的封装设计。

  AESA：有源相控阵雷达（英语：Active Phased Array Radar，APAR radar），是AESA radar即有源电子扫描阵列雷达的一种。英文Active翻译为“主动”或“有源”，意思是指天线表面的每一个阵列单元都完整地包含讯号产生、发射与接收的能力，也就是将讯号产生器、放大器等等全部缩小放在每一个阵列单元以内，天线不需要依靠讯号产生器以及波导管馈送讯号。由于每个阵列单元都可以单独作为讯号源主动发射电磁波，所以被称作主动相控阵或有源相控阵。这是目前相控阵天线发展的主要流行趋势。电子扫描阵列雷达（英语：electronically scanned array，简称：ESA radar），是指一类借由改变天线表面阵列所发出波束（wave beam）的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达。这种设计有别于机械扫描的雷达天线，能够大大减少或完全避开使用机械马达驱动雷达天线便可达到涵盖较大侦测范围的目的。