金属基电子封装复合材料的研究进展
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材料研究
金属基电子封装复合材料的研究进展
聂存珠 , 赵乃勤(天津大学 材料学院 , 天津 300072)
摘要 :集成电路和芯片的封装技术的快速发展对封装材料提出了更高的要求 。 由于传统的金属封装材料不能
满足现代封装技术的发展需要 , 向金属基体内添加低热膨胀系数的陶瓷或其它物质制成金属基电子封装复合
3 电子封装复合材料
由于传统的电子封装材料不能满足现代封装技 术对封装材料提出的要求 , 材料的复合化已经成为 必然趋势 。先进的复合材料比传统的封装材料具有
明显的优势 :高的导热率(可以达到铜热导率的 3 倍 以上)、低的可调的热膨胀系数 、重量减轻到原来的 85 %、体积是原来的 65 %、高的强度及硬度 、稳定性 提高并减少热应力 、生产成本不断下降 。
作者简介 :聂存珠(1978—), 男 , 内蒙古包头人 , 在 读硕士研究 生 , 主 要 从 事 金 属 基 复 合 材 料 的 研 究 。 联 系 电 话 :02227401914, E-mail :niecunzhu@sina.com ;niecunzhu @163.com 基金项目 :教育部回国人员基金项目 收稿日期 :2002-12-12
胀系数的碳化物 、氧化物以及硼化物 。 如 SiC 、AlN 、 化学活化烧结 。 在 W/ Cu 及 M o/ Cu 合金中添加 Fe 、 A l2O 3 、BeO 、Si3N 4 、B4C 、TiB2 、SiO 2 等 。 ③晶须 :研究 Co 、Ni 等微量金属元素用来促进烧结 。 但值得注意
ceramic or o ther materials to t he metal-matrix.This paper review s the inf luence of metal-matrix , reinforcement
and processing methods on t hermal properties of composite m aterials.
来源广泛的特点而备受关注 。 3.3 铜基电子封装复合材料
铜基复合材料被广泛地应用于热沉材料及电触 头 材 料[ 12 ～ 14] 。 Cu 的 导 热 系 数 很 高 , 达 到 400W·(m·K)-1 , 但其 CT E 也 很 高 (约 17 ×10-6 K -1)。 为了降低其 CT E , 可以将铜与 CT E 数值较小 的物质如 Mo(CT E 值约为 5.2 ×10-6 K -1)、W(CT E 值约为 4.5 ×10-6 K -1)等 复合 , 得到具有高的导电 导热性能 , 同时融合了 W 、M o 的低膨胀系数 、高硬度
金属基复合材料的基体通常选择 Al 、M g 、Cu 或 者是它们的合金 。 这些纯金属或者合金具备良好的 导热导电性能 , 良好的可加工性能及焊接性能 , 同时 它们的密度也很低(如铝和镁)。基体与增强体的相 容性也是一个重点要考虑的因素 。 在复合材料的制 备过程中 , 基体金属应选择能够促进增强 体与基体 相互润湿的合金 成分 , 或者考虑加入一些 有利于形 成合适的稳定界 面结合层的其他金属元素 , 从而改 善复合材料的热性能 。
传统的电子封装材料包括 :Al 、Cu 、Mo 、W 、Kovar 合金 、Invar 合金[ 7 , 8] 。常见封装材料性能见表 1 。芯
片材料如 Si 、G aA s 以及基片材料 A l2O 3 、BeO 、A lN 等 的 CT E 值介于 4 ～ 7 之间 , 而 Al 、Cu 虽然具有很高的 导热系数 , 但其 CT E 太大(A l 的 CT E 为 22 ×10 -6 ～ 25 ×10 -6K -1 , Cu 的 C TE 大 约为 16 ×10-6 ～ 18 × 10-6K -1), 容易引发循环热应力 。M o 、W 由于其价 格较为昂贵 , 加工 、焊接性能差而密度却是 Al 的好 几倍 , 限制了其应 用 。 而 Kovar 合金 虽然具有很低 的 CT E , 数值上与 GaAs 的 CT E 较为接近 , Kovar 合 金的加工性能也很好 , 但是由于其导热系数太低 , 密 度也很大 , 使其广泛应用受到了限制 。
核心代表 ———集成电路(IC)技术的发展经历了 5 个时 高导热系数的封装材料成为必然 。
代, 即小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规 2 传统的电子封装材料
模(VLSI)和巨大规模(ULSI)时代 。根据摩尔定律 , 集 成电路产品每 18 个月将更新换代一次 , 即每 3 年推出 新一代的 DRAM(动态随机存储器), 以兆位级 DRAM 为代表的集成电路工业 , 使半导体的生产进入高集成 度、高自动化的规模生产阶段[ 1, 2]
