第九讲 封装中的材料
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封装中的材料
任课教师：刘章生
封装中的材料
封装中涉及到的材料
引线材料； 引线框架材料； 芯片粘结材料； 封装基板与外壳材料； 模塑料； 焊接材料；
封装中的材料
封装中的材料
电子封装材料的性能 电特性
绝缘性质、击穿、表面电阻，……
热特性
玻璃化转化温度、热导率、热膨胀系数，……
机械特性
扬氏模量、泊松比、刚度、强度，……
机械强度、化学性能稳定、导电、导热、热匹配、 低固化温度、可操作性
芯片粘结材料
几种基本的芯片键合类型
银浆粘接技术 低熔点玻璃粘接技术 导电胶粘接技术 环氧树脂粘接技术 共晶焊技术
芯片粘结材料
环氧树脂粘接技术
工艺简单、成本低廉 适合于大规模生产，质量上已经接近Au-Si共晶焊水平
分类：
导电、导热胶—“导电胶” 导热、电绝缘胶
化学特性
吸潮、抗腐蚀，……
其它
密度、可焊性、毒性，……
引线键合材料
引线键合常用于芯片与载体（或基板）或引线框架 之间的互连. 常用的引线材料
Au、Al、Cu（包括用于TAB）、AlSi(1%)丝.（需要退火处理）
键合的模式
球焊（金丝）和楔形焊（铝丝） 金丝用于塑料封装，铝丝用于陶瓷和金属封装
引线键合材料
封装基板与外壳材料
其它陶瓷基板材料 氧化铍（BeO） 热导率8倍于氧化铝，用于功率器件; 贵 毒 氮化铝（AlN） 高热导率，用于替代氧化铍; 与Si相近的热膨胀系数; 低价（与氧化铍比较）;
封装基板与外壳材料
其它陶瓷基板材料 滑石和镁橄榄石
用于厚膜电路 低介电常数 低强度 低价
玻璃、石英、蓝宝石
散热
散热通道
引线框架材料
引线框架材料的要求
热匹配 良好的机械性能 导电、导热性能好 使用过程无相变 材料中杂质少 低价 加工特性和二次性能好
引线框架材料
引线框架材料
引线框架材料
铜合金
导电特性好 引入第二相弥散强化，提高强度 常用有Cu-Fe-P，Cu-Cr，Cu-Zn，Cu-Zr等等 机械加工性能好 热膨胀系数与塑料封装匹配
引线键合材料
提高键合可靠性 无论何种键合，键合表面特性是至关重要的。
洁净度（等离子体清洗） 表面粗糙度 表面镀层的厚度
阻挡层的应用
TiW
高质量的键合丝 可靠的键合工艺 等离子体清洗
引线框架材料
引线框架的功能 电连接
对内依靠键合实现芯片与外界的信号连接； 依靠焊点与电路板连接；
机械支撑和保护
对芯片起到支持 与外壳或模塑料实现保护
模塑料
模塑料的基本构成
基体（10-30%）（高分子化合物树脂）
环氧树脂 硅酮树脂 1,2-聚丁二烯酯树脂
添加剂（60-90%）
固化剂 催化剂 填充剂（SiO2） 阻燃剂 脱模剂 染色剂
模塑料
主要生产厂家 日本
住友 日东 日立化成
美国
Plaskon Hysol(Cookson)
中国
中科院化学所
模塑料
引线框架材料
引线框架材料
引线框架的质量标准 引线键合区
几何尺寸、表面涂敷、引线扭曲、平整度、共面性
芯片粘接区
几何尺寸、表面涂敷Leabharlann Baidu粗糙度
芯片粘结材料
芯片粘接的基本概念
Chip Attachment/Bonding，通常采用粘接技术实现管芯 （IC Chip）与底座（Chip Carrier）的连接.
Al-OFHC Cu Al-Ag plated LF Al-Ni
>75um Al can be used for power devices.
引线键合材料
“白毛”
Al(OH)3 + Cl- → Al(OH)2 + OHAl+ 4Cl- → Al(Cl)42AlCl4- + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H+ + 8Cl-
异种金属之间的互扩散 不同的扩散速度 温度、结构、……
引线键合材料
引线键合材料
金丝与其他介面的键合 Au-Cu
Cu3Au，AuCu，Au3Cu：200-350°C
Au-Ag
无金属间化合物产生
Au-Au
最好的键合 高温应用
引线键合材料
铝（硅铝）丝键合系统
Pure aluminum is too soft. So alloyed with 1%Si or 1% Mg to provide a solid-solution strengthening mechanism.
