铜基电子封装材料研究进展

第30卷第6期V ol.30No.6临沂师范学院学报Journal of Linyi Normal University2008年12月Dec.2008铜基电子封装材料研究进展王常春1，朱世忠2，孟令江3（1.临沂师范学院物理系，山东临沂276005；2.山东医学高等专科学校，山东临沂276002；3.临沂市高新技术开发区罗西街道办事处，山东临沂276014）摘要：介绍了国内外铜基电子封装材料的研究现状及最新发展动态，指出了目前我国新型铜基电子封装材料研究中所存在的问题及进一步完善的措施，预测了电子封装用铜基复合材料的发展趋势和应用前景．未来的铜基电子封装材料将朝着高性能、低成本、轻量化和集成化的方向发展．关键词：电子封装；铜基复合材料；热导率；热膨胀系数中图分类号：TG148文献标识码：A文章编号：1009-6051(2008)06-0043-050引言随着信息化时代的迅速发展，对现代电子元器件集成度和运行速度的要求越来越高，相应功耗也越来越大，这必然会导致电路发热量的提高，从而使工作温度不断上升[1−4]．一般来说，在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2∼3倍[5]．另外，温度分布不均匀也会使电子元器件的噪音大大增加．为解决这些问题，开发低成本、低膨胀、高导热、易加工、可靠性高的电子封装材料已成为当务之急[6,7]．传统的电子封装材料（见表1[8]）由于具有一些不可避免的问题，只能部分满足电子封装的发展要求．Invar、Kovar的加工性能良好，具有较低的热膨胀系数，但导热性能很差；Mo和W的热膨胀系数较低，导热性能远高于Invar和Kovar，而且强度和硬度很高，所以，Mo和W在电力半导体行业中得到了普遍的应用．但是，Mo和W价格昂贵、加工困难、可焊性差、密度大，而且导热性能比纯Cu表1常用封装材料的性能指标[8]材料热膨胀系数(20℃)/(×10−6·K−1)导热系数/(W·m−1·K−1)密度/(g·cm−3)Si 4.1150 2.3GaAs 5.839 5.3Al2O3 6.520 3.9AlN 4.5250 3.3Al23230 2.7Cu174008.9Mo 5.014010.2W 4.4516819.3Kovar 5.9178.3Invar 1.6108.1W-10vol.%Cu 6.520917.0Mo-10vol.%Cu7.018010.0Cu/Invar/Cu 5.21608.4收稿日期：2008-10-09作者简介：王常春（1974–），男，山东沂南人，临沂师范学院副教授，博士．研究方向：金属基复合材料．44临沂师范学院学报第30卷要低得多，这就阻碍了其进一步应用．Cu和Al的导热导电性能很好，可是热膨胀系数过大，容易产生热应力问题．金属基复合材料(MMCs)兼备金属易加工、高导热、高导电的性能以及增强体轻质、低膨胀的性能，同时它还具有良好的尺寸稳定性、高的耐磨性和耐腐蚀性及性能的可设计性[9,10]．这一系列优点使它成为替代传统电子封装材料的最佳选择．到目前为止，颗粒及纤维增强铝基复合材料已在电子封装材料领域得到了广泛应用，其材料制备及加工工艺已日臻成熟，铝基复合材料产品的使用开发及理论研究也逐渐深入．然而，与铝基复合材料相比，有关铜基复合材料的理论研究与开发应用尚不成熟，迫切需要进行更多的探索和研究．铜基复合材料具有与铝基复合材料相似的性能，如优良的物理和力学性能以及适中的价格，可以作为导电、导热功能材料用于航空航天、微电子等领域．而且由于Cu的热膨胀系数比Al低，但导热率比Al高，因此选用Cu代替Al制备的铜基复合材料将是极具竞争力的候选材料之一．目前，高强度导电铜基复合材料在美国、日本、德国等发达国家开发研究异常活跃，并在某些方面取得突破性进展；我国也把目光投向铜基复合材料，并对其物理和力学性能进行了逐步的探索和研究．1铜基电子封装材料的研究现状1.1颗粒增强型铜基电子封装材料颗粒增强型铜基复合材料所用的增强相粒子主要有W、Mo、SiCp等低膨胀系数粒子．在常规的颗粒增强型结构复合材料中，增强相的体积分数一般都很小，而对于电子封装用颗粒增强铜基复合材料而言，由于Cu本身的热膨胀系数较大，为了能够与Si、GaAs等芯片的基体相匹配，需要加入大量的低膨胀颗粒，才能得到热膨胀系数较低的电子封装材料．如在Mo/Cu复合材料中，Mo的质量分数为60%∼85%，其热膨胀系数在(6.27∼9.0)×10−6/K，热导率在150∼220W/(m·K)．在Mo/Cu复合材料出现前，人们对W/Cu电子材料的理论研究比较多，建立了各种各样的数学模型预测其热学性能．由于航空航天及军事领域对重量的要求，使得人们寻求一种密度更低的材料，Mo/Cu电子材料逐渐得到了人们的重视．与W/Cu相比，Mo/Cu的CTE值和TC值相差不大，但密度却比W/Cu低得多，这在航空航天领域有着明显的经济意义．