电子封装材料研究进展

微电子封装与其材料的研究进展

微电子集成电路中，高度密集的微小元件在工作中产生大量热量，由于芯片和封

装材料之间的热膨胀系数不匹配将引起热应力疲劳，封装材料的散热性能不佳也会导

致芯片过热，这二者已成为电力电子器件的主要失效形式[2]。

从根本上说，电子封装的性能、制作工艺、应用及发展等决定于构成封装的各类材料，包括半导体材料、封装基板材料、绝缘材料、导体材料、键合连接材料、封接

封装材料等。它涉及这些材料的可加工成型性，包括热膨胀系数、热导率、介电常数、电阻率等性能在内的材料物性，相容性及价格等等。

新世纪的微电子封装概念已从传统的面向器件转为面向系统，即在封装的信号传递、支持载体、热传导、芯片保护等传统功能的基础上进一步扩展，利用薄膜、厚膜

工艺以及嵌入工艺将系统的信号传输电路及大部分有源、无源元件进行集成，并与芯

片的高密度封装和元器件外贴工艺相结合，从而实现对系统的封装集成，达到最高密

度的封装。从器件的发展水平看，今后封装技术的发展趋势为：

（1）单芯片向多芯片发展；

（2）平面型封装向立体封装发展；

（3）独立芯片封装向系统集成封装发展。

焊球阵列封装（BGA）

BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成

品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热

性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，

使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。③BGA的节距为1.5mm、

1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全

相容，安装更可靠；④由于焊料熔化时的表面张力具有"自对准"效应，避免了传统封

装引线变形的损失，大大提高了组装成品率；⑤BGA引脚牢固，转运方便；⑥焊球引

出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。

这种BGA的突出的优点：①电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感；②封装密度更高；由于焊球是整个平面排列，

因此对于同样面积，引脚数更高。

芯片尺寸封装（CSP）

CSP（Chip Scale Package）封装，是芯片级封装的意思。CSP封装最新一代

的内存芯片封装技术，其技术性能又有了新的提升。CSP封CSP封装装可以让芯片面

积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通的BGA的1/3，仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封

装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。由于CSP具有更突出的优点：①近似芯片尺寸的超小型封装；②保护裸芯片；③电、热性优良；④封装密度高；⑤

便于测试和老化；⑥便于焊接、安装和修整更换。

3D封装

3D封装主要有三种类型，即埋置型3D封装，当前主要有三种途径：一种是在各

类基板内或多层布线介质层中"埋置"R、C或IC等元器件，最上层再贴装SMC和SMD 来实现立体封装，这种结构称为埋置型3D封装；第二种是在硅圆片规模集成（W S l）后的有源基板上再实行多层布线，最上层再贴装SMC和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型3D封装；第三种是在2D封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型3D封装。

系统封装（SIP）

实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。一种是系统级芯片（Systemon Chip），简称SOC。即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能；另一种是系统级封

装（System in Package），简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。主要的优

点包括：①采用现有商用元器件，制造成本较低；②产品进入市场的周期短；③无论

设计和工艺，有较大的灵活性；④把不同类型的电路和元件集成在一起，相对容易实现。

新型电子封装材料的性能要求

电子封装材料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，

信号传递，散热和屏蔽等作用，因此，电子封装材料需要具备以下的性能特征[3,4,5]：1）较低的热膨胀系数（CTE），能与Si，GaAs等半导体材料相匹配

2）热导率优良

3）低密度

4）气密性好

5）强度和刚度高

6）良好的加工性能和焊接性能

7）易于进行电镀

8）成本低廉等

半导体材料芯片一般是由硅、砷化镓等材料制成，芯片工作及休息时半导体元器

件会产生温度变化，芯片与基体、焊点以及连线之间形成的热应力对电子封装结构产

生不利影响，导致电子线路的损坏或封装结构变形等不良后果。所以，理想的电子封

装材料与半导体材料之间需要有相匹配的热膨胀系数，以降低由于芯片发热而产生的

热应力。良好的热导率能保证芯片工作时产生的热量能很好的传递出去，从而不至于

使得芯片因过热而损坏。在航空航天，以及便携式电子器件领域，轻便的材料需求愈

来愈明显，轻质的材料不仅利于运输，而且可以大大降低成本，因此材料的密度不可

忽视。在气密性封装方面，为了使得芯片与空气等隔绝，以降低芯片的腐蚀、污染，

以及避免光或者其它电性号的干扰，要求封装材料必须有良好的气密性。作为起机械

支撑和保护作用的材料，高的强度和刚度保证了其在一定外力条件下不会损坏。封装

材料必须与芯片或者连线之间粘合在一起，因此，封装材料需要有良好的焊接性和机

械加工性能，以保证各式各样的复杂形状要求。为了保护封装结构或者出于其他目的，常常需要对封装器件进行电镀等处理，因此，封装材料需要具有良好的可电镀性能。

另外，廉价、低成本是每个材料都需要考虑的部分。

1.1常用电子封装材料

国际上，美、英、日本、俄罗斯、德国等国家在电子封装材料的开发、研究与应

用等方面处于领先水平。近年来，我国在该领域的研究也有较大发展。目前，工业上

应用的主要电子封装材料及其性能如下：

表错误!文档中没有指定样式的文字。-1 常用电子封装材料的基本性能[4,6,7,8]

材料

热导率

/W·m-1·K-1热膨胀系数

/×10-6·K-1

密度

/g·cm-3

Si 148 4.1 2.3 GaAs 39 5.8 5.3 Kovar 17 5.8 8.2 Invar 10 1.6 8.1 Ti 15 5.6 4.5 Al 247 23 2.7