电子散热复合材料alsic制备新工艺-发表于9月期bodos功率系统杂志.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子散热复合材料ALSIC制备新工艺-发表于2014年9月期BODOS功率系统杂志.精品文档.电子散热复合材料ALSIC制备新工艺李鹏（西安联创铝瓷电子封装材料有限公司，18049552066，陕西 西安 710000）摘要（300字左右）：作为第三代散热材料，铝碳化硅的主要特性为：可控的热膨胀系数，高导热，高刚度，高耐磨，低膨胀，低密度，传统材料许多劣势在它身上被天然地克服了，能够满足高端高功率电子产品的散热需求。作为新材料，铝碳化硅材料在市场上面临的问题很明显，它们是替代品，是新的竞争者和企图占领主要位置的领先者。铝碳化硅已有市场大约10亿人民币，潜在市场大约数百亿人民币，主要市场是功率电子市场，即IGBT和LED市场。目前，生产厂家采用的制备工艺五花八门，如：粉末冶金技术，压力铸造技术，挤压铸造技术，喷射沉积技术，热等静压技术，熔体搅拌技术，差压铸造技术等等。我们认为，反重力真空差压铸造技术是现阶段制造铝碳化硅材料的最先进的制造技术。ALSIC材料产业的瓶颈不是资金，不是市场，也不是技术，是能够批量稳定制造出合格产品的人才，和能够提高产品制造自动化的人才。关键词（34组关键词）：铝碳化硅；电子散热；IGBT封装；ALSIC中图分类号：（编辑部进行分类）New manufacturing technology of electronic cooling material ALSICLi Peng（Xian LC ALSIC Electronics Packaging Material Co.,Ltd. Shaanxi Xian 710000）Abstract：As the third generation heat sink material, the main characteristics of ALSIC: Controlled thermal expansion coefficient, high thermal conductivity, high stiffness, high wear resistance, low thermal expansion, low density, many disadvantages of conventional materials on it is naturally overcome to meet cooling requirements of high-end high-power electronics. As new materials, the problem ALSIC material on the market is facing is obvious, they are substitutes, new competitors and attempt to occupy the main position of leader. ALSIC has about one billion Yuan market, the potential market is about tens of billions of Yuan, the main market is the power electronics market, namely IGBT and LED markets. Currently, a wide variety of techniques used by the manufacturers, such as: Powder metallurgy technologies, pressure casting technology, exhaust casting technology, spray deposition technologies, hot isostatic pressing, melt mixing technology, differential pressure casting technology. We believe that the differential pressure casting technology is the most advanced ALSIC manufacturing technology in this stage. The bottleneck of ALSIC industry is not the money, not the market, nor is technology, are able to produce qualified products batch stable skilled workers，and to improve products manufacturing automation engineersKeywords：Aluminum silicon carbide; IGBT packaging; ALSIC； Heat sink；Foundation Project：Supported by（基金项目的英文译名、编号）1 引 言1990年，美国NASA为建造Cassini土星探测飞船，而首次使用铝碳化硅材料作为飞船存储元件的封装材料。