铜基电子封装材料研究进展

1、JournalofLinyiNormalUniversity2008年12月Dec.2008铜基电子封装材料研究进展王常春1，朱世忠2，孟令江3（1.临沂师范学院物理系，山东临沂276005；2.山东医学高等专科学校，山东临沂276002；3.临沂市高新技术开发区罗西街道办事处，山东临沂276014）摘要：介绍了国内外铜基电子封装材料的研究现状及最新发展动态，指出了目前我国新型铜基电子封装材料研究中所存在的问题及进一步完善的措施，预测了电子封装用铜基复合材料的发展趋势和应用前景未来的铜基电子封装材料将朝着高性能、低成本、轻量化和集成化的方向发展关键词：电子封装；铜基复合材料；热导率；热膨胀系数

2、中图分类号：TG148文献标识码：A文章编号：1009-6051(2008)06-0043-050引言随着信息化时代的迅速发展，对现代电子元器件集成度和运行速度的要求越来越高，相应功耗也越来越大，这必然会导致电路发热量的提高，从而使工作温度不断上升14一般来说，在半导体器件中，温度每升高18，失效的可能性就增加23倍5另外，温度分布不均匀也会使电子元器件的噪音大大增加为解决这些问题，开发低成本、低膨胀、高导热、易加工、可靠性高的电子封装材料已成为当务之急6,7传统的电子封装材料（见表18）由于具有一些不可避免的问题，只能部分满足电子封装的发展要求Invar、Kovar的加工性能良好，具有较低的

3、热膨胀系数，但导热性能很差；Mo和W的热膨胀系数较低，导热性能远高于Invar和Kovar，而且强度和硬度很高，所以，Mo和W在电力半导体行业中得到了普遍的应用但是，Mo和W价格昂贵、加工困难、可焊性差、密度大，而且导热性能比纯Cu表1材料SiGaAsAl2O3AlNAlCuMoWKovarInvarW-10vol.%CuMo-10vol.%CuCu/Invar/Cu常用封装材料的性能指标8导热系数/(W·m1·K1)密度/(g·cm3)热膨胀系数(20)/(×106·K1)收稿日期：2008-10-09作者简介：王常春（1974），男，山东沂

4、南人，临沂师范学院副教授，博士研究方向：金属基复合材料44临沂师范学院学报第30卷要低得多，这就阻碍了其进一步应用Cu和Al的导热导电性能很好，可是热膨胀系数过大，容易产生热应力问题金属基复合材料(MMCs)兼备金属易加工、高导热、高导电的性能以及增强体轻质、低膨胀的性能，同时它还具有良好的尺寸稳定性、高的耐磨性和耐腐蚀性及性能的可设计性9,10这一系列优点使它成为替代传统电子封装材料的最佳选择到目前为止，颗粒及纤维增强铝基复合材料已在电子封装材料领域得到了广泛应用，其材料制备及加工工艺已日臻成熟，铝基复合材料产品的使用开发及理论研究也逐渐深入然而，与铝基复合材料相比，有关铜基复合材料的理论研

5、究与开发应用尚不成熟，迫切需要进行更多的探索和研究铜基复合材料具有与铝基复合材料相似的性能，如优良的物理和力学性能以及适中的价格，可以作为导电、导热功能材料用于航空航天、微电子等领域而且由于Cu的热膨胀系数比Al低，但导热率比Al高，因此选用Cu代替Al制备的铜基复合材料将是极具竞争力的候选材料之一目前，高强度导电铜基复合材料在美国、日本、德国等发达国家开发研究异常活跃，并在某些方面取得突破性进展；我国也把目光投向铜基复合材料，并对其物理和力学性能进行了逐步的探索和研究1铜基电子封装材料的研究现状1.1颗粒增强型铜基电子封装材料颗粒增强型铜基复合材料所用的增强相粒子主要有W、Mo、SiCp等低

6、膨胀系数粒子在常规的颗粒增强型结构复合材料中，增强相的体积分数一般都很小，而对于电子封装用颗粒增强铜基复合材料而言，由于Cu本身的热膨胀系数较大，为了能够与Si、GaAs等芯片的基体相匹配，需要加入大量的低膨胀颗粒，才能得到热膨胀系数较低的电子封装材料如在Mo/Cu复合材料中，Mo的质量分数为60%85%，其热膨胀系数在(6.279.0)×106/K，热导率在150220W/(m·K)在Mo/Cu复合材料出现前，人们对W/Cu电子材料的理论研究比较多，建立了各种各样的数学模型预测其热学性能由于航空航天及军事领域对重量的要求，使得人们寻求一种密度更低的材料，Mo/Cu电子材料