与SiCp/Al相比，Mo/Cu复合材料密度较大，但是Mo/Cu复合材料具有一定的微波屏蔽功能，并且强度高、稳定可靠．Mo/Cu、W/Cu复合材料也存在着一些缺点：Cu-Mo 和Cu-W之间不相溶或润湿性极差，而且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些困难；同时制备的W/Cu及Mo/Cu复合材料气密性不好，致密度较低，影响其封装性能[11,12]．SiCp因其高强度、高模量、低的热膨胀系数和低成本被广泛用作一种颗粒增强体，用于制备颗粒增强铜基复合材料．吉元等人[8]采用热等静压的方法制备了SiCp/Cu复合材料，并指出在SiCp/Cu 复合材料中，增强体的体积分数存在一个临界值(50%)．当SiC颗粒体积分数低于临界值时，Cu基体中SiC颗粒是孤立分布的，由连续的Cu基体提供一个畅通的导热通道．当SiC颗粒体积分数高于临界值后，基体合金被SiC颗粒切断，呈断续状，导致材料的导热率明显降低．Shu等人[13]研究了SiCp/Cu复合材料的热膨胀行为指出，在一定的温度下，复合材料的CTE值随着颗粒尺寸的增加而增大．这可能是因为大颗粒较容易在基体中聚集较大的应力，在随后的加热和冷却过程中会释放出来，这样会产生较大的应变，即较大的CTE值．钟涛兴等人[14]也有类似的观点，他们认为，当SiCp体积分数一定时，颗粒的界面面积与应力成反比，颗粒的大小直接影响着应力的大小．为了获得较低的热膨胀系数，应选用粒度较小的颗粒．作者利用真空热压烧结方法结合化学镀铜工艺制备了SiCp体积分数为30%∼50%的SiCp/Cu复合材料，但当SiCp体积分数为30%时，SiCp/Cu复合材料的热导率达到236.2W/(m·K)[15]．1.2纤维增强型铜基电子封装材料这类复合材料以Cu为基体，增强纤维有B纤维、Al2O3、C纤维，而应用最多的是C纤维，这样为获得高热导率的电子封装材料提供了可能．已有学者将金刚石加入铜基体内制成了C/Cu复合材料，第6期王常春，等：铜基电子封装材料研究进展45试验表明金刚石加入的体积分数为55%左右时，复合材料具备很好的热物理性能，在25∼200℃时的CTE为(5.48∼6.5)×10−6K−1，热导率也在600W/(m·K)左右．该类复合材料的缺点是：由于C纤维具有极大的各向异性，造成了复合材料的各向异性，需要使C纤维网状、螺旋状、倾斜网状排列来解决这一问题，因此制造工艺较难，成本较高，只应用在军工、航空航天等重要领域，难以进行大规模生产[16]．1.3铜基平面复合型电子封装材料这类电子封装复合材料的结构是层叠式的，一般分为三层，中间层为低膨胀材料层，两边则为高导电导热的材料层，当然，也有两层或四层复合层板．生产工艺一般采用轧制复合或电镀复合再加工制备，这类材料在平面方向有很好的热导率和较低的膨胀系数，并且基本上不存在致密度问题．国外对平面复合型电子封装材料的研究进行得较早，20世纪80年代末，美国德州仪器公司在Invar 合金板上双面覆纯铜制成了Cu/Invar/Cu复合板(简称CIC)，随后美国AMAX生产出Cu/Mo/Cu(简称CMC)复合材料[17]．与Mo/Cu,W/Cu等粉末冶金方法生产的颗粒增强型电子封装材料相比，轧制复合方法生产平面复合型电子封装材料的效率高、生产成本低，并且可以生产大尺寸的封装材料，因此平面复合型电子封装材料非常有利于电子行业的生产，容易产生“规模效益”．国内关于平面复合型电子封装材料方面的研究开展得比较晚，马慧君等人[18]首先采用电镀法生产出0.15mm的17/66/17的CIC薄材，用于电路印刷板．杨扬和李正华等人[19]试验了爆炸复合法制备CMC电子封装材料的可行性，对爆炸复合CMC封装材料界面的结合机制进行了详细的研究，结果表明，用爆炸复合方法一次性制备Cu/Mo/Cu复合材料是可行的，恰当的工艺参数可制得无显微裂纹的复合材料．2新型铜基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、加工工艺复杂，不适合复杂结构件，铜基电子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，材料成本在总成本中的比例可达到63%[20]．可以考虑从工艺和材料的选择两方面来进行改进．2.1.1工艺制备铜基电子封装材料的主要工艺是浇铸渗透工艺和无压渗透法[21,22]，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产陶瓷颗粒增强铜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铜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铜基复合材料．