（材料学专业论文）复杂形状sicpal复合材料的热处理与性能.pdf

摘要 随着大规模集成电路的发展，对电子封装技术提出越来越高的要求，丌发高 性能的电子封装材料就成为当务之急。s i c p a i 复合材料具有高导热、低膨胀、 低密度、高【e 刚度、高比强度等特点，存近年来受到越来越多的重视。 本义在制备复杂形状s i c p a i 复合材料的基础上，研究了热处理工艺和致密 度对s i c p a i 材料机械和物理忭能的影响。采用热址铸制备了形状复杂的预制体。 将石蜡、丙三醇( 甘油) 和硬脂酸按一定比例混合后，与s i c 粉末按l ：6 的比 例混合，在模具中热压铸成形，制备出选用5 p m 和4 5 p r o 两种s i c 粉末按l ：3 比例混合制成的体积分数为6 7 5 的预制体。预制体的脱蜡和烧结必须遵守一定 的规范，升温速度过快会导致预制体玎裂：升温速度过慢，会降低生产效率。 致密度和热处理对采用无压浸渗制备的岛体积分数形状复杂的s i c p a l 复 合材料的机械件能影响很大。致密度从9 5 5 增加到9 8 7 时，抗弯弹付模髓从 1 0 9 g p a 增加到1 3 6 6 p a 左右，随后不冉增加，说明当敛密度增加到一定值时，孔 涮对载荷从铝皋体到s i p 颗粒的传递的阻碍作用已皋本不起作用。敛密度增加到 9 8 5 以e 时，抗弯强度不冉随之增加。说明孔洞对有效承载面积影响很小，因 f f i j 抗弯强度变化不大。热处理对s i c p a 1 复合材料的抗弯井性模量影响不大，这 主要是冈为押性模量对材料的微观组织部不敏感。但热处理对s i c p a i 复合材料 的抗弯强度影响较大，t 6 态) 原始态) 时效态) 退火态。 任相同体积分数下，致密度和热处理对商体积分数s i c p a 1 复合材料的物坪 性能何币要的影响。致密度对s i c p a 1 复合材料的热膨胀系数的影响很大。致密 度越高，即孑l 隙串越低，热膨胀系数越大。这是因为在微孔周围存存的压应力引 起微孔的体积收缩，导致了复合材料的热膨胀系数减小。随着致密度的增加，孔 隙串的减小，电导率逐渐增大。这是因为孔洞的减少，材料的有效导电面积增大， 同时，电流流经的路线减短，从而导致电导率的增加。热处砰1 二艺力法的不同列 复合利料的热膨胀系数的影响不一样，在室温刽4 0 0 。c 的温度范围内，t 6 态 a s a g e d a s a n n e a l e d l i k e w i s e ，d e n s i f i c a t i o na n dh e a tt r e a t m e n th a v eg r e a te f f e c t so nt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so fs i c p a ic o m p o s i t e s w h e nt h ed e n s i f i c a t i o ni sh i g h e r , t h ec t e o ft h e c o m p o s i t ei sh i g h e ra l s o t h i si sb e c a u s et h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e s sa r o u n dt h eh o l e s i i i c a u s e st h es h r i n k a g eo ft h eh o l ea n dt h er e s u l ti st h a tt h ec t eo ft h es i c ：p a i c o m p o s i t ed e c r e a s e s a tt h es a m et i m e ，w h e nt h ed e n s i f i c a t i o ni sh i g h e r , e l e c t r i c c o n d u c t i v i t yi sh i g h e r , v i c ev e r s e h e a tt r e a t m e n th a sg r e a te f f e c to nt h ec t e so ft h e s i c p a ic o m p o s i t e s t h er e s u l ti s ：t 6 a s - c a s t a s - a g e d ( a s a n n e a l e db e l o w4 0 0 。