模塑料
封装基板与外壳材料
基板材料的性能 电 介电常数、功耗、电阻、…… 热 热导率、热膨胀系数、热稳定性、…… 物理 表面平整度、表面光洁度 化学 化学稳定、低孔隙率、高纯度
封装基板与外壳材料
氧化铝（Al2O3）陶瓷
良好的介电性能、高的机械强度、高热稳定性、高 化学稳定性 应用最广 90-99% Al2O3 性能与Al2O3含量相关 添加剂 （黑色、紫色、棕色）瓷
封装基板与外壳材料
封装基板与外壳材料
金属底座与外壳材料 金属封装的特点是：散热好、气密性好、机械强度 高。 Cu Mo CuW W Steel and Stainless Steel Kovar and 4J50
封装基板与外壳材料
焊接材料
软钎焊（<450°C） Sn-Pb 低温焊料 硬钎焊
封装基板与外壳材料
封装基板与外壳材料
多层陶瓷基板材料
HTCC—High Temperature Co-fired Ceramic
1500°C Mo-Mn or W as the metallization
LTCC—Low Temperature Co-fired Ceramic
850-900°C Ag-Pd, Au, Ag or Cu Higher wiring density
模塑料的类型
普通型 快速固化型 无后固化型 高热导型 低应力型 低辐射型 低膨胀型 低翘曲型
模塑料
普通型模塑料 结晶二氧化硅型
热导率高、线膨胀系数大、成本低 分立器件、LSI
熔融二氧化硅型
线膨胀系数小、热导率低、成本较高 VLSI、大尺寸分立器件
模塑料
低应力型模塑料
固化过程产生的收缩应力 温度变化时的热应力 热应力导致失效:开裂 温度变化时的热应力 弹性模量↓ 线膨胀系数↓ 玻璃化转变温度↓
引线键合材料
金丝键合系统
消费类电子产品中最常用的键合方式 金丝：软 掺杂的金丝 Be，5-10ppm；Cu，30-100ppm
金丝-铝键合区
引线键合材料
Au-Al金属间化合物
300°C以上的使用环境，容易发现“紫斑”； 125°C，可能产生一系列的金属间化合物。
引线键合材料
Kirkendall效应
芯片粘结材料
固化条件 一般固化温度在150°C左右，固化时间约1hr 固化前：“导电胶”不导电 固化后：溶剂挥发、银粉相互紧密接触形成导电链
模塑料
模塑的基本工艺
模塑料通常为热固性塑 料. 热固性：在加热固化后 不会再次受热软化; 热塑性：在加热塑化后 如果再次受热还会再次 软化.
模塑料
焊接材料
焊接材料
焊接材料
焊接材料
焊接材料
任课教师：刘章生
封装中的材料
封装中涉及到的材料
引线材料； 引线框架材料； 芯片粘结材料； 封装基板与外壳材料； 模塑料； 焊接材料；
封装中的材料
封装中的材料
电子封装材料的性能 电特性
绝缘性质、击穿、表面电阻，……
热特性
玻璃化转化温度、热导率、热膨胀系数，……
机械特性
扬氏模量、泊松比、刚度、强度，……
机械强度、化学性能稳定、导电、导热、热匹配、 低固化温度、可操作性
芯片粘结材料
几种基本的芯片键合类型
银浆粘接技术 低熔点玻璃粘接技术 导电胶粘接技术 环氧树脂粘接技术 共晶焊技术
芯片粘结材料
环氧树脂粘接技术
工艺简单、成本低廉 适合于大规模生产，质量上已经接近Au-Si共晶焊水平
分类：
导电、导热胶—“导电胶” 导热、电绝缘胶
化学特性
吸潮、抗腐蚀，……
其它
密度、可焊性、毒性，……
引线键合材料
引线键合常用于芯片与载体（或基板）或引线框架 之间的互连. 常用的引线材料
Au、Al、Cu（包括用于TAB）、AlSi(1%)丝.（需要退火处理）
键合的模式
球焊（金丝）和楔形焊（铝丝） 金丝用于塑料封装，铝丝用于陶瓷和金属封装
引线键合材料
封装基板与外壳材料
其它陶瓷基板材料 氧化铍（BeO） 热导率8倍于氧化铝，用于功率器件; 贵 毒 氮化铝（AlN） 高热导率，用于替代氧化铍; 与Si相近的热膨胀系数; 低价（与氧化铍比较）;
封装基板与外壳材料
其它陶瓷基板材料 滑石和镁橄榄石
用于厚膜电路 低介电常数 低强度 低价
玻璃、石英、蓝宝石
散热
散热通道
引线框架材料
引线框架材料的要求
热匹配 良好的机械性能 导电、导热性能好 使用过程无相变 材料中杂质少 低价 加工特性和二次性能好
引线框架材料
引线框架材料
引线框架材料
铜合金
导电特性好 引入第二相弥散强化，提高强度 常用有Cu-Fe-P，Cu-Cr，Cu-Zn，Cu-Zr等等 机械加工性能好 热膨胀系数与塑料封装匹配
引线键合材料
提高键合可靠性 无论何种键合，键合表面特性是至关重要的。
洁净度（等离子体清洗） 表面粗糙度 表面镀层的厚度
阻挡层的应用
TiW
高质量的键合丝 可靠的键合工艺 等离子体清洗
引线框架材料
引线框架的功能 电连接
对内依靠键合实现芯片与外界的信号连接； 依靠焊点与电路板连接；
机械支撑和保护
对芯片起到支持 与外壳或模塑料实现保护
模塑料
模塑料的基本构成
基体（10-30%）（高分子化合物树脂）
环氧树脂 硅酮树脂 1,2-聚丁二烯酯树脂
添加剂（60-90%）
固化剂 催化剂 填充剂（SiO2） 阻燃剂 脱模剂 染色剂
模塑料
主要生产厂家 日本
住友 日东 日立化成
美国
Plaskon Hysol(Cookson)
中国
中科院化学所
模塑料
引线框架材料
引线框架材料
引线框架的质量标准 引线键合区
几何尺寸、表面涂敷、引线扭曲、平整度、共面性
芯片粘接区
几何尺寸、表面涂敷Leabharlann Baidu粗糙度
芯片粘结材料
芯片粘接的基本概念
Chip Attachment/Bonding，通常采用粘接技术实现管芯 （IC Chip）与底座（Chip Carrier）的连接.
