第23卷第3期 佳木斯大学学报(自然科学版) 2005 年07月 JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)
文章编号:1008-1402(2005)03-0460-05
Vol.23No.3
July 2005
新型电子封装材料的研究现状及展望
郑小红, 胡 明, 周国柱
1
1
2
(1.佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007;2.佳木斯电业局,黑龙江佳木斯154002)
摘 要: 综合论述了各类新型电子封装材料的优势及不足之处,同时指出了目前我国新型电子封装
材料所存在的问题及进一步完善的措施,并预测了电子封装用金属基复合材料的应用前景.
关键词: 电子封装;金属基复合材料;热膨胀系数;界面中图分类号: TB331 文献标识码: A
0 引 言
电子封装材料是用于承载电子元器件及其相互联线,起机械支持,密封环境保护,散失电子元件的热量等作用,并具有良好电绝缘性的基体材料,是集成电路的密封体.随着信息时代的到来,20世纪90年代
[1,2,3]
封装业进入一个“爆炸式”的发展时期.现代科学技术的发展,对电子封装材料提出了更全面的要求,致使以往的传统材料己不能满足更高的性能要求,研制开发新型的电子封装材料己成为各国竞相追求的目标.
1 新型电子封装材料的优势
电子封装的种类很多.从结构形式分,可以分为气密封装和实体封装.气密封装是指封装腔体内在管芯周围有一定气氛的空间并与外界相隔离;实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体.从封装材料上分,则有金属封装、塑料封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃实体封装、金属基复合材料封装等.这些封装各具特点,并受到了广泛的关注.1.1 金属封装材料
金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点,并且对电磁有一定屏蔽功能,在功率器件中得到广泛应用.传统的金属封装材料主要有:Cu,Al,Kovar合金,Invar合金及W,Mo合金等.大多数金属封装都属于实体封装,但实体封装对封装材料要求较高,必须致密、抗潮,与管芯材料粘附和热匹配良好,而且在高温、低气压下不应产生有害气氛.
理想的金属封装材料要求具有高的热导率(TC值)和低的热膨胀系数(CTE值)及密度(ρ值).Cu,Al或Al合金都具有良好的热传导率,质量较轻,成本低、强度高等优点,易于形成绝缘抗侵蚀薄膜,因而使用广泛.Al金属基板是以其表面的阳极氧化膜作为其绝缘层,但是因为Al与其氧化膜的热膨胀系数相差很
[4]
大,当金属基板受热时,氧化膜容易开裂,影响封装的可靠性.此外,Cu,Al及合金的CTE值太大(Al的
-6-6
CTE为23.6×10 ℃,Cu的CTE为17.8×10 ℃),容易引发循环热应力.
Cu Mo合金和Cu W合金具有较高的热导率及相匹配的CTE,但Mo,W的价格较高,加工、焊接性能差而密度却又是Al的好几倍,不适合对重量有要求的应用领域,限制了其应用.而Kovar合金虽然具有很低的CTE,在数值上与芯片材料GaAs的CTE较接近,而且Kovar合金的加工性能也较好.如利用机械加工
[5]
Kovar合金制作的热沉和壳为一体的外壳,膨胀系数小,制作方便,但散热性不好.正是因为其导热系数太低,密度也很低,使其难以广泛应用.
收稿日期:2005-04-05基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(E2004—16),,
第3期
1.2 塑料封装材料
郑小红,等:新型电子封装材料的研究现状及展望
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塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲击性强等优点.塑封装所使用的材料主要是热固型塑料,包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类.其中以环氧树脂应用最为广泛.但是,塑封装材料如环氧材料,气密性不好,大多对湿度敏感.在回流焊过程中,塑封料吸收的水受热易膨胀,会导致塑封器件爆[6]
裂.环氧树脂材料的热力学性能受水气的影响很大.在高温情况下,潮气会降低材料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度.水气还会造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏,改变塑封料的介电常数,严重影响封装的可靠性.此外,塑料封装晶体管多数含有铅,毒性较大,考虑到环保因素,RF晶体管通常采用成本比塑料高许多的陶瓷来充当电子封装材料.1.3 陶瓷封装材料
目前,已用于实际生产和开发应用的陶瓷基片材料主要包括Al2O3,BeO和AlN等.陶瓷封装的优点在于耐湿性好,良好的线膨胀率及热导率,同时具有优良的综合性能.