c t h ed i f f e r e n c eo ft h ec t e so fd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tc a nb ee x p l a i n e db yi n t e r n a l s t r e s s ， k e y w o r d s i c p a ic o m p o s i t e s ；h e a tt r e a t m e n t ；d e n s i f i c a t i o n ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ：p h y s i c a lp r o p e r t i e s 第一章绪论 1 1 引言 自1 9 4 7 年美国贝尔实验宅的科学家发明第一只晶体管起，就同时开创了微 电子封装的历史l ”。1 9 5 8 年科学家研制成功了第一块集成电路( i c ) 之后，半导 体集成技术的发展日新月异，根据摩尔定律i c 芯片的集成度每1 8 2 4 个月增k l 倍，亦即大体每三年就有新一一代i c 产品问世【2 1 经过约5 0 年的发展，i c 由分 立儿器件、中小规模集成电路( s s i 、m s i ) 、大规模集成电路( l c i ) 、超大规模 集成电路( v l s i ) ，发展到巨大规模集成电路( g l s i ) ，各种j 寸装技术也同时存发 展，从最早的8 引脚的双列直插式器件( d i p ) ，迅速发展到现存的具有2 0 0 3 0 0 条脚的矩阵扁平j 寸装器件( q f p ) 以及球栅矩阵( b g a ) 的表面贴装技术。据美国 d a t e q u e s t 公司的项研究表明，2 1 世纪初将出现7 0 0 至8 0 0 条引脚或更多引脚 的新掣封裂兀件【3 】o 电子封装技术正朝着小型化、低重量、低成本和商性能、高 可靠性方向发展，如采川表面贴狄技术( s m t ) ，板上芯片技术( c o b ) 、多芯片组 件( m c m ) 、甲极集成组件( s l i m ) 、三微封装技术等1 2 j o 芯片集成度的迅速增加必然导致其发热碎f 的提高，使得电路的温度不断提 高。同时，各种高密度封装技术更是将多个芯片以更紧密的方式排列在基片i 二， 使得系统单位体积的发热砗= 继续增加。一般而言，在半导体器件中，温度每增加 1 8 。c ，失效的町能性就增加2 3 倍1 4 i 。因此，提高芯片的散热效率，使得电路 徂= 正常温度下工作就显得尤为重要。为解决以上问题，一个重要的于段就是进行 热封装和热设计，但系统的成本和结构却因此而增加。同时，为从根本上改变产 品的性能，全力研究和开发具有高导热及良好综合性能的的新犁复合材料显得尤 为重要。 、 理想的电了封装材料必须只自以p 特征：1 ) 有较高的热导率，能够将芯片 在工作时所产生的热量及时地敏发出去，以免芯片温度过高而失效；2 ) 有低的 热膨胀系数凡与s i 或g a a s 等芯片相匹配，以免热应力而损坏；3 ) 有足够的强 度和| ) 9 0 度，对芯片能够起到支撑和 5 l 护作用：4 ) 成本要尽可能低，而 存某些 场合( 如航空航天方面) 还要求密度尽可能低1 5 1 。传统的电子封装材料很难满 足上述各种性能的要求，1 9 9 2 年4 月存美幽举办的新材料和电子封装专题讨论 会上，一致认为金属基复合材料最重要的发展方向是用作电子封装材料1 6 j 。