电子封装材料与工艺.ppt

电子封装材料与工艺ElectronicPackagingMaterials等离子体增强CVD（PECVD）.,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.6金属化在芯片表面上电路元器件部件与键合焊盘之间沉积导电材料，形成互连引线，称为金属化工艺。铝、铝合金、铂、钛、钨、钼、金可用于金属化工艺。铝是最常用的金属化材料，与Si和SiO2可以很好的粘附（低接触电阻），容易真空沉积（沸点低），导电率高，容易通过光刻工艺布图。真空沉积和溅射是沉积铝金属化层的方法。问题：Al-Si共晶合金。解决办法：TiW阻挡层；将1的Si加入Al中。,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.7钝化在芯片金属化后，为防止铝互连电路受到水汽和污染的侵蚀，通过气相沉积在芯片电路上形成二氧化硅或氮化硅绝缘层或钝化层。,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.8背面研磨覆盖钝化层后，芯片需要减薄满足封装高度要求，晶圆片进行背面研磨,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.9背面金属化芯片背面要有一层金膜，通过真空蒸发或溅射沉积，使芯片背面与芯片粘接区电接触。,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.10电性能测试按照预先确定的规范对芯片进行电性能测试。,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.11管芯分割芯片采用两种方法分割厚度小于0.25mm的芯片，采用金刚石刀具在晶圆片上划出细的切割线，再用剥离胶带使晶圆片断裂；厚度大于0.25mm的芯片，采用剥离胶带和金刚石圆锯切割。,第1章集成电路芯片的发展和制造,1.4集成电路（IC）芯片的制造1.4.12p-n-p双极晶体管的典型结构,第2章金属,2.1金属和合金的选择选择金属材料时，要针对电子电气工业中的要求进行权衡。判据：物理性能；力学性能；可制造性；经济性；,第2章金属,2.2金属和合金产品的形式铸造金属产品加工金属产品铸造金属形式是通过把熔融的金属浇入需要的形状的模具内形成，没有金属变形发生。金属的性能取决于：铸造工艺（砂模铸造、熔模铸造、压铸）；铸件致密性；化学成分；热处理。,第2章金属,2.2金属和合金产品的形式铸造金属产品的重要性能致密度孔隙度和非金属缺陷少；力学性能；晶粒尺寸冷却速度快则晶粒尺寸小，强度大；金属形状薄壁小铸件比致密度相同的厚壁大铸件强度高；铸型材料；铸造技术和工艺特殊铸造工艺的使用，如半固态金属加工技术、金属注射成形技术制造Al/SiC和W/Cu,第2章金属,2.2金属和合金产品的形式压力加工金属产品的重要性能加工的形式轧制、挤压、拉拔、锻造组织结构晶粒尺寸、晶体取向、致密度、夹杂物尺寸形状、相变形条件温度（冷、热加工）强化加工硬化、沉淀强化、相变硬化,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.1力学性能常规力学性能室温屈服强度、抗拉强度和延伸率交变载荷（疲劳）允许的应力远远低于材料的抗拉强度，金属将在低于屈服强度和极限抗拉强度的应力水平下失效。持续载荷长时间持续载荷导致低于屈服强度的蠕变和断裂发生，在高温下和室温下都有发生。温度影响强度随温度升高而降低。,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.2物理性能冷加工导致电导率降低；热处理对合金元素和相结构及分布有不同影响温度物理性能随温度变化逐渐变化。,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.3制造可行性可成形性深拉可机械加工性连接螺栓连接、铆接、焊接、硬钎焊、软钎焊可焊接性焊接开裂、焊缝耐蚀性、焊接接头脆性硬钎焊考虑后续热处理软钎焊,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.4性能比较屈服强度零件可承受的最大应力。,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.4性能比较弹性模量表征了零件的刚度比刚度Ti/Mg/Al，铍的比刚度是常用结构材料的612倍。,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.4性能比较比强度,第2章金属,2.3金属和合金产品的性能2.3.4性能比较热导率：Ag/Cu/Au/Al具有高热导率，合金化会降低热导率。