业化生产 。 目前处于研究之中的有 AlN 、Si3N4 、B4C 、 TiB2 、金刚石增强 A l 、Cu 金属基复合材料[ 11] 。碳纤
维性能优越但其各向异性严重 , 当与 Al 、Cu 复合时 ,
界面结合很差 , 相容性差 , 同时价格也比较贵 。 目前
已经投入商业化大规模生产的是 SiCp/ Al 复合材料 , 主要是 SiCp 具有较低的 C T E 、较高的导热系数 、材料
材料
热膨胀系数(CT E)/ (×10 -6K -1)
导热系数(T C)/ W·(m·K)-1
密度/ g·cm -3
增强体
热膨胀系数(CTE)/ 导热系数(TC)/ 密度/
(×10 -6K -1)
W·(m·K)-1 g·cm -3
Si
4.10
150
2.3
G aA s
5.80
39
5.3
Al2O 3 BeO
《 金属热处理》2003 年第 28 卷第 6 期
1
表 1 常用封装材料的性能指标[ 7 , 8] Table l Property data of electronic packaging materials
表 2 各种增强体及其性 能指标 Table 2 The type and property data of some reinforcements
特性的复合材料 。W/ Cu 及 Mo/ Cu 已经成功地用作 大功率微波管 、大功率激光二极管和一些大功率集
3.2 增强体的选择
成电路模块的热沉 。 上述复合材料也存在着一些缺
增强体应具有较低的 C TE 、高的导热系数 、良好 点 :Cu-Mo 和 Cu-W 之间不相溶或润湿性极差 , 况且 的化学稳定性 、较低的成本 , 同时增强体应该与金属 二者的熔点相差很大 , 给材料制备带来了一些问题 ;
基复合材料)、CM C(陶瓷基复合材料)、CCCs(碳/ 碳
复合材料)。1992 年 4 月在美国举办的新材料与电
子封装专题讨论 会上 , 一致认为金属基复 合材料最
硼纤维
SiC 纤维(N L200) T ho r nelP-120 SiCp A l2O3p
Be Op
AlN p
Si3N 4p B4Cp T iB2p SiO 2p T iCp 金刚石 S iC 晶须
约 5.00 -3.10 -1.45 4.00 4.40 4.10 2.69 1.44 3.38 4.60 <1.0 7.40 1.70 3.40
40
12
640 80 ～ 200 20 ～ 40
≥300 150 ～ 250
28 29 ～ 67
25 1.4
40 700 ～ 2000
32
2.60
2.18 3.21 3.98 3.01 3.26 3.18 2.52 4.50 2.65 4.92 3.52
NIE Cun-zhu , ZHAO Nai-qin
(School of M aterials Science and Eng ineering , T ianjin Universi ty , Tianjin 300072 , China)
Abstract :T he rapid development of IC and packaging technology has led t o search for new packag ing materi-
6.50 6.70
20
3.9
250
2.9
AlN
4.50
250
3.3
Al
23.00
230
2.7
Cu
17.00
400
8.9
Mo
5.00
140
10.2
W
4.45
168
19.3
Ko v ar
5.90
17
Hale Waihona Puke Baidu
8.3
I nv ar
1.60
10
Zw eben[ 9] 提出 , 今后电子封装复合材 料主要向
四个方向发展 :MMC(金属基复合材料)、PMC(树脂
Key words:electronic packaging ;metal-matrix composi te materials ;thermal properties
1 引言
展也使得单位面积内芯片的密 度增大 , 从而造成系
1958 年第一块半导体集成电路问世以来 , 微电子的 统发热量增大 。 这时开发 和研制新的低膨胀系数 、
基体有较好的润湿性 。常见增强体性能见表 2 。
同时制备的 W/ Cu 及 M o/ Cu 复合材料气密性不好 ,
常用作金属基复合材料的增强体有 :①长纤维 : 致密化程度低 , 影响到其封装性能 。吉洪亮[ 12] 等人
包括碳纤维 Cf 、硼纤维等 。 ②颗粒 :包括一些低热膨 介绍了几种 W/ Cu 及 M o/ Cu 合金致密化技术如 :①