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，所消耗的电力节省了90%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材料的选择众所周知，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．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Cu基复合材料，通过控制体积分数获得具有良好性质的铜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46临沂师范学院学报第30卷LPCVD金刚石薄膜技术，可以将薄膜直接沉积在导热性好的铜、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，然后粘结到所需的铜基片上．这样，通过特殊工艺解决了高成本的问题．但与此同时，通过LPCVD技术产生的薄膜出现了与铜基体之间的线膨胀系数失配以及薄膜中的结晶和结构缺陷等问题[23]．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．如封装材料的铜基板可以简单地分为铜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铜基封装材料的热变形进行了实时测量，并确定了氧化膜失效温度，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，为铜基板的数值计算提供了依据[24]．2.2.2界面问题作为微电子封装材料的新一代产品，铜基复合材料具有高导热和低膨胀等优良特性．由于铜基复合材料的导热率会受到基体和增强相界面热阻的影响，所以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铜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SiCp/Cu复合材料的浸润界面的平均宽度为200nm，界面导热率可达105∼110W/(m·K)．关于界面问题，需要我们进一步完善的是，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结束语可以预见，随着信息技术继续向微型化、大容量和高可靠性方向发展，对电子封装材料的要求将会更加苛刻．总的来说，铜基电子封装材料的发展将会呈现以下几个特征：(1)低密度．这是由于便携电子产品的流行，人们对减重问题越来越重视，减重对飞行器也有重要意义，因此，采用具有低膨胀特性而热导率却非常高、密度又小的材料作为增强相，如高模量C纤维、B纤维、石墨、AlN等．用这样的材料与Cu制成复合材料，可望在保持低膨胀特性的同时，获得很高的热导率和强度．(2)高导热．由于多芯片封装技术有可能在未来几年内在封装领域中占据重要地位，而其封装密度将会不断增加，对封装材料的导热性会有更高的要求，因此开发新的高导热、低膨胀的封装材料势在必行，金刚石薄膜包覆铜基片封装材料的市场前景将非常广阔．(3)一体化．由于电子器件的超薄和超微化，封装材料也必然向更薄、更小的方向发展，为了降低生产成本、提高封装的可靠性，预计封装材料将和基片、芯片等进行整体结合，多组件、多功能、模块化封装将是未来的发展方向，这就要求研究新的制备方法来顺应这一潮流．随着电子封装业的蓬勃发展，对封装材料也将提出更高的要求．诸如环保问题、二次利用问题以及如何利用合理工艺生产出低成本、高质量的产品问题等等[25]．尽管新型电子封装材料的种类很多，但是笔者相信，由于电子封装用铜基复合材料具有其它材料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]Zweben 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of new electronic packag-ing materials used in our country are discussed.And the developing tendency of copper matrix electronic packaging materials is forecasted.It is believed that high performance,low cost,light weight and integration will be the future characteristics of copper matrix electronic packaging materials.Key words:electronic packaging;copper matrix composites;thermal conductivity;coefficient of thermal ex-pansion责任编辑：王永龙。