,第2章金属,2.4铁基合金2.4.1铁基合金概述铁元素含量大于或等于50的合金被称为铁基合金。也包含铁含量低于50但其性能要求和铁系合金很相似的合金。分类：,结构用钢,碳素钢,合金钢,高强度低合金钢,超高强钢,轧制热处理钢,特殊用钢,第2章金属,2.4铁基合金2.4.2常用铁基合金碳素钢和合金钢1xxx属于C为主要合金元素的钢；2xxx属于Ni为主要合金元素的钢；不锈钢和特殊钢含有至少11左右Cr的铁基合金；磁钢高磁导率合金、永磁合金、不锈钢、温度补偿合金,第2章金属,2.4铁基合金2.4.3铁基合金磁学性能高磁导率合金（软磁合金）在合金内磁流密度变化引起的磁滞损失小，在强磁场作用后剩磁低，在高度磁化后并不保留明显的永久性磁性。Ni-Fe合金（3080Ni,其余Fe）80Ni-4Mo-Fe合金、77Ni-1.5Cr-5Cu-Fe合金、49Ni-Fe合金硅铁合金（硅钢片）钴铁合金永磁合金（硬磁材料）温度补偿合金,第2章金属,2.4铁基合金2.4.4铁基合金热膨胀性能合金的热膨胀性能一般用材料的温度变化引起单位长度的变化来表示；Invar合金（36Ni-Fe）是所有金属（合金）中热膨胀系数最小的。玻璃金属封接合金：金属和玻璃之间的真空气密结合。,第2章金属,2.4铁基合金2.4.5铁基合金加工性能深拉焊接光化学加工陶瓷金属封接合金弹性合金的不变模量,第2章金属,2.4铁基合金2.4.6铁基合金电阻性能大多数合金的电阻率是随温度的升高而增大的。,第2章金属,2.5铝和铝合金2.5.1铝合金的一般性能铝的电学性能（纯铜的62）；铝的热导率高；铝的密度小；铝的比强度高；铝的耐蚀性高；铝的可获得性；铝的机加工；铝的连接。,第2章金属,2.5铝和铝合金2.5.2铝合金砂模铸造、压铸、熔模铸造、金属型铸造、石膏模铸造电子封装中使用的铸造铝合金通用铝合金A356；可钎焊铝合金A612；低热膨胀铝合金高Si（1820）；高强度铝合金A220。,第2章金属,2.6铍和铍合金2.6.1铍合金的一般性能铍具有综合的物理和力学性能，可作为满足热性能和电性能要求的电子封装材料。铍具有高的热导率，高的热容，是天然的轻质热沉材料。Be,BeO；AlBeMet铍铝合金（62Be）铍易被氯化物腐蚀，可采用阳极氧化涂层提高耐蚀性。毒性BeO粉尘对身体有害Be的耐磨性好，工具磨损厉害。,第2章金属,2.7铜和铜合金2.7.1铜合金的一般性能除银之外，铜具有最高的电导率；铜的成形性非常好，制造性好；铜的可焊性好；铜的表面可进行电镀精饰；铜可以加工成各种大小和形状的产品；铜的热导率高，可以作为热沉材料使用；铜和铜合金成本相对较低；,第2章金属,2.7铜和铜合金2.7.2高导电率铜合金工业纯铜退火状态下，100IACS(国际退火铜标准)370产生氢脆，金属内的氧与氢气结合，不适合于钎焊场合，P脱氧Cu可制备无氧铜。含银铜铜中加入少量银的高导铜。100电导率，具有耐蠕变能力和高温抗软化能力，可在343进行充分退火。铜锆合金0.15%Zr，改善高温性能，稍微降低电导率；铜碲合金90IACS，力学性能大幅度提高；铜硫合金96IACS，力学性能大幅度提高。,第2章金属,2.7铜和铜合金2.7.3黄铜（Cu-Zn合金）随锌含量增加（30），抗拉强度增加；随锌含量增加，电导率增加，热导率降低；随锌含量增加，韧性增加；加入铅改善机加工性能，0.5%4.5%。,第2章金属,2.7铜和铜合金2.7.4磷青铜（Cu-111Sn0.04%0.35%P合金）弹簧用2.7.5铍铜综合高强度和高电导率（1380MPa）,第2章金属,2.8镁和镁合金是目前可用的金属结构材料中密度最小的。可获得铸件、片材、板材、棒材、锻件、型材。镁合金铸件镁合金成形难成形著称连接铆接、熔焊、硬钎焊,第2章金属,2.9镍和镍合金高强度、高耐蚀性和高韧性电导率高磁致伸缩性能Ni-Cu(Monel合金)弹簧材料使用各种形式（薄片到细丝）加工性好加工、连接、硬钎焊合金化具备不同磁性能和电性能不同力学性能,第2章金属,2.10钛和钛合金极好的耐蚀性，适中的密度和良好的强度；可在315下使用，超过其它金属；电导率和热导率低；Ti（HCP)、Ti(BCC)、Ti型钛合金。高的力学性能（室温1034MPa)耐蚀性使用在化工领域加工形式片材、板材、棒材、锻件、型材连接钨基惰性气体保护电弧焊,第2章金属,2.11高密度金属铅、钨、贫化铀铅和铅合金（11.35）配重首选材料烧结钨（17）贫化铀（18.5）,第2章金属,2.12难熔金属钨、钼、钽、铌极好的耐酸性1000高温下使用钨、钼热膨胀率低，可以与玻璃和陶瓷一起使用,第2章金属,2.13贵金属相当普遍的使用的电子设备上，用作表面材料抗干扰电学性能和光学性能，使用金、铑、铂银是金属中电导率和热导率最高的金属，作为各种引线和电触电上的镀层；金用来防止腐蚀，并提供低的电接触表面；铑具有很高的反射率，低的表面电阻、高的硬度和耐腐蚀性，适合作为电接触表面和反射镜面。