GB-T 48209-2026《半导体器件封装用梯度材料外壳设计要求》

1GB/T48209—2026《半导体器件封装用梯度材料外壳设计要求》1范围本文件规定了半导体器件封装用金属基梯度材料外壳通用设计、材料设计、结构设计、表面处理设计和图纸绘制要求。本文件适用于半导体器件封装用金属基梯度材料外壳(以下简称“外壳”)的设计和制造。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于GB/T1804—2000一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差GB/T3850致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法GB/T4339金属材料热膨胀特征参数的测定GB/T5593电子元器件结构陶瓷材料GB/T5594.1—1985电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法气密性测试方法GB/T9178集成电路术语GB/T12842膜集成电路和混合膜集成电路术语GB/T13298—2015金属显微组织检验方法GB/T16474—2011变形铝及铝合金牌号表示方法GB/T16865变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法GB/T22315金属材料弹性模量和泊松比试验方法GB/T22588闪光法测量热扩散系数或导热系数GB/T34558金属基复合材料术语GB/T41736高体积分数碳化硅颗粒铝基复合材料GB/T43538—2023集成电路金属封装外壳质量技术要求GB/T43765—2024航天功能镀覆层颗粒增强金属基复合材料焊接镀覆层3术语和定义GB/T9178、GB/T12842和GB/T34558界定的以及下列术语适用于本文件。金属基梯度材料metalgradientmaterial将不同的金属或金属基复合材料制成界面连续，成分、性能和功能呈梯度变化的一种非均质材料。梯度材料外壳gradientmaterialpackage由金属基梯度材料所制备的外壳。2注：包括梯度材料外壳主体(3.3)、梯度材料外壳调节体(3梯度材料外壳主体gradientmaterialpackagebody梯度材料外壳中主要起到承载、支撑、密封等功能的部位。梯度材料外壳调节体gradientmaterialpackageregulator梯度材料外壳中调节局部性能和功能的部位。梯度复合区域gradientcompositeregion梯度材料外壳主体和调节体之间的过渡部位。4设计程序在半导体器件封装用梯度材料外壳设计时，按适用产品的实现要求，根据梯度材料外壳不同区域的物理性能来规划材料成分。然后根据梯度材料外壳整体可靠性需求，详细设计梯度材料外壳各区域材料成分。对于预估有可靠性风险的金属基梯度材料布局设计方案，还需要进行仿真分析，评估设计可靠性。具体的设计流程如图1所示。否否图1外壳设计流程5设计要求5.1通用设计能指标及其影响因素见表1。GB/T48209—20263表1外壳性能指标及影响因素外壳结构、材料致密度具体设计时宜优先关注以下内容：a)外壳上调节体种类尽量少，不超过3种；b)外壳具有良好的工艺性，包括可加工性、可密封性、可c)充分考虑外壳的使用性要求，以金属基梯度材料布局简洁为基本原则；d)外壳设计要重视外壳功能标准化拓展，伴随技术发展，外壳的部分或全部可继续被使用；e)外壳制造采用热等静压方法，热等静压压力在120MPa～160MPa范围之内。5.2材料设计5.2.1梯度材料外壳主体材料选择梯度材料外壳宜综合考虑半导体器件封装产品的整体质量、可加工性、环境适应性，与表2中的主体材料特性进行对应，具体选择要求如下：a)主体材料需要满足产品强度(包括抗拉强度和弯曲强度)和刚度需求、整体散热需求、优先选择不加填料可直接熔焊密封的金属材料；b)主体有大范围热膨胀系数匹配时，可选择硅/铝复合材料或碳化硅/铝复合材料，注意硅/铝复合材料塑性较差，作为主体材料时，需要根据使用和生产环境要求评估其可用性，同时硅颗粒的平均尺寸不宜大于30μm,硅颗粒的最大尺寸不超过50μm;c)主体材料尺寸及加工性设计需要满足密封手段和半导体器件返工规定。4GB/T48209—2026表2主体材料特性热导率(室温)抗拉强度(室温)1变形铝合金(3×××系或6×××系)约2.723碳化硅/铝复合材料“4约17约8.35紫铜约400约8.9注：以上数值为参考值，不含特殊情况。碳化硅/铝复合材料的弹性模量为弯曲弹性模量。5.2.2梯度材料外壳调节体材料选择根据外壳局部不同需求，参照表3中梯度材料外壳调节体材料特性，在选择梯度材料外壳调节体材料时有如下规定：a)只有热膨胀系数匹配需求的区域，梯度材料外壳调节体选择相应的硅/铝复合材料；b)既有热膨胀系数匹配需求，又有散热需求的区域，梯度材料外壳调节体选择相应的碳化硅/铝复合材料、金刚石/铝复合材料、金刚石/铜复合材料或者紫铜，热导率按需选表3梯度材料外壳调节体材料特性热膨胀系数(室温)热导率(室温)抗拉强度(室温)1可调控(6.5～18.6)2可调控(6.5～18.6)3可调控(6.5～18.6)4约5约17约5105紫铜约16.5约4006变形铝合金(2×××系、约23碳化硅/铝复合材料和金刚石/铝复合材料的弹性模量为弯曲弹性模量。