材料已成为金属基复合材料今后重点发展的方向之一 。本文阐述了金属基体 、增强体及其体积分数 、制备工
艺对复合材料热性能的影响 。
关键词 :电子封装 ;金属基复合材料 ;热性能
中图分类号 :TU599 文献标识码 :A 文章编号 :0254-6051(2003)06-0001-05
Review of Metal-Matrix Composite Materials for Electronic Packaging
为了得到低 CT E 、高热导率的电子封装复合材
料 , 目前研究的比较多的是 Cf/A l 、SiCp/ A l 、SiCp/ Cu 、
B/Al 、BeO/ Al 、BeO/Cu 、BeO/ Be 等复 合材料 。 其中
重要的发展方向是用作电子封装材料[ 10] 。而金属基 Cf/A l 、SiCp/A l 、Bf/ Al 已经可以成批生产 。B/A l 小批
als.T he t raditional metal packaging materials can no t meet t he needs of the development of packaging technolo-
gy.It is urgently t o develop metal-matrix composites for packagi ng materials by means of adding t he lower CT E
复合材料具有高的热物理性能 、良好的封装性能 , 它 量生产用作系统的热沉 。 BeOp/Al 近年来也用作商
具有以下特 点 :①通过 改变增 强体 的种类 、体积 分 数 、排列方式或者通过改变复合材料的热处理工艺 , 可以制备出不同 CT E 匹配的封装材 料 。 ②复 合材 料的 C TE 较低 , 可以与电子器件材料 的 C TE 相匹 配 , 同时具有高的导热性能 , 较低的密度 。 ③材料的 制备工艺成熟 , 净成型工艺的出现 , 减少了复合材料 的后续加工 , 使生产成本不断降低 。 3.1 基体材料的选择
随着集成度的增加 , 单位芯片尺寸产生的 热量 也急剧增加 , 每块芯片上的发热量将高达 10W 以上 。 如何及时有效地 散热 , 使芯片能在允许的 工作温度 下正常工作十分重要 , 例如开发新的封装技术 MCM (多芯片组件)[ 1, 3] 、SM T(表面贴装技术)、CO B(板上 芯片技术)、BGA (球形触点阵列)[ 4] 、T AB(带式自动 键合)[ 5] 、3-D 封装[ 5, 6] 等 , 以研究新的与芯片或者基 片材料的热膨胀系数(以下简称 CT E)能很好匹配的 封装材料或使用散热装置或冷却系统 。而散热装置 和冷却系统增加 了系统的成本以及体积 , 不能满足 系统结构向轻型化 、小型化方向发展 ;封装技术的发
金属基电子封装复合材料的研究进展
聂存珠 , 赵乃勤(天津大学 材料学院 , 天津 300072)
摘要 :集成电路和芯片的封装技术的快速发展对封装材料提出了更高的要求 。 由于传统的金属封装材料不能
满足现代封装技术的发展需要 , 向金属基体内添加低热膨胀系数的陶瓷或其它物质制成金属基电子封装复合
3 电子封装复合材料
由于传统的电子封装材料不能满足现代封装技 术对封装材料提出的要求 , 材料的复合化已经成为 必然趋势 。先进的复合材料比传统的封装材料具有
明显的优势 :高的导热率(可以达到铜热导率的 3 倍 以上)、低的可调的热膨胀系数 、重量减轻到原来的 85 %、体积是原来的 65 %、高的强度及硬度 、稳定性 提高并减少热应力 、生产成本不断下降 。
作者简介 :聂存珠(1978—), 男 , 内蒙古包头人 , 在 读硕士研究 生 , 主 要 从 事 金 属 基 复 合 材 料 的 研 究 。 联 系 电 话 :02227401914, E-mail :niecunzhu@sina.com ;niecunzhu @163.com 基金项目 :教育部回国人员基金项目 收稿日期 :2002-12-12
胀系数的碳化物 、氧化物以及硼化物 。 如 SiC 、AlN 、 化学活化烧结 。 在 W/ Cu 及 M o/ Cu 合金中添加 Fe 、 A l2O 3 、BeO 、Si3N 4 、B4C 、TiB2 、SiO 2 等 。 ③晶须 :研究 Co 、Ni 等微量金属元素用来促进烧结 。 但值得注意
ceramic or o ther materials to t he metal-matrix.This paper review s the inf luence of metal-matrix , reinforcement
and processing methods on t hermal properties of composite m aterials.
