电子封装材料典型应用.doc

电子封装材料典型应用 电子封装材料是用于承载电子元器件及其互连线，并具有良好电绝缘性能的基本材料，主要起机械支持、密封保护、信号传递、散失电子元件所产生的热量等作用，是高功率集成电路的重要组成部分。因此对于封装材料的性能要求有以下几点：具有良好的化学稳定性，导热性能好，热膨胀系数小，有较好的机械强度，便于加工，价格低廉，便于自动化生产等。然而，由于封装场合的多样化以及其所使用场合的差异性，原始的单一封装材料已经不能满足日益发展的集成电路的需要，进而出现了许多新型的封装材料，其中一些典型材料的种类及应用场合列举如下。1、金属金属材料早已开发成功并用于电子封装中，因其热导率和机械强度高、加工性能好，因此在封装行业得到了广泛的应用。表1为几种传统封装金属材料的一些基本特性。其中铝的热导率高、质量轻、价格低、易加工，是最常用的封装材料。但由于铝的线膨胀系数1与Si的线膨胀系数(1为4110-6/K)和GaAs的线膨胀系数(1为5810-6/K)相差较大，所以，器件工作时热循环所产生的较大热应力经常导致器件失效，铜材也存在类似的问题。Invar(镍铁合金)和Kovar(铁镍钴合金)系列合金具有非常低的线膨胀系数和良好的焊接性，但电阻很大，导热能力较差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W和Mo具有与Si相近的线膨胀系数，且其导热性比Kovar合金好，故常用于半导体Si片的支撑材料。但由于W、Mo与Si的浸润性不好、可焊性差，常需要在表面镀上或涂覆特殊的Ag基合金或Ni，从而增加了工序，使材料可靠性变差，提高了成本，增加了污染。此外，W，Mo，Cu的密度较大，不宜作航空、航天材料；而且w，Mo价格昂贵，生产成本高，不适合大量使用。钨铜、钼铜合金电子封装中经常使用的材料，也称为热沉材料，钨铜合金既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨铜的成分而加以改变，因而给钨铜提供了更广的应用范围。由于钨铜材料具有很高的耐热性和良好的导热导电性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，故在半导体材料中得到广泛的应用。用于封装热沉的钨铜材料的主要性能 材料 热导率 热膨胀系数 密度 W/(mk) ppm/C g/cm3W90Cu10 180190 6.5 17.0W85Cu15 190200 7.0 16.3W80Cu20 200210 8.3 15.6W75Cu25 220230 9.0 14.9钼铜材料的主要性能 W/(mk) ppm/C g/cm3Mo50Cu50 230-270 11.5 9.54Mo60Cu 210-250 10.3 9.66Mo70Cu 170-200 9.1 9.80CuMoCu 1:1:1 250 8.8 9.32CuMoCu 1:2:1 210 7.8 9.54CuMoCu 1:3:1 190 6.8 9.66CuMoCu 1:4:1 180 6.0 9.75CuMoCu 13:74:13 170 5.6 9.88金属材料由于密度较大，但是却有很高的导热系数。因此适用于大功率器件的封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等。2、陶瓷SMD(表面贴装器件)陶瓷封装基座，广泛用于石英晶体振荡器和石英晶体谐振器的陶瓷封装基座。半导体陶瓷封装形式是一种比较特殊的封装形式，可以直接应用于大功率工作环境中。这种形式的封装优点是： 1)、耐湿性好，不易产生微裂现象； 2)、热冲击实验和温度循环实验后不产生损伤，机械强度高； 3)、热膨胀系数小，热导率高； 4)、绝缘性和气密性好，芯片和电路不受周围环境影响，更重要的是其气密性能满足高密封的高要求； 5)、避光性好，能有效的遮蔽可见光及极好的反射红外线，还能满足光学相关产品的低反射要求。Al2O3陶瓷是电子封装中常用的一种基片材料，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，线膨胀系数与电子元器件非常相近，化学性能非常稳定且热导率高。同时Al2O3陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料，以其价格低廉、耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和加工技术成熟而被广泛应用，占整个陶瓷基片使用行业的90%。但是由于Al2O3陶瓷热导率相对较低，因而不能在大功率集成电路中大量使用。下面是Al2O3陶瓷的部分性能指标。 