55.2.3梯度材料外壳主体材料和梯度材料外壳调节体材料的匹配方法梯度材料外壳主体与梯度材料外壳调节体的设计宜考虑梯度材料外壳主体和梯度材料外壳调节体之间的材料属性匹配、一体化制造工艺性、界面密封性、界面结合强度等需求，满足整体可靠性的原则。金属基梯度材料匹配的原则如下。a)对于只有热膨胀系数匹配需求的外壳，梯度材料外壳主体宜选择可直接熔焊密封的铝合金，梯度材料外壳调节体宜选择硅/铝复合材料。b)对于既有热膨胀系数匹配又有散热需求的外壳，梯度材料外壳主体宜选择可直接熔焊密封的铝合金，梯度材料外壳调节体宜选用碳化硅/铝、金刚石/铝、金刚石/铜复合材料或紫铜等高导热材料。c)对于强度要求较高的外壳，其梯度材料外壳主体材料宜选用7×××系铝合金或碳化硅/铝复合材料，密封处材料选择3×××系或6×××系铝合金或硅含量50%及以下的硅/铝复合材料。d)外壳主体为硅/铝合金时，且外壳存在安装法兰部位，则安装法兰部位材料选择如下：1)外壳整体可承受固溶处理，则安装法兰部位可选择可热处理强化的2×××系铝合金、6×××系铝合金或7×××系铝合金；2)外壳整体不能承受固溶处理，则安装法兰部位不应选择热处理强化的5×××系铝合金或碳化硅/铝复合材料。直接接触的两种材料间热膨胀系数差宜小于(12×10-6)/K,具体值需要根据实际使用场景进行仿真或实物验证后确认。5.3结构设计在外壳结构设计时，应综合下因素：b)梯度复合区域尺寸和尺寸公差；c)梯度复合区域位置和位置公差；d)相互接触的异种材料之间的热膨胀系数差；e)局部金属基梯度材料结构形状；f)同一外壳上调节体种类、成分及含量；g)安装孔或安装法兰盘设计要求；h)螺纹孔或通孔设计要求；i)是否增加钢丝螺套(螺纹孔在硅/铝复合材料上);j)与芯片或电路片连接区域设计要求；k)多芯连接器安装部位设计要求；1)熔焊密封处设计要求(有密封要求时);m)外壳变形要求；n)外壳标识要求。5.4表面处理设计外壳表面处理要求如下：a)外壳表面一般采用镀镍、镀镍金或整体镀镍局部镀金工艺；b)外壳的熔焊密封区域表面处理的设计应兼顾不同熔焊方式的要求；c)元器件的粘接、钎焊等装配区域表面设计应与封装对象的物理参数相匹配；GB/T48209—20266应按照GB/T43538—2023中4.2和GB/T43765—2024中第4章的规定执行；e)由于特殊需求，可进行表面镀银，镀银时需考虑工艺过程防护和使用过程中的银氧化与银迁移5.5图纸绘制图纸绘制要求如下：a)尺寸精度要求应符合GB/T1804—2000中第5章的要求；b)金属基梯度材料布局图应至少包含调节体材料形位尺寸与公差、材料成分与牌号，主体材料的牌号与热处理状态如图2所示；c)空间异形部位应以剖视图形式呈现，如图2所示；d)不同材料应使用不同样式的阴影表示；e)外壳设计的整套图纸应至少包括零件图和金属基梯度材料布局图。标引序号说明：3——此4处区域材料为70SiC/A1,贯穿到底部；4——此2处区域材料为50SiC/A1,贯穿到底部：5——此40mm×6.8mm区域材料为50Si/A1,详细尺寸参考剖视图。图2典型金属基梯度材料布局图纸示意图6设计验证6.1验证样件制备验证样件制备要求如下：a)设计验证样品应首先选择在外壳上取样，且符合相关标准测试或试验要求；b)对于外壳上取样无法满足相关标准要求时，可设计制造合理陪样开展验证。6.2验证要素验证要素包括以下6个方面。GB/T48209—20267a)密度：梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域，进行分开验证，按GB/T3850规定的方法分别检验。验证结果应符合表2的要求。b)热膨胀系数：对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域，进行分开验证，按GB/T4339规定的方法进行检验。验证结果应符合表3的要求。c)热导率：对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域，进行分开验证，按GB/T22588规定的方法进行检验。验证结果应符合表2的要求。d)强度：除对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域分开验证外，还应要求梯度结合界面的强度。抗拉强度按GB/T16865规定的方法测试，弯曲强度按GB/T5593中规定的方法测试。测试结果应符合表2的要求。e)弹性模量：对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域，进行分开验证，按GB/T22315规定的方法进行检验。弯曲弹性模量按照GB/T41736中规定的方法进行测试。测试结果应符合表2的要求。f)密封性：应对外壳材料密封性和异种材料结合界面的密封性分别进行验证，按GB/T5594.1一1985中第4章规定的方法进行检