,第3章软钎焊材料和技术,3.1电子封装和组装简介钎料是所有三极连接（芯片、封装和板级组装）和互连材料。锡/铅钎料作为表面涂层用于元器件引线和表面镀层。实现金属表面的电、热和机械连接表面组装技术可开发更高级的电路板组件，在金属化的基板上将片式电阻、电容和半导体裸芯片互连，所有的元件和器件放置在印刷电路板表面上进行板级组装而不是插入电路板。,第3章软钎焊材料和技术,3.1电子封装和组装简介表面组装的优点：提高了电路密度；缩小了元器件的尺寸；缩小了电路板的尺寸；减轻了质量；缩短了引线；改善了电性能；适应自动化生产；降低了大规模生产的成本,第3章软钎焊材料和技术,3.2软钎料合金液相线温度低于400的可熔融合金。软钎料合金常用的元素：锡、铅、银、铋、铟、锑、镉SnPbAgBiInSbCd232328961271.5156.6630.5321.2软钎料合金可提供的形式：棒、锭、丝、粉末、成形片、焊球、焊柱、焊膏选择原则合金熔化温度、合金力学性能、冶金相容性、环境相容性、特定基板上润湿能力、成分共晶还是非共晶,第3章软钎焊材料和技术,3.2软钎料合金Sn-Pb钎料合金成分和熔化范围70Sn/30Pb183-19363Sn/37Pb183-183等共28种软钎料粉化学还原法、电解沉积法、固体颗粒机械加工法、液相合金雾化法力学性能应力/应变行为、抗蠕变性能、抗疲劳性能软钎料在电子封装中经历低周疲劳（低于10000次）,第3章软钎焊材料和技术,3.3焊膏由钎料合金粉末、钎剂和载体的均匀、动态稳定的混合物，在一系列软钎焊条件下形成冶金结合并适应自动化生产得到可靠和一致性的焊点。钎剂用来清洁合金粉末和待焊基底，来得到高可靠的金属连续性和形成良好的润湿性；载体是承载合金粉末，获得需要的流变性物理形貌、稳定性和保存期、黏度、冷塌度、通过细针头的可滴涂性、粘附时间、曝露寿命、质量和一致性、与待焊表面相容性、熔融前的流动性、润湿性、焊珠、毛细现象、残留物的可清洁性、焊点外观、焊点孔洞,第3章软钎焊材料和技术,3.4钎剂和助焊确保待焊表面的“清洁”必须在软钎焊过程中一直保持，这种清洁过程称为助焊，使用的材料称为钎剂或助焊剂。松香基钎剂、水溶性钎剂和免清洗钎剂钎剂可以配入焊膏或焊丝中，也可以作为独立的化学物质直接施加在元件和焊膏上。,第3章软钎焊材料和技术,3.5软钎焊方法工业使用的方法：传导、红外、汽相、热气体、对流、感应、电阻、激光等。局部加热：激光；温度均匀：汽相；品种、产量和经济性：对流、红外混合电路组件：传导,第3章软钎焊材料和技术,3.6无铅钎料美国立法对铅钎料进行限制，低于0.1%；日本2003年完全停止使用无铅钎料；欧洲RoHS指令禁止使用铅、汞、镉、六价铬设计原则：以Sn为基础，合金元素有与Sn形成合金的能力；与Sn合金化时，降低合金熔点,第3章软钎焊材料和技术,3.6无铅钎料合金体系的选择：Sn/Ag/BiSn/Ag/CuSn/Ag/Cu/BiSn/Ag/Bi/InSn/Ag/Cu/InSn/Cu/In/Ga,第3章软钎焊材料和技术,3.6无铅钎料合金成分的选择Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu/4.08.0InSn-3.03.5Ag/1.03.0Bi/0.50.7CuSn-3.33.5Ag/1.03.0Bi/1.74.0InSn-0.50.7Cu/5.06.0In/0.40.6GaSn-3.03.5Ag/0.51.5CuSn-3.03.5Ag/1.04.8Bi99.3Sn/0.7Cu96.5Sn/3.5Ag,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,混合微电子电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板。在基板上，通过膜技术制作金属化图形形成安装焊盘和电路布线，并用来键合和互连必要的有源器件和无源器件。多芯片模块采用了更广泛的基板材料和金属化工艺，从而得到更高的封装密度。,聚合物金属陶瓷,溅射蒸发,钎焊电镀铜,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.1混合电路用陶瓷基板基板是一个电路的基础，起着元器件安装平台的作用，必须与基板金属化工艺以及元器件与金属化布线附接工艺兼容。基板的性能要求：高电阻率。