大功率密度封装中芯片所产生的热量主要通过基片材料传导到外壳而散发出去的.不同的基片材料其导热性能各异.对高导热的基片BeO基片和AlN基片等,可以满足自然冷却要求.对于导热性较低的基片,如Al2O3基片,难以满足自然冷却的要求,必须附加电风扇、散热片或进行水冷等强制冷却办法,或在保证一定的机械强度条件下,尽量减少基片厚度,增加高导热填充材料以减少热通道上的热阻.Al2O3和BeO基片是广为使用的传统材料.但由于其综合性能、环保、成本等因素己难以满足功率微电子封装的要求,众所周知BeO晶须可以透过人体皮肤进入体内,毒害性很大.而综合性能优越的AlN基片将替代以上
[7]
两种基片逐渐成为功率微电子封装的优良基片,它们的性能比较如表1.
表1 陶瓷基片材料的性能比较
项 目
热导率(λ)热膨胀系数(CTE)密度(ρ)击穿强度介电常数介电损耗毒性
-6
单 位
W m·K(25℃)×10 ℃(25～400℃)g cm3
Kv cm(25℃)1MHz(25℃)×10-4(1MHz
,25℃)
AlN140～2704.33.31508.85～10无
Al2O3176.73.61008.53无
BeO25～30082.91006.55有
从表1可以看出,单就重要的导热性而言,AlN基片远高于Al2O3.似乎比BeO略低,但AlN的热导率随温度变化缓慢,而BeO却随温度的升高而急速下降,而对于作为功率微电子封装基片,器件通常温度为
125℃或更高,在温度接近100℃时,二者的热导率己很接近.温度更高时,AlN的热导率反而优于BeO,实
[8.9]
验也得到证实:在工作温度接近100℃时,170W m·K的AlN基片与260W m·K的BeO基片传热效果相同.
再从结构上来看,AlN陶瓷在简化结构设计,降低总体热阻,提高可靠性,增加布线密度,使基片与封装一体化及降低封装成本等方面的功率器件应用中都具有优势.AlN陶瓷的CTE又与Si接近,这样各类IC芯片和大功率器件就可以直接附着在AlN基片上,而不需加过渡片,不仅简化了工艺,也能有效地避免由热失配引起的失效,从而提高了电子部件的可靠性.此外,AlN的抗弯强度也明显优于BeO,所以AlN陶瓷封装可以更薄更轻,也更坚固可靠.AlN陶瓷生产过程中无毒害,具有良好的环保优势,其生产成本较
[10]
BeO低1 3,因此又有比BeO明显的价格竞争优势.
尽管AlN有优良的物理、机械性能,但是它的相对价格目前仍较高,再加上它不易加工成复杂形状缺点,限制了其使用范围,难以满足新一代电子产品的要求.所以,研制开发既其有优良的物理、机械性能,又具有容易加工、工艺简单、成本低廉、适应环保要求的电子封装材料已成为当务之急.
462
1.4 金属基复合封装材料
佳木斯大学学报(自然科学版)2005年
综上所述,单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求.只有金属基复合材料才能全面满足如上的要求.它尤其适于现代化高速发展的功率HIC,微波毫米波MMIC,MCM和大电流功率模块的功率封装及作为散热片应用.
金属基复合材料被誉为21世纪的材料,是满足信息时代高速发展所提出的全面要求的新型材料.金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组元材料的特点,特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用.从而还使材料设计有了很大的自由度.还可以根据材料的要求合理的选择组成材料的组元及其增强方式.