铝碳化硅已知的应用领域主要有：高铁行业，电动汽车行业，风电行业，半导体行业，高功率LED行业，智能手机行业，军工电子行业，航空航天行业等。目前国际上主要生产商为日本Denka公司，美国TTC公司，美国CPS公司。我国用户需要大量进口，年采购金额数亿元人民币。铝碳化硅具有高导热率（180-240W/m.K）和可调的热膨胀系数（6.5-9.5X10-6 /K）。铝碳化硅的热膨胀系数与半导体芯片和陶瓷基片实现良好的匹配，能够防止疲劳失效的产生，也可以把功率芯片直接安装到铝碳化硅基板上。铝碳化硅的热导率是一般封装材料的十倍以上，芯片产生的热量可以及时散发。这样，整个元器件的可靠性和稳定性大大提高。本文将点介绍铝碳化硅材料的制造技术及生产投资中的问题。2 铝碳化硅材料的制造技术介绍基金项目：（名称、编号）定稿日期：2010-00-00作者简介：李鹏，男，西安市，本科，10多年铸造行业国际国内销售，铸造企业高管。QQ：553839551 行业内，制造铝基复合材料的方法有三大来源，及MIT，NPW，和XLC。MIT即麻省理工学院，这一派系以美国CPS、Rogers、日本DENKA，上海交大、国防科技大、北京科技大学均是从此发展而来的；例如，cps公司净成形制备工艺是通过粉末注射法生产出sic多孔预制坯，随后通过压力浸渗法制备ALSIC复合材料，整个工艺流程耗时两天，该公司通过该工艺生成的ALSIC导热系数大于200w/m*k。NPW技术即西北工业大学的技术，西安明科公司采用的是NPW技术。采用凝胶注模成型技术生产出sic多孔预制坯，随后采用真空压力浸渗法制备ALSIC复合材料。XLC技术是西安联创公司独创的技术，即SIC多孔预制坯采用独创的SIC模压成型工艺，此多级陶瓷梯度制造技术可在同一产品内部任意变换体积分数（sic%=55/63/70)。同时，对某科研机构研发生产的特种反重力铸造设备进行改进，采用改进的真空压力浸渗工艺生产铝碳化硅材料，单炉制造只需要45分钟。通过该工艺生成的ALSIC导热系数大于200w/m*k，最高可达240 w/m*k，可以制备多种不同结构的ALSIC复合材料，满足更多客户的需求。2.1 目前国内外几种制造铝碳化硅复合材料的方法对比：预制坯工艺ALSIC制备工艺应用机构MIT粉末注射法压力浸渗法美国CPS，TTC，日本DENKA，国内多家机构NPW凝胶注模法真空压力浸渗法西安明科XLC模压成型法反重力真空差压浸渗法西安联创XLC技术制作ALSIC复合材料的工艺路线示意图如下：2.2 SIC预制坯工艺：预制坯工艺是制造合格的ALSIC的前提，很多ALSIC复合材料的缺陷是源自于预制坯的制作。各家制造商都为自己的预制坯技术申请了专利。MIT类预制坯工艺有很多专利，例如：国防科技大学的专利 200520049746.8。日本电气化学公司，即日本Denka公司专利200580021286。湖南浩威特科技发展有限公司的专利201110422990.4。NPW技术制作预制坯的专利主要是西安明科公司的技术专利，如：铝碳化硅集成电路管壳的凝胶注模材料组合物及制备产品的方法，简称凝胶注模法。ZL 2007 1 0018294. XLC技术是西安联创公司独创的技术，预制坯工艺采用模压成型法，正在申请专利中。2.3 ALSIC复合材料制备工艺： 基于电子封装用金属基复合材料的特点，目前适用于高体积分数金属基复合材料制备的工艺主要有：粉末冶金技术，压力铸造技术，挤压铸造技术，喷射沉积技术，热等静压技术，熔体搅拌技术，差压铸造技术、无压浸渗技术、气压浸渗技术、喷射沉积技术等等。各家使用的设备各有不同，大多为自制的设备，也有的采用现有设备改造而成。如：湖南浩威特采用自制的热等静压设备，西安明科采用自行研制的差压铸造设备，西安联创采用某研究机构制作并销售的多功能反重力铸造设备并加以改造而成，制造工艺为反重力真空差压铸造工艺。西安联创正依托此设备积极开发独有专利技术，如装夹装置，脱模装置，浇冒系统设计，工艺过程设计等。3 铝碳化硅材料的生产投资3.1 ALSIC产品的市场销售价格分析：ALSIC产品目前的生产主要由日美企业垄断。国内生产厂家技术生产管理水平不高，不能完全满足该材料对应的客户的高端要求，暂时销售多以面向国内用户为主，尚不能撼动Denka等公司的寡头地位。国内客户不得不付出高昂的代价进口日美的产品。国内厂家的生产优势表现的较明显的是成本优势。以国内某电动汽车厂家采购的散热齿板为例，从日本采购的价格约为1800元人民币，从国内采购的价格约为1000元左右。但国内产品不论从质量稳定性上还是从供应量上都不能和日本对抗。根据我们掌握的信息，如果控制得当，该产品的批量生产成本可控制在200左右，但目前由于批量和成品率的原因还远未达到。以某军工厂家采购的热沉为例，从日本进口的价格约为500元人民币，从国内采购的价格约为300-350元人民币。