来源广泛的特点而备受关注 。 3.3 铜基电子封装复合材料
铜基复合材料被广泛地应用于热沉材料及电触 头 材 料[ 12 ～ 14] 。 Cu 的 导 热 系 数 很 高 , 达 到 400W·(m·K)-1 , 但其 CT E 也 很 高 (约 17 ×10-6 K -1)。 为了降低其 CT E , 可以将铜与 CT E 数值较小 的物质如 Mo(CT E 值约为 5.2 ×10-6 K -1)、W(CT E 值约为 4.5 ×10-6 K -1)等 复合 , 得到具有高的导电 导热性能 , 同时融合了 W 、M o 的低膨胀系数 、高硬度
金属基复合材料的基体通常选择 Al 、M g 、Cu 或 者是它们的合金 。 这些纯金属或者合金具备良好的 导热导电性能 , 良好的可加工性能及焊接性能 , 同时 它们的密度也很低(如铝和镁)。基体与增强体的相 容性也是一个重点要考虑的因素 。 在复合材料的制 备过程中 , 基体金属应选择能够促进增强 体与基体 相互润湿的合金 成分 , 或者考虑加入一些 有利于形 成合适的稳定界 面结合层的其他金属元素 , 从而改 善复合材料的热性能 。
传统的电子封装材料包括 :Al 、Cu 、Mo 、W 、Kovar 合金 、Invar 合金[ 7 , 8] 。常见封装材料性能见表 1 。芯
片材料如 Si 、G aA s 以及基片材料 A l2O 3 、BeO 、A lN 等 的 CT E 值介于 4 ～ 7 之间 , 而 Al 、Cu 虽然具有很高的 导热系数 , 但其 CT E 太大(A l 的 CT E 为 22 ×10 -6 ～ 25 ×10 -6K -1 , Cu 的 C TE 大 约为 16 ×10-6 ～ 18 × 10-6K -1), 容易引发循环热应力 。M o 、W 由于其价 格较为昂贵 , 加工 、焊接性能差而密度却是 Al 的好 几倍 , 限制了其应 用 。 而 Kovar 合金 虽然具有很低 的 CT E , 数值上与 GaAs 的 CT E 较为接近 , Kovar 合 金的加工性能也很好 , 但是由于其导热系数太低 , 密 度也很大 , 使其广泛应用受到了限制 。
核心代表 ———集成电路(IC)技术的发展经历了 5 个时 高导热系数的封装材料成为必然 。
代, 即小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规 2 传统的电子封装材料
模(VLSI)和巨大规模(ULSI)时代 。根据摩尔定律 , 集 成电路产品每 18 个月将更新换代一次 , 即每 3 年推出 新一代的 DRAM(动态随机存储器), 以兆位级 DRAM 为代表的集成电路工业 , 使半导体的生产进入高集成 度、高自动化的规模生产阶段[ 1, 2]
业化生产 。 目前处于研究之中的有 AlN 、Si3N4 、B4C 、 TiB2 、金刚石增强 A l 、Cu 金属基复合材料[ 11] 。碳纤
维性能优越但其各向异性严重 , 当与 Al 、Cu 复合时 ,
界面结合很差 , 相容性差 , 同时价格也比较贵 。 目前
已经投入商业化大规模生产的是 SiCp/ Al 复合材料 , 主要是 SiCp 具有较低的 C T E 、较高的导热系数 、材料
材料
热膨胀系数(CT E)/ (×10 -6K -1)
导热系数(T C)/ W·(m·K)-1
密度/ g·cm -3
增强体
热膨胀系数(CTE)/ 导热系数(TC)/ 密度/
(×10 -6K -1)
W·(m·K)-1 g·cm -3
Si
4.10
150
2.3
G aA s
5.80
39
5.3
Al2O 3 BeO
《 金属热处理》2003 年第 28 卷第 6 期
1
表 1 常用封装材料的性能指标[ 7 , 8] Table l Property data of electronic packaging materials
表 2 各种增强体及其性 能指标 Table 2 The type and property data of some reinforcements
特性的复合材料 。W/ Cu 及 Mo/ Cu 已经成功地用作 大功率微波管 、大功率激光二极管和一些大功率集
3.2 增强体的选择
成电路模块的热沉 。 上述复合材料也存在着一些缺
增强体应具有较低的 C TE 、高的导热系数 、良好 点 :Cu-Mo 和 Cu-W 之间不相溶或润湿性极差 , 况且 的化学稳定性 、较低的成本 , 同时增强体应该与金属 二者的熔点相差很大 , 给材料制备带来了一些问题 ;
基复合材料)、CM C(陶瓷基复合材料)、CCCs(碳/ 碳
复合材料)。1992 年 4 月在美国举办的新材料与电
子封装专题讨论 会上 , 一致认为金属基复 合材料最
硼纤维
SiC 纤维(N L200) T ho r nelP-120 SiCp A l2O3p
Be Op
AlN p
Si3N 4p B4Cp T iB2p SiO 2p T iCp 金刚石 S iC 晶须
约 5.00 -3.10 -1.45 4.00 4.40 4.10 2.69 1.44 3.38 4.60 <1.0 7.40 1.70 3.40