[11,12]
电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型金属基复合材料.按增强物类型可分为:连续纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料.按基体类型可分为:铝基、铜基、银基、铍基等.基中以Al SiC最为突出.SiC颗粒作为增强材料具有性能优
[13]-6
异,成本低廉的优点,其CTE为4.7×10 ℃,与Si的CTE最为接近,热导率为80～170W m·K,弹性模
33
量达450GPa,密度为3.2g cm;Al作为基板材料,具有高导热(170～220W m·K)、低密度(2.7g cm)、价格低廉和易于加工等优点,又克服了各自的缺点,所以能表现出综合的优异性能.表2给出了Al SiC与其他
[4,6,7]
封装材料各种性能的比较.
表2 Al SiC与其他封装材料性能的比较
项 目
密度(g cm)
CTE(×10-6 ℃)(25～150℃)热导率(W m·K)电阻率(μΨ·cm)
抗弯强度(MPa)极限抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)
3
Al SiC(70%)
3.06.5～916034
270192224
AlN3.34.3200—345—345
Al2O33.66.717—344—380
Al2.723.62382.9—9070
Cu8.917.83981.7—207110
Kovar8.15.211～1749—551138
Cu W166.5～8.3180～200—970—367
从表2可以看到,Al SiC的热导率为Kovar及Al2O3的10倍,与Cu W,Si(热导率为151W m·K)相当;Al SiC的CTE与GaAs(CTE值为6.5×10 ℃)相近,值得称道的是Al SiC的CTE可以通过SiC的加入量来调节,从而可获得精确的热匹配,使相邻材料界面应力降到最小,这就可以将大功率的芯片直接
[8]
安装到Al SiC基板上,而不用担心它们的失配应力问题;在密度上,Al SiC与Al接近,还不到Cu W的1 5,这对那些重要敏感应用领域具有很大优势.同时,Al SiC的电阻率虽然比许多单金属(如Cu、Al等)高得
[16]
多,但比常规的Kovar封装外壳又低许多.Al SiC具有优异的机械性能,其弹性模量是Cu的两倍,抗弯、
[17]
拉强度也很好,因此可保证封装结构的牢固性和伸缩性.同时,优异的机械性能也有利于散热,因此Al SiC基板可以做得更薄些,从而减少了热阻.与陶瓷不同,Al SiC具有抗裂性,因为它是采用浇铸渗透工艺制成的,表面复有一层薄薄的Al,起到了抑制裂纹沿表面扩散的作用.Al SiC的抗振性能也很理想,含
-3
75%SiC的Al SiC,其减振比可达5.867×10,是Al的两倍,这在航空、航天电子设备中用它作芯材的标准电子组件(SEM)的共振频率提高到600Hz.比使用Cu W时高一倍,这对使用在强烈振动环境下大尺寸封
[8]
装显得尤为重要.
[14,15]
-6
2 新型电子封装材料存在的问题
2.1 成本
目前所采用的能够满足性能要求的大多数封装材料的成本都比较高.众所周知,在陶瓷封装中,AlN具有优良的物理、机械性能,但价格昂贵,而且加工工艺复杂,不适合复杂结构件,金属基复合封装材料同样面临如此难题.据统计,电子封装的成本几乎己和芯片的成本相当,应用复合材料时,材料成本在总成本
[10,16]
第3期郑小红,等:新型电子封装材料的研究现状及展望
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2.1.1 工艺
[18,19,20]
制备电子封装用的金属基复合材料的主要工艺是浇铸渗透工艺和无压渗透法,可以制备出高质量的电子封装材料,但此法制备时耗电量较大,相对成本较高.据悉,日本某公司新近开发成功了一套生
[21]
产陶瓷颗粒增强的铝基复合材料的新工艺,生产成本低廉.主要是把与铝进行反应的金属粉末同陶瓷粉末混合成原料粉,填充入模腔内,熔融铝于不加压的条件下浸透入陶瓷中即可制成金属基复合材料.在生产流程中只要求加热炉设备,这比传统的工艺加压浸渗法和热压法,所消耗的电力大约节省了9 10左右,生产成本大为降低.可见,通过进一步改进和完善工艺完全可以达到降低成本,进而大规模生产的目的.2.1.2 材料的选择
如上所述,塑封材料价格低廉,重量较轻,具有绝缘性好、抗冲击性强等优点,但多数含铅,毒性较大,因而不得不选用成本高的其它材料替代.目前,无线基础设施半导体领域的杰尔系统宣布推出五款高性能的射频超模压塑封装晶体管,将使封装成本下降高达25%.还可以通过选择增强体的材料来降低成本.