7、逐渐得到了人们的重视与W/Cu相比，Mo/Cu的CTE值和TC值相差不大，但密度却比W/Cu低得多，这在航空航天领域有着明显的经济意义与SiCp/Al相比，Mo/Cu复合材料密度较大，但是Mo/Cu复合材料具有一定的微波屏蔽功能，并且强度高、稳定可靠Mo/Cu、W/Cu复合材料也存在着一些缺点：Cu-Mo和Cu-W之间不相溶或润湿性极差，而且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些困难；同时制备的W/Cu及Mo/Cu复合材料气密性不好，致密度较低，影响其封装性能11,12SiCp因其高强度、高模量、低的热膨胀系数和低成本被广泛用作一种颗粒增强体，用于制备颗粒增强铜基复合材料吉元等人8采用热等静

8、压的方法制备了SiCp/Cu复合材料，并指出在SiCp/Cu复合材料中，增强体的体积分数存在一个临界值(50%)当SiC颗粒体积分数低于临界值时，Cu基体中SiC颗粒是孤立分布的，由连续的Cu基体提供一个畅通的导热通道当SiC颗粒体积分数高于临界值后，基体合金被SiC颗粒切断，呈断续状，导致材料的导热率明显降低Shu等人13研究了SiCp/Cu复合材料的热膨胀行为指出，在一定的温度下，复合材料的CTE值随着颗粒尺寸的增加而增大这可能是因为大颗粒较容易在基体中聚集较大的应力，在随后的加热和冷却过程中会释放出来，这样会产生较大的应变，即较大的CTE值钟涛兴等人14也有类似的观点，他们认为，当SiC

9、p体积分数一定时，颗粒的界面面积与应力成反比，颗粒的大小直接影响着应力的大小为了获得较低的热膨胀系数，应选用粒度较小的颗粒作者利用真空热压烧结方法结合化学镀铜工艺制备了SiCp体积分数为30%50%的SiCp/Cu复合材料，但当SiCp体积分数为30%时，SiCp/Cu复合材料的热导率达到236.2W/(m·K)151.2纤维增强型铜基电子封装材料这类复合材料以Cu为基体，增强纤维有B纤维、Al2O3、C纤维，而应用最多的是C纤维，这样为获得高热导率的电子封装材料提供了可能已有学者将金刚石加入铜基体内制成了C/Cu复合材料，第6期王常春，等：铜基电子封装材料研究进展45试验表明金刚石

10、加入的体积分数为55%左右时，复合材料具备很好的热物理性能，在25200时的CTE为(5.486.5)×106K1，热导率也在600W/(m·K)左右该类复合材料的缺点是：由于C纤维具有极大的各向异性，造成了复合材料的各向异性，需要使C纤维网状、螺旋状、倾斜网状排列来解决这一问题，因此制造工艺较难，成本较高，只应用在军工、航空航天等重要领域，难以进行大规模生产161.3铜基平面复合型电子封装材料这类电子封装复合材料的结构是层叠式的，一般分为三层，中间层为低膨胀材料层，两边则为高导电导热的材料层，当然，也有两层或四层复合层板生产工艺一般采用轧制复合或电镀复合再加工制备，这类材

11、料在平面方向有很好的热导率和较低的膨胀系数，并且基本上不存在致密度问题国外对平面复合型电子封装材料的研究进行得较早，20世纪80年代末，美国德州仪器公司在Invar合金板上双面覆纯铜制成了Cu/Invar/Cu复合板(简称CIC)，随后美国AMAX生产出Cu/Mo/Cu(简称CMC)复合材料17与Mo/Cu,W/Cu等粉末冶金方法生产的颗粒增强型电子封装材料相比，轧制复合方法生产平面复合型电子封装材料的效率高、生产成本低，并且可以生产大尺寸的封装材料，因此平面复合型电子封装材料非常有利于电子行业的生产，容易产生“规模效益”国内关于平面复合型电子封装材料方面的研究开展得比较晚，马慧君等人18首先

12、采用电镀法生产出0.15mm的17/66/17的CIC薄材，用于电路印刷板杨扬和李正华等人19试验了爆炸复合法制备CMC电子封装材料的可行性，对爆炸复合CMC封装材料界面的结合机制进行了详细的研究，结果表明，用爆炸复合方法一次性制备Cu/Mo/Cu复合材料是可行的，恰当的工艺参数可制得无显微裂纹的复合材料2新型铜基电子封装材料存在的问题2.1成本目前所采用的能够满足性能要求的大多数封装材料成本都比较高众所周知，在陶瓷封装中，AlN具有优良的物理、机械性能，但价格昂贵、加工工艺复杂，不适合复杂结构件，铜基电子封装材料同样面临如此难题据统计，电子封装的成本几乎己和芯片的成本相当，应用复合材料时，材

13、料成本在总成本中的比例可达到63%20可以考虑从工艺和材料的选择两方面来进行改进2.2性能天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的多种优异性质但天然金刚石或高温高压下合成的金刚石价格昂贵，通过表面工程技术低温低压下化学气相沉积(LPCVD)技术可以降低成本利用46临沂师范学院学报第30卷LPCVD金刚石薄膜技术，可以将薄膜直接沉积在导热性好的铜、复合材料或单晶硅衬底上，甚至可以制成无支承的金刚石薄膜片，然后粘结到所需的铜基片上这样，通过特殊工艺解决了高成本的问题但与此同时，通过LPCVD技术产生的薄膜出现了与铜基体之间的线膨胀系数失配以及薄膜中的结晶和结构缺陷等问题23由此可见，电子封装材料的