Al-OFHC Cu Al-Ag plated LF Al-Ni
>75um Al can be used for power devices.
引线键合材料
“白毛”
Al(OH)3 + Cl- → Al(OH)2 + OHAl+ 4Cl- → Al(Cl)42AlCl4- + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H+ + 8Cl-
异种金属之间的互扩散 不同的扩散速度 温度、结构、……
引线键合材料
引线键合材料
金丝与其他介面的键合 Au-Cu
Cu3Au，AuCu，Au3Cu：200-350°C
Au-Ag
无金属间化合物产生
Au-Au
最好的键合 高温应用
引线键合材料
铝（硅铝）丝键合系统
Pure aluminum is too soft. So alloyed with 1%Si or 1% Mg to provide a solid-solution strengthening mechanism.
模塑料
封装基板与外壳材料
基板材料的性能 电 介电常数、功耗、电阻、…… 热 热导率、热膨胀系数、热稳定性、…… 物理 表面平整度、表面光洁度 化学 化学稳定、低孔隙率、高纯度
封装基板与外壳材料
氧化铝（Al2O3）陶瓷
良好的介电性能、高的机械强度、高热稳定性、高 化学稳定性 应用最广 90-99% Al2O3 性能与Al2O3含量相关 添加剂 （黑色、紫色、棕色）瓷
封装基板与外壳材料
封装基板与外壳材料
金属底座与外壳材料 金属封装的特点是：散热好、气密性好、机械强度 高。 Cu Mo CuW W Steel and Stainless Steel Kovar and 4J50
封装基板与外壳材料
焊接材料
软钎焊（<450°C） Sn-Pb 低温焊料 硬钎焊
封装基板与外壳材料
封装基板与外壳材料
多层陶瓷基板材料
HTCC—High Temperature Co-fired Ceramic
1500°C Mo-Mn or W as the metallization
LTCC—Low Temperature Co-fired Ceramic
850-900°C Ag-Pd, Au, Ag or Cu Higher wiring density
模塑料的类型
普通型 快速固化型 无后固化型 高热导型 低应力型 低辐射型 低膨胀型 低翘曲型
模塑料
普通型模塑料 结晶二氧化硅型
热导率高、线膨胀系数大、成本低 分立器件、LSI
熔融二氧化硅型
线膨胀系数小、热导率低、成本较高 VLSI、大尺寸分立器件
模塑料
低应力型模塑料
固化过程产生的收缩应力 温度变化时的热应力 热应力导致失效:开裂 温度变化时的热应力 弹性模量↓ 线膨胀系数↓ 玻璃化转变温度↓
引线键合材料
金丝键合系统
消费类电子产品中最常用的键合方式 金丝：软 掺杂的金丝 Be，5-10ppm；Cu，30-100ppm
金丝-铝键合区
引线键合材料
Au-Al金属间化合物
300°C以上的使用环境，容易发现“紫斑”； 125°C，可能产生一系列的金属间化合物。
引线键合材料
Kirkendall效应
芯片粘结材料
固化条件 一般固化温度在150°C左右，固化时间约1hr 固化前：“导电胶”不导电 固化后：溶剂挥发、银粉相互紧密接触形成导电链
模塑料
模塑的基本工艺
模塑料通常为热固性塑 料. 热固性：在加热固化后 不会再次受热软化; 热塑性：在加热塑化后 如果再次受热还会再次 软化.
模塑料
焊接材料
焊接材料
焊接材料
焊接材料
焊接材料