[22]
复合材料的成本主要在增强体的成本,例如连续碳化硅长纤维的价格达到10万～14万日元 kg.碳化硅、氮化硅等晶须的价格则降至5万～6万日元 kg.采用便宜的增强体制备复合材料无疑在价格上具有优势.因而,我们可以采用碳化硅晶须增强Al基复合材料,通过控制体积分数获得具有良好性质的金属基复合材料做电子封装.2.2 性能
天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的多种优异性质.但天然金刚石或高温高压下合成的金刚石价格昂贵.通过表面工程技术低温低压下化学气相沉积(LPCVD)技术可以降低成本.利用LPCVD金刚石薄膜技术,可以将薄膜直接沉积在高TC值的金属、复合材料或单晶硅衬底上,甚至可以制成无支承的金刚石薄膜片,然后粘结到所需的基片上(金属或陶瓷).这样,通过特殊工艺解决了高成本的问题.
但与此同时,另一个问题出现了:通过LPCVD技术产生的薄膜与基体之间的线膨胀系数失配以及薄
[9]
膜中的结晶和结构缺陷等.由此可见,电子封装材料的性能方面还有待于进一步完善.2.2.1 散热问题
随着电子封装行业中集成度的高速发展,散热问题已成为各种封装材料急需解决的问题.如封装材料的金属基板可以简单地分为金属基及其表面氧化膜两层结构.由于两层材料热膨胀系数相差较大,因此在热载荷下层间出现严重的热适配问题,进而导致绝缘氧化膜突然断裂而使基板失效.国内一些工作者已经做了初步的研究,通过电子散斑干涉技术对金属基封装材料的热变形进行了实时测量,并确定了氧化膜失
[4]
效温度,给出了热失效过程中基板表面的变形场分布,并对微裂纹的形成及扩展过程进行了分析.另外,还对薄膜的线膨胀系数、弹性模量、失效应力等参数进行了测定,为金属基板的数值计算提供了依据.但是,目前开发的新型封装材料的力学性能没有进行系统的研究,向着大规模生产进军,关于新型封装材料
[4,15,18]
的热失效问题还需进一步完善.2.2.2 界面问题
作为微电子封装热沉材料的新一代产品,金属基复合材料(MMC)具有高导热和低膨胀等优良特性.
[17]
由于复合材料的导热率会受到在基体和增强相界面热阻的影响,会严重影响电子封装的可靠性.随着20世纪80年代中期扫描热显微镜(SThM)的发展,应用这种扫描热探针技术测试金属基复合材料界面热传导性能,已获得了材料表面的SThM形貌和热图,初步计算了基体—增强相界面的导热率,分析了界面
[19]
导热率的变化,对比了材料界面微区导热率与宏观导热率及制备工艺的关系.通过测定得出SiC Al复
[23,24]
合材料的浸润界面的平均宽度为200nm,界面导热率可达105～110W mk.关于界面问题进一步需要我们完善的是如何利用合理的材料制备工艺获得理想界面类型来提高材料的导热性,以及如何在不同工作温度状态下界面的良好结合.
3 新型电子封装材料的发展
,
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佳木斯大学学报(自然科学版)
[25]
2005年
何利用合理工艺生产出低成本、高质量的产品问题等等.尽管新型电子封装材料的种类很多,但是笔者相信,由于电子封装用金属基复合材料具有其它无可比拟的性能和成本优势,必然具有广阔的应用天地.参考文献:
[1] ZHANGQiang,SUNDong-Li.RecentAchievementsinResearchforElectronicPackagingSubstrateMaterials[J].MaterialScience&Technology,
2000,8(4);66-72.
[2] 阳范文,赵耀明.21世纪我国电子封装行业的发展机遇与挑战[J].半导体情报,2001,38(4);15-18.[3] 张臣,沈能珏.电子封装材料现状与发展[J].新材料产业,2003,(3);5-11.
