文章编号:1008-1402(2005)03-0460-05

新型电子封装材料的研究现状及展望

郑小红1,　胡　明1,　周国柱2

(1.佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007;2.佳木斯电业局,黑龙江佳木斯154002)

摘　要:　综合论述了各类新型电子封装材料的优势及不足之处,同时指出了目前我国新型电子封装

材料所存在的问题及进一步完善的措施,并预测了电子封装用金属基复合材料的应用前景.

关键词:　电子封装;金属基复合材料;热膨胀系数;界面

中图分类号:　TB331 文献标识码:　A

0　引　言

电子封装材料是用于承载电子元器件及其相互联线,起机械支持,密封环境保护,散失电子元件的热

量等作用,并具有良好电绝缘性的基体材料,是集成电路的密封体.随着信息时代的到来,20世纪90年代

封装业进入一个“爆炸式”的发展时期[1,2,3].现代科学技术的发展,对电子封装材料提出了更全面的要求,

致使以往的传统材料己不能满足更高的性能要求,研制开发新型的电子封装材料己成为各国竞相追求的

目标.

1　新型电子封装材料的优势

电子封装的种类很多.从结构形式分,可以分为气密封装和实体封装.气密封装是指封装腔体内在管

芯周围有一定气氛的空间并与外界相隔离;实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体.从封装材料

上分,则有金属封装、塑料封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃实体封装、金属基复合材料封装等.这些封装各

具特点,并受到了广泛的关注.

1.1　金属封装材料

金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点,并且对电磁有一定屏蔽功能,在功率器件

中得到广泛应用.传统的金属封装材料主要有:Cu,Al,Kovar合金,Invar合金及W,Mo合金等.大多数金属

封装都属于实体封装,但实体封装对封装材料要求较高,必须致密、抗潮,与管芯材料粘附和热匹配良好,

而且在高温、低气压下不应产生有害气氛.

理想的金属封装材料要求具有高的热导率(TC值)和低的热膨胀系数(CTE值)及密度(ρ值).Cu,Al

或Al合金都具有良好的热传导率,质量较轻,成本低、强度高等优点,易于形成绝缘抗侵蚀薄膜,因而使用

广泛.Al金属基板是以其表面的阳极氧化膜作为其绝缘层,但是因为Al与其氧化膜的热膨胀系数相差很

大,当金属基板受热时,氧化膜容易开裂,影响封装的可靠性[4].此外,Cu,Al及合金的CTE值太大(Al的

CTE为23.6×10-6 ℃,Cu的CTE为17.8×10-6 ℃),容易引发循环热应力.

Cu Mo合金和Cu W合金具有较高的热导率及相匹配的CTE,但Mo,W的价格较高,加工、焊接性能差

而密度却又是Al的好几倍,不适合对重量有要求的应用领域,限制了其应用.而Kovar合金虽然具有很低

的CTE,在数值上与芯片材料GaAs的CTE较接近,而且Kovar合金的加工性能也较好.如利用机械加工

Kovar合金制作的热沉和壳为一体的外壳,膨胀系数小,制作方便,但散热性不好[5].正是因为其导热系数

太低,密度也很低,使其难以广泛应用.

收稿日期:2005-04-05基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(E2004—16)作者简介:郑小红(1976—),女,黑龙江伊春人,佳木斯大学材料科学与工程学院教师,佳木斯大学在读硕士研究生.　第23卷第3期 佳木斯大学学报(自然科学版) Vol.23No.3

　2005　年07月 JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition) July　20051.2　塑料封装材料

塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲击性强等优点.塑封装所使用的材料主要是热

固型塑料,包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类.其中以环氧树脂应用最为广泛.但是,塑封装材料如环

氧材料,气密性不好,大多对湿度敏感.在回流焊过程中,塑封料吸收的水受热易膨胀,会导致塑封器件爆

裂[6].环氧树脂材料的热力学性能受水气的影响很大.在高温情况下,潮气会降低材料的玻璃化转变温度、

弹性模量和强度.水气还会造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏,改变塑封料的介电常数,严重影响封装

的可靠性.此外,塑料封装晶体管多数含有铅,毒性较大,考虑到环保因素,RF晶体管通常采用成本比塑料

高许多的陶瓷来充当电子封装材料.

1.3　陶瓷封装材料

目前,已用于实际生产和开发应用的陶瓷基片材料主要包括Al2O3,BeO和AlN等.陶瓷封装的优点在

于耐湿性好,良好的线膨胀率及热导率,同时具有优良的综合性能.

大功率密度封装中芯片所产生的热量主要通过基片材料传导到外壳而散发出去的.不同的基片材料

其导热性能各异.对高导热的基片BeO基片和AlN基片等,可以满足自然冷却要求.对于导热性较低的基

片,如Al2O3基片,难以满足自然冷却的要求,必须附加电风扇、散热片或进行水冷等强制冷却办法,或在

保证一定的机械强度条件下,尽量减少基片厚度,增加高导热填充材料以减少热通道上的热阻.Al2O3和

BeO基片是广为使用的传统材料.但由于其综合性能、环保、成本等因素己难以满足功率微电子封装的要

求,众所周知BeO晶须可以透过人体皮肤进入体内,毒害性很大.而综合性能优越的AlN基片将替代以上

两种基片逐渐成为功率微电子封装的优良基片,它们的性能比较如表1[7].