如果控制得当，该产品的批量生产成本可控制在20-30元左右，当然目前的国内厂家还远未达到此成本。3.2 ALSIC材料的生产成本分析：以批量大利润最低的某500强客户批量采购E2为例，批量单价32-40 USD,计算单件成本如下：项 目（每炉100片E2分摊）资 金（元）模具1280 铝（36公斤新铝+12公斤旧铝）576 陶瓷 2500 工装71 易耗品405 加工1200 镀层1500 合 计 ¥ 7532 单件成本（按75%合格率）¥ 100.4 由以上表格可以得出结论，只要该产品得到75%的合格率，就会有至少50%的毛利。而且采购批量是十万级到百万级的。3.3 ALSIC材料的客户特点分析：由于ALSIC材料的客户大多是巨型跨国公司，国内的客户也多为上市公司级别。因此产品面向的市场和客户有以下特点：1客户集中，多为500强等大企业；2市场占有率高，市场结构简单；3创新并且引导创新是这些客户的生存法则；4稳定的供应商并且有独特的最惠待遇；5集团性采购，对产品质量要求较高，标准严格统一；6一旦有新的竞争者进入，市场竞争将很快形成新的竞争格局。这些特点决定了我们在进行客户管理时必须了解客户的工作法则，形成完善、系统的整体产品和服务，形成区别化的特点，才能更好的进行客户管理。3.4 ALSIC材料的分析：投资投入根据ALSIC的竞争特点，而且作为新兴的技术，在发展中会遇到这样那样的问题，这些问题的解决都需要时间。因此，ALSIC材料产业的发展不宜一次性投入过大。适宜的发展模式是，先从一台套炉子做起，象滚雪球一样逐渐滚大。以XLC技术举例，一套炉子的市场价格约为100万元人民币。申请专利，ISO体系认证，试样，开发客户拿到批量订单的周期大约1年时间，这一年基本是净投入，人员不宜投入过多。因此，初期的启动资金有200-300万人民币即可，盈利后，二期扩张大约需要1000万人民币。3.5 ALSIC材料国家政策鼓励及风险投资;国家对铝碳化硅产业有多项鼓励政策，今年上半年出台的国家集成电路产业发展推进纲要明确把电子封装新材料列出扶持类别。西安明科，湖南浩威特，嘉兴艾美泰克等公司分别从政府相关部门得到100万-1800万不等的政策扶持资金。西安明科公司还先后得到深圳博汇源创投1200万风险投资，从TCL风投得到300万元首期投资。4 ALSIC材料产业的瓶颈：ALSIC材料产业的瓶颈不是资金，不是市场，也不是技术，是能够批量稳定制造出合格产品的人才和自动化程度高的设备。国内ALSIC材料厂家及机构普遍遇到的问题是，样品试制没有问题，一旦批量扩大生产就问题百出，补了东墙烂西墙。而这一问题，恰恰是国内传统铸造行业普遍存在的通病。只不过，传统铸造行业成熟人才较多，大的技术方向较成熟，遇到问题，只要努力，总能找到行业内技术专家或好的操作工帮助解决。而ALSIC铸造行业人才极少，绝大多数铸造工程师和技术工人都没听说过这种工艺，一个小问题解决不了，一旦扩大生产，影响就可能迅速放大，甚至造成亏损。因为人才的问题，有的ALSIC厂家解决某个问题甚至花了近千万的代价。 解决以上瓶颈，要做好以下几点：1.要招聘有铸造基础的技术人员和操作人员。2.针对国内操作人员职业素质较低的现状，要加强培训，要制定细致的工艺路线，要求严格按照工艺路线操作，奖罚分明，最好能够进行股权激励或期权激励。3.要有一支懂铸造的管理团队，最好是有铸造企业管理经验的高管团队。4.要尽量提高设备的自动化程度，以减小人工劳动强度和操作的随意性。参考文献1封装材料铝瓷（AlSiC AlSi）技术白皮书，201西安明科微电子新材料有限公司，第三代电子2年1月第三版（V2012-0903）Mimqi Xi'an Microelectronics New Materials Co., the third generation of electronic packaging materials aluminum ceramic (AlSiC AlSi) Technical White Paper, January 2012 Third Edition (V2012-0903)2 中国海宁政务信息中心，我市“IGBT铝碳化硅散热基板项目”列入国家高技术产业化专项。China Haining city government information center "IGBT ALSIC heat sink substrate Project" included in the national high-tech industrialization special. 2011-06-22 Http:/3 创业邦，博汇源创投：与罗杰斯抢项目。Entrepreneur, Bo Huiyuan Venture: grab items with Rogers. 2010-08-02 4 电子展览网，电子封装中的铝碳化硅及其应用，Electronics exhibition network, ALSIC and its application in electronic packaging field. 2010-08-23