l 面最 先引起人们的注意并得剑大力发展的是s i c p a l 复合材料1 7 - - i o 】。 1 2 电子封装技术 所谓电子封效是指包括川十连接、互连有源及无源电子器件的各种璺素。这 些要素包括半导体封装、印刷电路板( 钢性、柔性及混合性) ，背板及连接器。 逻辑上讲也包括这些器件在装配、互连及榆测中使用的材料及工艺以及完备的系 统f ，效亡作的环节( 如热管理环节的散热片) 。这当中除了互连以外每个要条过 去的这些午已经历了很大的，叟化。例如半导体封装，在早期i c 封装是各种电f 兀件中最普通的尢器件之一。从2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初开始，半导体集成 度的提高使i c 封装发生变化。变化首先表现在：i 0 引线从沿器件剧围封装移 向封装低部的整衙阵列，这种新的整碡l 阵列封装成为球栅阵列封装( b ( ；a ) ，它有 效地节省j ，板的空间。9 0 年代末由于集成度的扩大及引线数最上升，有某些苛 刻的条件p 对封装提m 了新要求即要求在有助于芯片内电源及接地线靠线方向 能发扦更大作用。随着内芯片饰线引入封装中，未来的i c 封装将更多地与其他 服务的半导体芯片结合起来。 1 2 1 电子封装的作用和地位 一般来讲，电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能，即：为半导体 芯片提供机械支撑和环境保护；接通半导体芯片的电流通路；提供信号的输入和 输 通路；提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。可以说，电子封装商接影响 着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响具可靠性和成本，同时，电 i f 封装剥系统的小型化起着关键作用。因此，集成电路和器件要求电子封装具有 优良的电件能、热性能、机械性能和光学性能，同时必须具有高的可靠性和低的 成木。可以说，无论在军用电了器件中或民用消费类电路中，电了封装具自举足 轻歪的地位，概括起柬即基础地位、先行地位和制约地位。电，封装不仅影响着 信息产业乃至r q 民经济的发展，而且影响着每个家庭的现代化。有资料报道，5 0 匀一| j ，每个家庭约有5 只自源器件，目的已有几百万只晶体管，到本世纪木，每 家将具有1 0 亿只品体管。所以说，电子封装与陶民绎济和家庭生活的芙系将越 来越紧密j 。 1 2 2 电子封装的分级或者层次 2 电子封装一般分为以下四个层次：0 级封装一芯片层次上的互连；一级封装一 芯片( 单芯片或多芯片) 上i 0 与基板的互连：_ 级封装一集成块( 封装体) 连 入p c b 或# 板( c a r d ) 卜；三级封装一电路板或一板连入整机母板卜。图卜1 给 出了电了器件封装的三个级别1 1 。图卜2 是c a r lz w e b e ni 刀给m 的的四个级别。 削i - ! 电，器f 1 封装的= 个级别 f i g l - it h r e e l e v e l s o f e l e c t r o n i cd e v i c e p a c k a g i n g 豳1 2 电j ，器f ，i 封装的网个级别 f i g l 一2f o u rl e v e l so f e l e c t r o n i cd e v i e e p a c k a g i n g 1 2 3 电子封装的研究进展过程及未来的发展趋势 从 5 f 1 - 2 可以看出电子j 寸装的发展是从器件到部件、从部件到系统，由单芯 片器件j 装向多芯片系统组装发展。 根据i c 的发展趋势，冉结合电子整机和系统的高性能化、多功能化、小型 化、使携式、高可靠以及低成本等要求，可以推断微电子封裂的发展趋势。归结 起来，有以下几个方面： ( 1 ) 微电子封装具有的i o 引脚数将增多。 ( 2 ) 微电f 封装应具有更高的电性能和热性能。 ( 3 ) 微电f 封装将更轻、更薄、更小。 ( 4 ) 微电子封装更便于安装、使用和返修。 ( 5 ) 微电f 刻装的j 靠性会更高。 ( 6 ) 微电f 封装的性能价格比会更高，而成本却更低，达到物关价廉l ij 。 1 2 4 我国电子封装的现状 我国的微电子封装经过七五、八五、九五科技攻关，针埘军品和民品廊刖向 研制开发出的批新型的微电子封装结构，如l c c c 、p l c c 、p g a 、o f p 、b c , a 、引 线框架和低i o 引脚数的s o p ，芯片互连有t a b 和f c b 等，其一h1 6 1 3 2 只引 脚的i c c 、4 4 2 5 7 只引脚的p g a 和8 3 2 只引脚的s o p 已基本形成系列，4 4 1 6 0 只引脚的q f p 也有了一些品种，6 8 1 6 0 只引脚的引线框架也已研发出来。 所有这咎，都使我们在科研和生产实践中锻炼、培养、成长了一支已具备独屯设 计、丌发和吸收国外新的电子封装技术能力的科研、生产队伍，也建忘了一批甥 封骨”f 厂和儿个陶瓷、金属外壳厂，人们列微电子封装的认识也有了一定的提高。 近儿年，合资封装企业异军突起，蓬勃发展起来。 但从整体上看，我陶的微电子封装行业还是相当落后。与国际卜相比，我国 仍沿用者陈旧的发备、老的工艺技术、落后的管理模式和予工作坊式的生产方式， 再加卜封装行业钿点分散，封装规模又小，投资又十分紧缺，这就使整个微电 r i n k 的发展十分缓慢。人们长期以来一直重视j i 道的i c 芯片，投资研制、研发 和生产，砌轻视、忽视、舍不得化钱投资后道微电r 封装的传统观念仍然根深蒂 固；就如同一种优良的产品小注意对他的包装一样，使其小能很好地发扦出产品 良好的功能。 由j 对微电f 封装认识的落后，微电子封装技术长期处丁芯片生产的附横位 簧，i f u 没有将它放到独市的应有的地位。所以至今，我国的微电子封裟仍是以 p d i p 和t o 型( 晶体管和发电管) 为土，罕于当前国际上正在飞速发展的b g a 、 c s p 、f c 等各类先进的微电子封装技术，几于还足一片卒自。因此，我同的电子 封装技术应该迎头赶上。 1 3电子封装材料 + 随着l c 技术和封装技术的迅猛发展，对电子封装材料提出越来越苛刻的 要求，锻情况下，应具螽以下要求： 1 ) 与芯片或陶瓷基板枷匹配的低热膨胀系数，减小或避免热应力的产生； 2 ) 非常盘了的导电性，减少传输延迟； 3 ) 非常好的导热性，提供热耗散： 4 4 ) 良好的跚i r f i 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、印刷板的可靠结合、 密封和环境的保护； 7 ) 较低的成术。 当然，小同的部什对其性能的要求也相应有所侧重。例如。在图卜2 所示 一级和二级封装中，导热系数( t c ) 是一个1 f 常重耍的性能指标。高集成度i c 存j - 作中产生的热晕必须及时释放以防在过热的状态下上作，这种过热状态会影 响其寿命和功能。与此同时，我们必须兼顾材料的热膨胀系数( c t e ) ，即所用各 种材料的c t e 以相近为宜且最好与芯片材料保持一致，否则，随工作温度的升高， 将不叮避免地在相邻部件问及焊接接点处产生热应力，结合处将产生蠕变，疲劳 和断裂。对于二级封装迩需要具有良好的刚度和阻尼件能，而且重量必须轻；三 级封装除了需要高导热、低膨胀、低密度外，还需要有好的电磁屏蔽功能；四级 封装重点在于低密度以及良好的抗震件能、岛刚度和好的阻尼件能。 图i - 3 电r 封装的发展过栏 f i g l 一3h i s t o r yo fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ep a c k a g i n g 1 3 1 传统的电子封装材料及其局限性 传统的封装材料包括a 1 、c u 、m o 、w 、钢、可伐合金、以及c u w 和c u m o 5 等等，表1 - 1 列出了一些常用的电子封装利料的性能。 铜和铝的热导率非常高，特别是铜的达剑了4 0 0 w m k 两者都是常片j 的封装 材料。但是，铜的c t e 达到了1 6 5 x l o “k ，铝的达到了2 3 2x1 0 “k 。