表1　陶瓷基片材料的性能比较

项 目单 位AlNAl2O3BeO

热导率(λ)W m·K(25℃)140～2701725～300

热膨胀系数(CTE)×10-6 ℃(25～400℃)4.36.78

密度(ρ)g cm33.33.62.9

击穿强度Kv cm(25℃)150100100

介电常数1MHz(25℃)8.88.56.5

介电损耗×10-4(1MHz,25℃)5～1035

毒性无无有

从表1可以看出,单就重要的导热性而言,AlN基片远高于Al2O3.似乎比BeO略低,但AlN的热导率

随温度变化缓慢,而BeO却随温度的升高而急速下降,而对于作为功率微电子封装基片,器件通常温度为

125℃或更高,在温度接近100℃时,二者的热导率己很接近.温度更高时,AlN的热导率反而优于BeO,实

验也得到证实[8.9]:在工作温度接近100℃时,170W m·K的AlN基片与260W m·K的BeO基片传热效果

相同.

再从结构上来看,AlN陶瓷在简化结构设计,降低总体热阻,提高可靠性,增加布线密度,使基片与封

装一体化及降低封装成本等方面的功率器件应用中都具有优势.AlN陶瓷的CTE又与Si接近,这样各类

IC芯片和大功率器件就可以直接附着在AlN基片上,而不需加过渡片,不仅简化了工艺,也能有效地避免

由热失配引起的失效,从而提高了电子部件的可靠性.此外,AlN的抗弯强度也明显优于BeO,所以AlN陶

瓷封装可以更薄更轻,也更坚固可靠.AlN陶瓷生产过程中无毒害,具有良好的环保优势,其生产成本较

BeO低1 3,因此又有比BeO明显的价格竞争优势[10].

尽管AlN有优良的物理、机械性能,但是它的相对价格目前仍较高,再加上它不易加工成复杂形状缺

点,限制了其使用范围,难以满足新一代电子产品的要求.所以,研制开发既其有优良的物理、机械性能,又

具有容易加工、工艺简单、成本低廉、适应环保要求的电子封装材料已成为当务之急.461第3期郑小红,等:新型电子封装材料的研究现状及展望1.4　金属基复合封装材料

综上所述,单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求.只有金属基复合材料才能全面

满足如上的要求.它尤其适于现代化高速发展的功率HIC,微波毫米波MMIC,MCM和大电流功率模块的

功率封装及作为散热片应用.

金属基复合材料被誉为21世纪的材料,是满足信息时代高速发展所提出的全面要求的新型材料.金

属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组元材料的特点,特别是它能充分发挥各组

成材料的协同作用.从而还使材料设计有了很大的自由度.还可以根据材料的要求合理的选择组成材料的

组元及其增强方式.

电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型金属基复合材料[11,12].按增强物类型可分为:连续

纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料.

按基体类型可分为:铝基、铜基、银基、铍基等.基中以Al SiC最为突出.SiC颗粒作为增强材料具有性能优

异,成本低廉的优点[13],其CTE为4.7×10-6 ℃,与Si的CTE最为接近,热导率为80～170W m·K,弹性模

量达450GPa,密度为3.2g cm3;Al作为基板材料,具有高导热(170～220W m·K)、低密度(2.7g cm3)、价格

低廉和易于加工等优点,又克服了各自的缺点,所以能表现出综合的优异性能.表2给出了Al SiC与其他

封装材料各种性能的比较[4,6,7].

表2　Al SiC与其他封装材料性能的比较

项 目Al SiC(70%)AlNAl2O3AlCuKovarCu W

密度(g cm3)3.03.33.62.78.98.116

CTE(×10-6 ℃)(25～150℃)6.5～94.36.723.617.85.26.5～8.3

热导率(W m·K)1602001723839811～17180～200

电阻率(μΨ·cm)34——2.91.749—抗弯强度(MPa)270345344———970

极限抗拉强度(MPa)192——90207551—

弹性模量(GPa)22434538070110138367

从表2可以看到,Al SiC的热导率为Kovar及Al2O3的10倍,与Cu W,Si(热导率为151W m·K)相

当[14,15];Al SiC的CTE与GaAs(CTE值为6.5×10-6 ℃)相近,值得称道的是Al SiC的CTE可以通过SiC的

加入量来调节,从而可获得精确的热匹配,使相邻材料界面应力降到最小,这就可以将大功率的芯片直接

安装到Al SiC基板上,而不用担心它们的失配应力问题[8];在密度上,Al SiC与Al接近,还不到Cu W的1

5,这对那些重要敏感应用领域具有很大优势.同时,Al SiC的电阻率虽然比许多单金属(如Cu、Al等)高得

多,但比常规的Kovar封装外壳又低许多.Al SiC具有优异的机械性能[16],其弹性模量是Cu的两倍,抗弯、

拉强度也很好,因此可保证封装结构的牢固性和伸缩性[17].同时,优异的机械性能也有利于散热,因此Al

SiC基板可以做得更薄些,从而减少了热阻.与陶瓷不同,Al SiC具有抗裂性,因为它是采用浇铸渗透工艺

制成的,表面复有一层薄薄的Al,起到了抑制裂纹沿表面扩散的作用.Al SiC的抗振性能也很理想,含

75%SiC的Al SiC,其减振比可达5.867×10-3,是Al的两倍,这在航空、航天电子设备中用它作芯材的标准

电子组件(SEM)的共振频率提高到600Hz.比使用Cu W时高一倍,这对使用在强烈振动环境下大尺寸封

装显得尤为重要[8].

2　新型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的成本都比较高.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,而且加工工艺复杂,不适合复杂结构件,金属基复合封装材料同

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,材料成本在总成本中的比例可达到63%[10,16].可以考虑从工艺和材料的选择两方面来进行改进.462佳木斯大学学报(自然科学版)2005年