40
12
640 80 ～ 200 20 ～ 40
≥300 150 ～ 250
28 29 ～ 67
25 1.4
40 700 ～ 2000
32
2.60
2.18 3.21 3.98 3.01 3.26 3.18 2.52 4.50 2.65 4.92 3.52
NIE Cun-zhu , ZHAO Nai-qin
(School of M aterials Science and Eng ineering , T ianjin Universi ty , Tianjin 300072 , China)
Abstract :T he rapid development of IC and packaging technology has led t o search for new packag ing materi-
6.50 6.70
20
3.9
250
2.9
AlN
4.50
250
3.3
Al
23.00
230
2.7
Cu
17.00
400
8.9
Mo
5.00
140
10.2
W
4.45
168
19.3
Ko v ar
5.90
17
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1.60
10
Zw eben[ 9] 提出 , 今后电子封装复合材 料主要向
四个方向发展 :MMC(金属基复合材料)、PMC(树脂
Key words:electronic packaging ;metal-matrix composi te materials ;thermal properties
1 引言
展也使得单位面积内芯片的密 度增大 , 从而造成系
1958 年第一块半导体集成电路问世以来 , 微电子的 统发热量增大 。 这时开发 和研制新的低膨胀系数 、
基体有较好的润湿性 。常见增强体性能见表 2 。
同时制备的 W/ Cu 及 M o/ Cu 复合材料气密性不好 ,
常用作金属基复合材料的增强体有 :①长纤维 : 致密化程度低 , 影响到其封装性能 。吉洪亮[ 12] 等人
包括碳纤维 Cf 、硼纤维等 。 ②颗粒 :包括一些低热膨 介绍了几种 W/ Cu 及 M o/ Cu 合金致密化技术如 :①
材料已成为金属基复合材料今后重点发展的方向之一 。本文阐述了金属基体 、增强体及其体积分数 、制备工
艺对复合材料热性能的影响 。
关键词 :电子封装 ;金属基复合材料 ;热性能
中图分类号 :TU599 文献标识码 :A 文章编号 :0254-6051(2003)06-0001-05
Review of Metal-Matrix Composite Materials for Electronic Packaging
为了得到低 CT E 、高热导率的电子封装复合材
料 , 目前研究的比较多的是 Cf/A l 、SiCp/ A l 、SiCp/ Cu 、
B/Al 、BeO/ Al 、BeO/Cu 、BeO/ Be 等复 合材料 。 其中
重要的发展方向是用作电子封装材料[ 10] 。而金属基 Cf/A l 、SiCp/A l 、Bf/ Al 已经可以成批生产 。B/A l 小批
als.T he t raditional metal packaging materials can no t meet t he needs of the development of packaging technolo-
gy.It is urgently t o develop metal-matrix composites for packagi ng materials by means of adding t he lower CT E
复合材料具有高的热物理性能 、良好的封装性能 , 它 量生产用作系统的热沉 。 BeOp/Al 近年来也用作商
具有以下特 点 :①通过 改变增 强体 的种类 、体积 分 数 、排列方式或者通过改变复合材料的热处理工艺 , 可以制备出不同 CT E 匹配的封装材 料 。 ②复 合材 料的 C TE 较低 , 可以与电子器件材料 的 C TE 相匹 配 , 同时具有高的导热性能 , 较低的密度 。 ③材料的 制备工艺成熟 , 净成型工艺的出现 , 减少了复合材料 的后续加工 , 使生产成本不断降低 。 3.1 基体材料的选择
随着集成度的增加 , 单位芯片尺寸产生的 热量 也急剧增加 , 每块芯片上的发热量将高达 10W 以上 。 如何及时有效地 散热 , 使芯片能在允许的 工作温度 下正常工作十分重要 , 例如开发新的封装技术 MCM (多芯片组件)[ 1, 3] 、SM T(表面贴装技术)、CO B(板上 芯片技术)、BGA (球形触点阵列)[ 4] 、T AB(带式自动 键合)[ 5] 、3-D 封装[ 5, 6] 等 , 以研究新的与芯片或者基 片材料的热膨胀系数(以下简称 CT E)能很好匹配的 封装材料或使用散热装置或冷却系统 。而散热装置 和冷却系统增加 了系统的成本以及体积 , 不能满足 系统结构向轻型化 、小型化方向发展 ;封装技术的发