CTE /10-6K-1
4.1 6.9 7.2 4.5 17.6 23.6 12.6 17.3 5.8 4.45 5.35
热导率 /[W/(m.K)]
150 25 260 180 400 230 65.2 32.9 17 168 138
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新型金属封装材料
金属基复合材料(MMC)：是以Mg、Al、 Cu、Ti等金属或金属间化合物为基体，以 颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的 一种复合材料。
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马鞍焊架形状对WIAD的影响
（a）model-1
(b) model-2 马鞍焊架在有限元模型中的形状
(c) model-3
❖ 马鞍焊架形状
– 焊点形态及焊接位置 – 热量传导过程 – 残余应力分布
哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院
电子器件与组件结构设计
王华涛
办公室：A 楼208 Tel：5297952 Email：wanghuatao@
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第八章 金属封装结构
金属封装的概念； 金属封装的特点； 金属封装的材料； 新型金属封装材料； 金属封装的工艺； 案例
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常用金属封装材料
Al、Cu、Mo、 材料
W、钢、可伐合
Si
金、 CuW(10/90)、
Al2O3 BeO
CuW(15/85)、 AlN
CuMo(15/85)、
Cu
Ni-Fe合金
Al
钢
不锈钢
可伐合金
W
Mo
密度 /(g.cm3)
2.3 3.61 2.9 3.3 8.9 2.7 7.9 7.9 8.2 19.3 10.2
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光导纤维与管芯的对准技术
➢ 无源对准
耦合效率低 成本低
适用于多模光纤及耦合效 率要求不高的光电子器件 （如光电探测器）
一般不能返修
对各种服役条件（热循环， 机械冲击，振动）及加工 工艺的容余度大
对准精度为几个微米
➢ 有源对准
耦合效率高 成本高
适用于单模光纤及耦合效 率要求高的光电子器件 （如半导体激光二极管）
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蝶形封装鞍形焊接架上，对位 后，有两束激光从两个相对方向焊接马鞍形架，然 后把光纤套筒焊接在马鞍架上
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蝶形封装工艺流程
➢ 完成光纤耦合后，采用传统的平行缝焊接封装盖板
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光电子封装中的耦合技术
光纤引出是组装的关键工艺，通常称为耦合:
– 光纤与管芯对准（无源对准和有源对准） – 光纤固定（熔焊，钎焊和环氧树脂粘结）
能量密度差20％ 能量密度差对焊后变形影响
能量密度差30％
– 两束入射激光能量不平衡导致残余应力分布不均匀，造成焊后对准偏移 – 即使两束激光能量相同，模拟结果ABCDE点都产生位移使马鞍焊架下凹
台湾国立中山大学 W. H. Cheng, IEEE Trans. on Advanced. Packaging , 2001
可以返修但费用昂贵
需要精心设计以保证产品 在各种服役条件下的可靠 性
对准精度为几百个纳米
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光电子封装有源对准技术
优点
– 连接强度高 – 毫微米级精度 – 清洁
缺点：
– 焊后残余应力大导致对准变形
➢ 焊接导致对准变形（WIAD) 的影响因素
– 入射激光能量与入射角 – 两束入射激光能量平衡性 – 焊点形态及焊接位置 – 焊接工艺
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金属封装材料
金属封装材料要求
与芯片或陶瓷基板匹配的低CTE，减少或避免 热应力产生
良好的导热性，提供热耗散 良好的导电性，减少传输延迟 良好的电磁屏蔽能力 低密度、高强度、高硬度， 良好的加工性能 可镀覆性、可焊性和耐蚀性，易实现与芯片、
盖板、印刷板的可靠结合、密封和环境保护 较低的成本
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激光能量平衡性对WIAD的影响
激光焊接系统
– 两束激光入射角（45°±1） – 两束激光由成90°的光纤同时传
送
– 入射激光能量决定熔深及熔宽
➢ 导致两束激光能量失衡的因素
– 材料表面能量吸收的差别 – 传输两束激光所用光纤的差别 – 热量传导的不同
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激光能量平衡性对WIAD的影响
能量密度差15％
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金属封装的概念
金属封装：是采用金属作为壳体或底座， 芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上 的一种电子封装形式。
应用场合：模件、电路与器件
多芯片微波模块 混合电路 分立器件封装 专用集成电路封装 光电器件封装 特殊器件封装
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金属封装的特点
精度高，加工灵活 适合批量生产，相对价格低 散热及电磁场屏蔽性能优良，应用面广 可靠性高，可得到大体积的空腔
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光电子封装中的可靠性
Die bonding or Flip chip Welding, soldering or adhesive bonding
PD ＆ LED Transitional TEC
TEC
Optical Fiber ＆ Metal Ferrule
Soldering Adhesive bonding Resistance welding
与传统金属封装材料相比，优点：
可通过改变增强体种类、体积分数、排列方式或 改变基体合金，来改变材料的热物理性能，满足 封装热耗散的要求，简化封装设计
材料制造灵活，成本不断降低，避免了昂贵的加 工费用和材料损耗
特别研制的低密度、高性能金属基复合材料非常 适用于航空航天
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金属封装工艺流程
金属封装盖板制作
金属封装壳体制作
封装模具制作
玻璃绝缘子制作
金属引脚制作
绝缘子、引脚组装
组装到壳体上
封盖
贴片、键合
高温烧结
芯片减薄、划片
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金属封装实例
光电子封装 LED封装散热结构设计 MEMS封装
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光电子器件的封装形式
蝶式封装
双列直插式封装
BGA封装
RF封装
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典型的光电子器件封装
Package
互连:
– 机械和电气连接 – 确保管芯与外界隔绝 – 芯片与光纤的光学对准
➢ 焊点可靠性的影响因素
– 残余应力应变 – 界面组织
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蝶形封装工艺流程
➢ 把热电致冷器（TEC）置于管壳底部，并用粘结技 术固定
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蝶形封装工艺流程
➢ 在TEC顶上组装光电组件。光电组件以小型化AlN支 架为基础（含LD管座、LD芯片、PD以及LD工作需 要的其他元器件）