不同纯度下Al2O3陶瓷的部分性能指标项目测试条件材料牌号A-7575%AL2O3瓷A-9090%AL2O3瓷A-9595%AL2O3瓷A-9999%AL2O3瓷A-99.5透明瓷体积密度3.23.403.603.703.75抗折强度20002300280030003000线膨胀系数20-1006-20-500-6.3-7.36.5-7.56.5-7.56.5-7.320-800-6.3-7.36.5-86.5-86.5-8导热系数-介电常数1 MHz 2099-109-109-10.59-10.5500-9-10-10GHz 20-9-109-109-10.5-10GHz 20-106-体积电阻率10010121013101310131014AlN陶瓷基片是一种新型的基片材料，具有优异的电性能和热性能，被认为是最具发展前途的高导热陶瓷基片AlN陶瓷基片具有比Al2O3更高的热导率和与Si材料更匹配的线膨胀系数，且介电常数低，适用于高功率、多引线和大尺寸芯片；由于AlN材质坚硬，在严酷环境下仍能照常工作，因此，用AlN可以制成很薄的衬底，以满足不同封装基片应用需要。但是，AlN陶瓷的制备工艺复杂、成本高，故至今未能进行大规模的生产和应用。目前已开发出FPl6和LCC64的多层陶瓷封装产品，高温共烧多层陶瓷基片的性能指标为：热导率150200 w(mK)；抗弯强度300 MPa；层数710；方阻50 m口；翘曲度40m50 mm3、塑料材料塑料基封装材料成本低、工艺简单，在电子封装材料中用量最大、发展最快。它是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的一类重要封装材料。塑料基封装材料曾经存在致密性不够、离子含量高、耐温性不够等可靠性问题，随原料性能的提高和配方的完善，这些问题被逐渐解决。理想的塑料基封装材料应具有以下性能：1)材料纯度高，离子型杂质极少；2)与器件及引线框架的粘附性好；3)吸水性、透湿率低；4)内部应力和成形收缩率小；5)热膨胀系数小，热导率高；6)成形、硬化快，脱模性好；7)流动性、充填性好，飞边少；8)阻燃性好。塑料基封装材料多为热固性塑料，主要包括环氧类、酚醛类、聚酯类和有机硅类(硅酮塑料)。常见的有环氧模塑料、硅橡胶和聚酰亚胺等环氧模塑料(EMC)是由酚醛环氧树脂、苯酚树脂和填料(SiO2)、脱模剂、固化剂、染料等组成，具有优良的粘结性、优异的电绝缘性、强度高、耐热性和耐化学腐蚀性好、吸水率低、成型工艺性好等特点，以EMC为主的塑料封装占到封装行业的90以上，经常被用作各种芯片的封装材料。据报道，将负热膨胀材料ZrW2O8粉体按一定比例与E一5l环氧树脂混合，通过超声波处理，可以使ZrW2O8粉体均匀分散在环氧树脂基体中。随着ZrW2O8质量分数增加，封装材料的热膨胀系数降低，玻璃化温度升高，拉伸、弯曲强度提高。Rim-dusit等研发了三元氧氮杂萘、环氧树脂、酚醛树脂低黏度聚合物封装材料，具有较好的可靠性和加工性，玻璃化转变温度为170，350时热质量损失5，氧氮杂萘提高了三元系统的热稳定性和力学性能。硅橡胶具有较好的耐热老化、耐紫外线老化、绝缘性能，主要应用在半导体芯片涂层和LED封装胶上。据报道，将复合硅树脂和有机硅油混合，在催化剂条件下发生加成反应，得到无色透明的有机硅封装材料，可用于大功率白光LED上，透光率达到98，白光LED的光通量可达42.65 lm，取得了较好的应用效果。环氧树脂作为透镜材料时，耐老化性能明显不足，与内封装材料界面不相容，使LED的寿命急剧降低。硅橡胶则表现出与内封装材料良好的界面相容性和耐老化性能。目前，高折光指数的硅橡胶材料已成为国外生产有机硅产品的大公司的研发和销售热点。聚酰亚胺可耐350450的高温、绝缘性好、介电性能优良、抗有机溶剂和潮气的浸湿等优点，在半导体及微电子工业上得到了广泛的应用聚酰亚胺主要用于芯片的钝化层、应力缓冲和保护涂层、层间介电材料、液晶取向膜等，特别用于柔性线路板的基材。通过分子设计可以进行材料改性，如提高粘附性，可以引入羟基或环氧基团提高柔韧性、降低固化应力，可以引入硅氧键等。4、复合材料作为导热性电子材料，金属材料能满足导热性要求，但它的导电性限制了它的使用范围；无机非金属晶体同时具有优良的导热性和绝缘性，是理想的导热性电子材料，但制备困难，成本高；聚合物成型方便，易于生产，介电性好，但导热差。复合材料是由两种或两种以上的物理或者化学性质不同的物质组合而得到的一种热固性材料。因为复合效应，复合材料的性能会比它的组成物质更好，或者具有原来组成物所没有的性能。复合材料固化组合后不仅封装材料的导热系数提高了，热膨胀系数也显著降低，抗弯曲、抗脱层性能也提高了。参考文献：1万群，钟俊辉电子信息材料