这与 s i ( 4 1 x l o ) 和6 a a s ( 5 8 x l 旷) 相筹很大，器件工作时的热循环常会产生较大的 热应力，导致失效。铜、铝与芯片、基板严重的热失配给封装的热设计带柬很大 的困难，影响它的广泛使用。 m o 的c t e 为5 3 5x 1 旷k ，与可伐合金和n l , o ，相匹配，热导率苷常高，为 1 3 8w m k ，常用在气密密封的底座和可伐的侧墙焊接在一起，用存很多中、高 功率的金属密封中。m o 作为底座的一个主要缺点存丁1 7 面度较差，另一个缺点 在于它重结品厉的脆件。w 具有与s i 和g a a s 相近的热膨胀系数且导热件很好， 可用于芯片的支挣材料，但由于加t 件、可焊惟较差，常需要在表面镀覆j 他金 属，使工艺变得复杂且可靠件差。w 和m o 的价格较为昂贵，不适合人量使用。 此外密度较人，不适合航卒航天用途。 1 0 弓- 钢的热导率为4 9 8w m k ，大约为可伐合余的三倍，c t e 约为1 2 6x l o k ，与陶瓷和半导体的c t e 失配，可与软玻璃实现压缩封接。不锈钢的热导 率更低，如4 j 1 8 热导率仅为2 6 1w m k 。 町伐合金( f e 一2 9 n i 一1 7 c o ) 的c t e 与s i 、g a a s 以及a 1 20 3 、b e o 、a 1 n 的c t e 较为接近，具有良好的焊接性、加t 性，能与硼硅硬玻璃匹配上寸接，在功率密度 的金属j 寸装中得到最广泛的使用。仍由于其热导率低，电阻率高，密度也较大， 使其广泛应用受到了很大限制。 “ 为丫降低c u 的c t e ，可以将铜与c t e 较小的物质如m o 、w 等复合，得到c u 佃 及c u m o 金属一金属复合材料。这咎材料具有高的导电、导热性能，同时融合m o ， w 的低c t e 、商硬度特性。c u w 及c u m o 的c t e 可以根据组兀相对含量进行调整 ，可以朋作封装底座、热沉，迅可以用作散热片。国内外已广泛生产并川征人功 率微波管、大功率激光一极管和一些大功牢集成电路模块上。由于c u w 及c u m o 之问不相溶或涮湿性极差，存在致密度不高等问题。另一个缺点是密度大，增加 j ，封装霞量。 另外，b e b e o 复合材料性能优异，但是有剧毒，价格昂贵，囚此应用也受到 了限制；a 2 0 3 目前是应用最成熟的陶瓷基片材料，价格低廉，耐热冲击性及电 6 绝缘性比较好，制作和加 技术成熟，因而使用最广泛。但是a 2 0 ，陶瓷热导率很 低，限制了它在大规模集成电路上的应用；a 1 n 陶瓷是一种新兴的封装材料，其 在f j 然界并不存在，必须用人工制备，作为基板材料，它自很多优点如扁的热导 率以及可以与硅芯片相匹配的热膨胀系数，优良的电性能和机械性能，无毒剐作 用，但是a 1 n 陶瓷的制备工艺复杂，成木较高，虽然被认为是很有i j i 途的基板材 料，垒今没有得到大规模的应用。 s i 材料是一一种几乎可以作为所有半导体器纠和集成电路的基板材料，但硅的 抗弯强度比a 2 0 3 低，存沉积厚的介质层和金属化层后产生较大的弯f i j 和翘曲， 另外s i 材料的机械强度低。加上时耍倍加小心。 表1 一l 常用的芯片、荩板材料及金届封皱材料的手盐性能 t a h l e l 一1t h em a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o n v e n t i o n a lc h i pm a t e r i a l s 、b a s ep l a t e m a t e r i a l sa n dm e t a le l e c t r o n i cm a t e r i a l s 乖| 柑 t 轻芝， d s ：( c ) d l d s ：( d ) d l d m d s 2 2 1 双颗粒配比 两种不同尺寸颗粒混合时，小颗粒可以有效地填充到大颗睾上的间隙，从而提 高j ，预制体的体积分数。如下网所示2 2 (