电子封装材料

高硅铝电子封装材料及课堂报告总结

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第一章高硅铝电子封装材料

1.1应用背景

由于集成电路的集成度迅猛增加，导致了芯片发热量急剧上升，使得芯片寿命下降。温度每升高10℃,GaAs或Si微波电路寿命就缩短为原来的3倍[1,2]。这都是由于在微电子集成电路以及大功率整流器件中，材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳所引起的失效，解决该问题的重要手段即是进行合理的封装。

所谓封装是指支撑和保护半导体芯片和电子电路的基片、底板、外壳,同时还起着辅助散失电路工作中产生的热量的作用[1]。

用于封装的材料称为电子封装材料，作为理想的电子封装材料必须满足以下几个基本要求[3]:

①低的热膨胀系数,能与Si、GaAs芯片相匹配,以免工作时,两者热膨胀系数差异热应力而使芯片受损；

②导热性能好,能及时将半导体工作产生的大量热量散发出去,保护芯片不因温度过高而失效；

③气密性好,能抵御高温、高湿、腐蚀、辐射等有害环境对电子器件的影响；

④强度和刚度高,对芯片起到支撑和保护的作用；

⑤良好的加工成型和焊接性能,以便于加工成各种复杂的形状和封装；

⑥性能可靠,成本低廉；

⑦对于应用于航空航天领域及其他便携式电子器件中的电子封装材料的密度要求尽可能的小,以减轻器件的重量。

1.2国内外研究现状

目前所用的电子封装材料的种类很多,常用材料包括陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料等。国内外金属基电子封装材料和主要性能指标如表1-1。

表1-1 常用电子封装材料主要性能指标[1,4]

材料密度（ρ）

g/cm3

导热率（K）

Watts/m·k

热膨胀系数

(CTE) ×106/K

比导热率

W·cm3/m·K·g

Si 2.3135 4.1 5.8 GaAs 5.339 5.810.3 Al2O3 3.920 6.5 6.8 BeO 3.92907.674.4 AlN 3.3200 4.560.6

Al 2.723823.688.1

Cu8.9639817.844.4

Mo10.2140 5.013.5

从表1-1可以看出，作为芯片用的Si和GaAS材料以及用做基片的Al2O3、BeO等陶瓷材料，其热膨胀系数（CTE）值在4×10-6/K到7×10-6/K之间，而具有高导热系数的Al和Cu，其CTE值高达20×10-6/K，两者的不匹配会产生较大的热应力，而这些热应力正是集成电路和基板产生脆性裂纹的一个主要原因之一。

在航空航天飞行器领域使用的电子系统中，满足电子封装材料的其他基本要求的同时，轻质是首要的问题。对于表1-1中所提到的三类轻质低密度电子封装材料中，氮化铝的热膨胀系数与Si十分接近，且氮化铝的刚度和密度较低，使其非常适合于电子封装，然而它存在不能电镀的问题。BeO的热膨胀系数与GaAs 相近，也具有良好的热传导性等其他优良性能，可是，这种材料由于剧毒，不符合现代材料研究中对环境友好性的要求，因而限制了它的应用。

为满足现代航空航天电子封装的需要，急需寻找一种新型轻质电子封装材料，而高硅铝合金以及金属基复合材料电子封装正好复合这一要求，作为新型轻质电子封装材料，高硅铝合金以及金属基复合电子封装材料有着十分诱人的应用前景，代表了新型轻质封装材料的发展方向。

1.3高硅铝合金电子封装材料

高硅铝合金电子封装材料由于具有质量轻（密度小于 2.7g/cm3）、热膨胀系数低、热传导性能良好、以及高的强度和刚度，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊,易于精密机加工、无毒等优越性能[5-7],符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向发展的要求。另外,铝硅在地球上含量都相当丰富,硅粉的制备工艺成熟,成本低廉,所以铝硅合金材料成为一种潜在的具有广阔应用前景的电子封装材料,受到越来越多人的重视,特别是在航空航天领域。

高硅铝合金封装材料作为轻质电子封装材料,其优点突出表现在,一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计；二是该类材料是飞行器用质量最轻的金属基电子封装材料,兼有优异的综合性能；三是可实现低成本要求。

表1-2 硅和铝单质的性能

由表1-2可见，利用硅和铝的单质配制的合金密度在2.3~2.7g/cm3之间，热膨胀系数CTE在4.5~11×10-6/K之间，而导热率大于100W/m·K。故用这两种胆汁材料，通过改变规律成分的配比，就可以制备出能满足航空航天电子封装材料所要求的高硅铝合金。

1.3.1铸造高硅铝合金

熔炼铸造方法是指被大多数合金材料所使用的最广泛的一种方法，其设备简单、成本低，可实现大批量工业化生产。熔铸法制备高硅铝合金材料主要有变质铸造法和特种铸造等方法。

对于高硅铝合金材料，其性能在很大程度上与初晶硅、共晶硅的大小、形态及分布有关,若其尺寸粗大，则所获材料性能就差[8,9]。所以，细化初晶硅和共晶硅晶粒尺寸就成了铸造铝硅合金的研究重点。

利用铸造法生产高硅铝合金其硅含量最高达到30%，而且其铸态显微组织主要由粗大的、孤立的、多面化的和高纵横比的一次Si晶体组成，这会导致材料内部的各向异性，极不利于合金的综合性能和可加工性，所以，对于制造综合性能要求比较严格的电子封装材料，是不太可行的方法。

因此，特殊的铸造方法如挤压铸造、搅拌铸造、气体压力渗透铸造、无压渗透铸造等又成了人们关注的重点[1]。

对于用铸造法制备的高硅铝合金，经细化变质后，其机械强度比细化变质前提高45%左右，力学性能一般为160Mpa左右，不过整体力学性能还是比较低。因此，高硅铝合金应用受到很大限制。

1.3.2粉末冶金高硅铝合金

快速凝固高硅铝合金的制备主要有两种方法,即快速凝固粉末冶金方法和喷射沉积法。快速凝固粉末冶金的关键工序是雾化制粉和粉坯热挤压或热锻,最常用的雾化制粉方法是超音速气体雾化法。它是利用一种特殊的高压气体喷嘴产生高速高频脉冲气流冲击金属液流,直接把它粉碎成细小、均匀熔滴,经强制气体对流冷却凝固成细小粉末,这种制粉方法特点是粉末颗粒细小均匀,形状相对规整,近似球形,粉末收得率高。热挤压热锻是通过压头冲头对预压粉末产生静水压力冲击力,使粉末发生移动,填充间隙,粉末在热和力的作用下发生变形,相互间产生滑动,靠磨擦破碎颗粒间界面,通过咬合粘结而结合在一起。控制粉坯热挤压热锻的主要工艺参数有加热温度,压力冲击力,挤压比锻压比及模具结构等。

此外,用于制备快速凝固一合金的方法还有平面流铸造法、熔体旋淬法、等离子表面喷涂沉积法等。