基板必须具有很高的电阻率隔离相邻的电路；高热导率。使正常工作的电子元器件产生的热传导出去；耐高温。基板金属化和元器件组装在高温下进行；耐化学腐蚀。抵抗熔剂、焊剂的侵蚀；成本。成本与最终产品成本相适应。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.1混合电路用陶瓷基板陶瓷本质是带有非常少自由电子的晶体，具有很高的电阻，热学和化学性能稳定，并具有很高的熔点，非常适用很多微电子系统。陶瓷常与金属结合在一起形成复合材料用于热管理。金属陶瓷（cermet）复合材料具有低的热膨胀系数和比陶瓷更高的热导率，韧性更好，更抗应力。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.2陶瓷的热性能熔点SiC:2700;BeO:2570;BN:2732;Al2O3:2000;AlN:2232,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.2陶瓷的热性能热导率材料载热能力的度量q=-kdT/dxk热导率W/(mK);q热流量W/m2;dT/dx稳态温度梯度；比热容每克物质每升高1K所需要的热量c=dQ/dT,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.2陶瓷的热性能热膨胀系数（TCE)温度增加原子间距部对称引起的。金属和陶瓷在有意义的范围内显示一种线性的各向同性关系。=L(T2)-L(T1)/L(T1)(T2-T1)ppm/K-1,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.3陶瓷基板的力学性能,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.3陶瓷基板的力学性能硬度努氏（Knoop）硬度金刚石：HK7000;BeO:HK1200;Al2O3:HK2100;BN:HK5000;AlN:HK1200;SiC:HK2500,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.3陶瓷基板的电学性能电阻率（倒数电导率）陶瓷基板电导率很低，由于存在杂质和晶体缺陷不同，电导率的变化很大；击穿电压陶瓷在正常情况下是好的绝缘体，但是在施加高的电位时，可产生足够的能量将电子从轨道中激发出去，同时又把其他电子从轨道中激发，产生雪崩效应，陶瓷的绝缘性被破坏，电流可以流动。局部功率耗散或环境温度高，陶瓷表面润湿的高湿度条件下，伴有表面污染时，击穿电压比本征值低很多。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料氧化铝目前电子工业最常用的基板材料，在力、热、电性能上具有综合性能好的特点。原料丰富，价格低，适合用于不同形状。密排六方刚玉结构，在1925还原气氛中稳定。高温共烧陶瓷用W,Mo/Mn作为导体在1600烧结层压；低温共烧陶瓷用Au,Pa/Ag作为导体在850烧结层压；,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料氧化铍具有极高的热导率，比金属铝还高，热导率在300以上迅速降低，适用较低温度热沉；密排立方闪锌矿结构，在干燥气氛2050稳定。在1100水解，在高温下和石墨反应生成碳化铍；BeO通过键合铜的工艺实现金属化。可以加工成任何形状，但粉尘有毒。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料氮化铝把AlN粉末合助烧剂CaO，Y2O3以及有机粘接剂混合，流延成需要的形状，然后致密化烧结，必须在干燥的还原气氛下烧结。高的热导率，并且与硅的TCE匹配采用铜金属化工艺。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料金刚石采用化学气相沉积（CVD）生长。直接作为涂层沉积在难熔金属、氧化物、氮化物上，具有非常高的热导率，主要用于功率器件的封装。但其比热容较低，作为散热片与热沉材料一起工作效果较好。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料氮化硼具有明显的各向异性，在热压的BN法线方向热导率很高，TCE很低，可作为基板材料使用。目前无法实现金属化。,第4章微电路与多芯片模块的材料与工艺,4.4典型陶瓷基板材料碳化硅可以采用热压、干压、等静压、CVD、流延法制备基片材料。属于半导体，具有极高的热导率合很低的TCE，与硅的匹配好，比BeO合AlN便宜。,第