[4] WEICheng,JIANGXiao-lin.StudyontheThermalFailureofMetalSubstratesinElectronicPackaging[J].Journalofexperimentalmechanics,2003,18
(1);17-22.
[5] 周贤良,吴江晖等.电子封装用金属基复合材料的研究现状[J].南昌航空工业学院学报,2001,15(1);11-15.
[6] CAIXiaHUANG,Weidong.MorphologyoftheWaterinPlasticEiectronicPackagingMaterials[J].ChineseJounalofMaterialResearch,2002,(5);11
-13.
[7] 武高辉,张强等.SiCp Al复合材料在电子封装应用中基础研究[J].电子元件与材料,2003,22(6);27-29.
[8] FanZhang,PengfeiSun.AcomparativestudyonmicroplasticdeformationbehaviorinaSiCp 2024AlCompositeanditsunreinforcedmatrixalloy[J].
MaterialsLetters,2001,(49);69-74.
[9] 黄强,顾明元.电子封装用金属基复合材料的研究现状[J].电子与封装,2003,3(2);22-25.[10] 孙跃军,仲伟深等.金属基复合材料的研究现状与发展[J].铸造技术,2004,25(3);158-160.[11] 马彦忱.颗粒增强金属基复合材料[J].江苏冶金,2004,32(1);54-57.[12] 黄民建.颗粒增强铸造金属基复合材料[J].湖南冶金,2001,(1);44-47.
[13] M.Manoharan,M.Guota.Effectofsiliconcarbidevolumefractionontheworkhardeningbehaviourofthermomechanicallyprocessedaluminiun-based
metal-matrixcomposites[J].Composites,1999,(30);107-112.
[14] G.Meijer,F.Ellyin.AspectsofresidualthermalStress Straininparticlereinforcedmetalmatrixcomposites[J].Composites,2000,(31);29-37.[15] 胡明.金属基复合材料的热膨胀[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2004,22(1);94-100.[16] 肯尼思·G·克雷德.金属基复合材料[M].1982,15-88.
[17] BiGang,WangHaowei.CharacterizationandMeasurementofInterfacialReactioninMetalMatrixComposites[J].MaterialsforMechanialEngineer-ing,1999,23(5);1-3.
[18] 胡明,费维栋等.非连续增强金属基复合材料的变形行为[J].宇航工业材料,2001,(1);25-28.
[19] JiYuan,ZHONGTao-xing.ScaningthermalprobingofinterfacialthermalconductivityofMetalMatrxComposites[J].MaterialEngineering,2000,
(12);29-31.
[20] 李劲风,张昭等.金属基复合材料(MMCs)的原位制备[J].材料科学与工程,2002,20(3);453-456.[21] 日本金属学会志[M].2003,67(4);141.
[22] 聂存珠,赵乃勤.金属基电子封装复合材料的研究进展[J].金属热处理,2003,28(6);1-5.[23] 李凤平.金属基复合材料的发展与研究现状[J].玻璃钢 复合材料,2004,(1);48-52.
[24] 关白玉.“十五”期间在国家产业政策的扶值下,发展电子封装业[J].微电子技术,2001,29(2);1-3.[25] 杨培勇,郑子樵等.Si-Al电子封装材料粉末冶金制备工艺研究[J].稀有金属,2004,28(1);160-165.
StatusandProspectsofNewMaterialsforElectricPacking
ZHENGXiao-hong, HUMing, ZHOUGuo-zhu
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1
2
(1.JiamusiUniversity,Jiamusi154007,China;2.JiamusiElectricPowerDepartment,Jiamusi154002,China)
Abstract: Theadvantagesanddisadvantagesofvariousnewelectronicpackagingmaterialsaresummarizedinthispaper.Theproblemsandtheirimprovingmethodsofnewelectronicpackagingmaterialsusedinourcountryarediscussed.Thefutureofthemetalmatrixcompositesforelectronicpackagingisforecastedaswell.
Keywords: electronicpackaging;metalmatrixcomposites;coefficientofthermalexpansion;interface