金属封装材料的现状及发展

金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃—金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A 转换器)融合为一体，适合于低I／O数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。本文主要介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。

1 传统金属封装材料及其局限性

芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护，应具备以下的要求：

①与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数,减少或避免热应力的产生；

②非常好的导热性，提供热耗散；

③非常好的导电性，减少传输延迟；

④良好的EMI／RFI屏蔽能力；

⑤较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；

⑥可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；

⑦较低的成本。

传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，它们的主要性能如表1所示。

1．1 铜、铝

纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率1．72μΩ·cm，仅次于银。它的热导率为401W(m-1K-1)，从传热的角度看，作为封装壳体是非常理想的，可以使用在需要高热导和／或高电导的封装里，然而，它的CTE高达16．5×10-6K-1，可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。为了减少陶瓷基板上的应力，设计者可以用几个较小的基板来代替单一的大基板，分开布线。退火的纯铜由于机械性能差，很少使用。加工硬化的纯铜虽然有较高的屈服强度，但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化，在进行机械冲击或恒定加速度试验时造成外壳底部永久变形。

铝及其合金重量轻、价格低、易加工，具有很高的热导率，在25℃时为2 37W(m-1K-1)，是常用的封装材料，通常可以作为微波集成电路(MIC)的壳体。但铝的CTE更高，为23．2×10-6K-1，与Si(4．1×10-6K-1)和GaA

s(5.8 ×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的热循环常会产生较大的热应力，导致失效。虽然设计者可以采用类似铜的办法解决这个问题，但铜、铝与芯片、基板严重的热失配，给封装的热设计带来很大困难，影响了它们的广泛使用。

1．2 钨、钼

Mo的CTE为5．35×10-6K-1，与可伐和Al2O3非常匹配，它的热导率相当高，为138 W(m-K-1)，故常作为气密封装的底座与可伐的侧墙焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金属封装中。Mo作为底座的一个主要缺点在于平面度较差，另一个缺点是在于它重结晶后的脆性。W具有与Si和G aAs相近的热膨胀系数，且导热性很好，可用于芯片的支撑材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面镀覆其他金属，使工艺变得复杂且可靠性差。W、Mo价格较为昂贵，不适合大量使用。此外密度较大，不适合航空、航天用途。

1．3 钢

10号钢热导率为49．8 W(m-1K-1)，大约是可伐合金的三倍，它的CTE为12．6×10-6K-1，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与软玻璃实现压缩封接。不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，不锈钢的热导率较低，如4 30不锈钢(Fe-18Cr，中国牌号4J18)热导率仅为26．1 W(m-1K-1)。

1．4 可伐

可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中国牌号4J29)的CTE与Si、GaAs以及Al2O3、BeO、AIN的CTE较为接近，具有良好的焊接性、加工性，能与硼硅硬玻璃匹配封接，在低功率密度的金属封装中得到最广泛的使用。但由于其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其广泛应用受到了很大限制。

1．5 Cu／W和Cu／Mo

为了降低Cu的CTE，可以将铜与CTE数值较小的物质如Mo、W等复合，得到Cu／W及Cu／Mo金属-金属复合材料。这些材料具有高的导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。Cu／W及Cu／Mo的CTE可以根据组元相对含量的变化进行调整，可以用作封装底座、热沉，还可以用作散热片。国内外已广泛生产并用在大功率微波管、大功率激光二极管和一些大功率集成电路模块上。表2和表3分别列出了美国Ametek公司的C u／W和Cu／Mo复合材料的性能。

由于Cu-Mo和Cu-W之间不相溶或浸润性极差，况且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些问题；如果制备的Cu／W及Cu／Mo致密程度不高，则气密性得不到保证，影响封装性能。另一个缺点是由于W的百分含量高而导致Cu／W密度太大，增加了封装重量。但密度大也使Cu／W具有对空间辐射总剂量(TID)环境的优良屏蔽作用，因为要获得同样的屏蔽作用，使用的铝厚度需要是Cu／W的16倍。

2 新型的金属封装材料及其应用

除了Cu／W及Cu／Mo以外，传统金属封装材料都是单一金属或合金，它们都有某些不足，难以应对现代封装的发展。材料工作者在这些材料基础上研究和开发了很多种金属基复合材料(MMC)，它们是以金属(如Mg、Al、Cu、Ti)或金属间化合物(如TiAl、NiAl)为基体，以颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料。与传统金属封装材料相比，它们主要有以下优点：

①可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式或改变基体合金，改变材料的热物理性能，满足封装热耗散的要求，甚至简化封装的设计;

②材料制造灵活，价格不断降低，特别是可直接成形，避免了昂贵的加工费用和加工造成的材料损耗；

③不少低密度、高性能的金属基复合材料非常适合航空、航天用途。

金属基复合材料的基体材料有很多种，但作为热匹配复合材料用于封装的主要是Cu基和灿基复合材料。

2．1 Cu基复合材料

纯铜具有较低的退火点，它制成的底座出现软化可以导致芯片和／或基板开裂。为了提高铜的退火点，可以在铜中加入少量Al2O3、锆、银、硅。这些物质可以使无氧高导铜的退火点从320℃升高到400℃，而热导率和电导率损失不大。国内外都有Al2O3弥散强化无氧高导铜产品，如美国S CM金属制品公司的Glidcop含有99．7％的铜和0．3％弥散分布的Al2O3。