14、性能方面还有待于进一步完善3结束语可以预见，随着信息技术继续向微型化、大容量和高可靠性方向发展，对电子封装材料的要求将会更加苛刻总的来说，铜基电子封装材料的发展将会呈现以下几个特征：(1)低密度这是由于便携电子产品的流行，人们对减重问题越来越重视，减重对飞行器也有重要意义，因此，采用具有低膨胀特性而热导率却非常高、密度又小的材料作为增强相，如高模量C纤维、B纤维、石墨、AlN等用这样的材料与Cu制成复合材料，可望在保持低膨胀特性的同时，获得很高的热导率和强度(2)高导热由于多芯片封装技术有可能在未来几年内在封装领域中占据重要地位，而其封装密度将会不断增加，对封装材料的导热性会有更高的要求，因此

15、开发新的高导热、低膨胀的封装材料势在必行，金刚石薄膜包覆铜基片封装材料的市场前景将非常广阔(3)一体化由于电子器件的超薄和超微化，封装材料也必然向更薄、更小的方向发展，为了降低生产成本、提高封装的可靠性，预计封装材料将和基片、芯片等进行整体结合，多组件、多功能、模块化封装将是未来的发展方向，这就要求研究新的制备方法来顺应这一潮流随着电子封装业的蓬勃发展，对封装材料也将提出更高的要求诸如环保问题、二次利用问题以及如何利用合理工艺生产出低成本、高质量的产品问题等等25尽管新型电子封装材料的种类很多，但是笔者相信，由于电子封装用铜基复合材料具有其它材料无可比拟的性能和成本优势，必然具有广阔的应用天地

16、参考文献：1ZwebenC.Metal-MatrixcompositesforelectronicpackagingJ.JOM,1992,44(7):15-23.2ZhangL,QuXH,HeXB,etal.Thermo-physicalandmechanicalpropertiesofhighvolumefractionSiCp-CucompositespreparedbypressurelessinltrationJ.MaterialsScienceandEngineeringA,2008,489A:285-293.第6期王常春，等：铜基电子封装材料研究进展474钟鼓，吴树森，万里.高Si

17、Cp或高Si含量电子封装材料研究进展J.材料导报，2008，22(2)：13-17.5BaeJ-W,KimK,ParkS-W,etal.AdvancedunderllforhighthermalreliabilityJ.JournalofAppliedPolymerScience,2002,83(13):2617-2624.6王志法，刘正春，姜国圣.W-Cu电子封装材料的气密性J.中国有色金属学报，1999，9(2)：324-326.7吉洪亮，堵永国，张为军.W/Cu、Mo/Cu致密化技术J.电工材料，2001，5(3):13-17.8钟涛兴，吉元，李英，等.SiCp/Cu复合材料的热膨胀性和

18、导热性J.北京工业大学学报，1998，16(9)：34-37.9凤仪，应美芳，魏光霞，等.碳纤维不同分布的C/Cu复合材料的热膨胀系数J.金属学报，1994，47(9)：432-434.10牟科强，邝用庚.Mo-Cu材料的性能和应用J.金属功能材料，2002，83(6)：26-29.11姜国圣，王志法，刘正春.高钨钨铜复合材料的研究现状J.稀有金属与硬质合金，1999，21(32)：39-41.12KnyE.Propertiesandapplicationofbinarypseudo-alloyofCuandrefractorymetalsC/Proceedingsofthe12thinter

19、nationalplanseeseminar.Reutte,PlanseeAG,1989.13ShuKM,TuGC.FabricationandcharacterizationofCu-SiCpcompositesforelectricaldischargemachiningapplicationsJ.MaterialsandManufacturingProcesses,2001,16(4):483-502.14钟涛兴，吉元，李英，等.压渗SiCp/Al电子封装复合材料的研究J.铸造技术，1997，(6):42-43.15WangCC,MinGH,KangSB.Fabrication,micr

20、ostructureandpropertiesofSiCp/CuheatsinkmaterialsJ.RareMetals,2006,25:232-236.16崔春翔，赵晓宏，徐华一.碳纤维一铜复合材料研究J.河北工业大学学报，2002,31(6)：43-45.17HuntM.ElectronicpackagingJ.MaterialsEngineering,1991,108(1):24-25.18马慧君，段云雷.高散热复合多层板的研制J.电子工艺技术，1993，14(6)：2-6.19杨扬，李正华，程信林，等.Cu/Mo/Cu爆炸复合界面组织特征J.稀有金属材料与工程，2001，30(5)：339-341.20孙跃军，仲伟深，时海芳，等.金属基复合材料的研究现状与发展J.铸造技术，2004，25(3)