金属基电子封装材料进展刘正春 王志法 姜国圣(中南大学)摘 要:对照几种传统的金属基电子封装材料,较详细地阐述了W Cu、M o Cu、SiC/Al等新型封装材料的性能特点、制造方法、应用背景以及存在的问题。
介绍了金属基电子封装材料的最新发展动态,指出国际上近年来的研究与开发主要集中在净成型技术、新材料体系探索以及材料的集成化应用等方面。
最后,文章对金属基电子封装材料的发展趋势进行了展望,作者认为,未来的金属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;复合材料;膨胀系数;热导率中图分类号:T F125.7,T G139 文献标识码:A 文章编号:1004—244X(2001)02—0049—06 金属基电子封装材料具有强度高、导电导热性能好等优点。
因此,它们与陶瓷基、树脂基封装材料一样,一直是电子工程师所青睐的热沉和支承材料,广泛地应用于功率电子器件(如整流管、晶闸管、功率模块、激光二极管、微波管等)和微电子器件(如计算机C PU、DSP芯片)中,在微波通讯、自动控制、电源转换、航空航天等领域发挥着重要作用[1-6][9][13]。
作为一种理想的电子封装材料,必须满足这么几个基本要求[4]:一是材料的导热性能要好,能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去;二是材料的热膨胀系数(C TE)要与Si或Ga As 等芯片相匹配,以避免芯片的热应力损坏;三是材料要有足够的强度和刚度,对芯片起到支承和保护的作用;四是材料的成本要尽可能低,以满足大规模商业化应用的要求。
在某些特殊的场合,还要求材料的密度尽可能地小(主要是指航空航天设备和移动计算/通信设备),或者要求材料具有电磁屏蔽和射频屏蔽的特性。
1 传统的电子封装材料传统的金属基电子封装材料,包括因瓦合金(Inv ar)、可伐合金(Kova r)、W、Mo、Al、Cu等,这些材料可以部分的满足上面所提到的要求,然而,它们仍然存在许多不尽人意之处。
表1列出了几种常规电子材料的性能。
表1 Si、GaAs及几种传统封装材料的性能[4][7]材 料C TEppm/K热导率W/(m·K)密度/(g·cm-3) Si 4.1135 2.3Ga As 5.839 5.3Invar0.4118.1Kovar 5.9178.3W 4.417419.3M o 5.014010.2Cu17.74008.9Al23221 2.7环氧树脂600.3 1.2Inva r、Kov ar的加工性能良好,具有较低的热膨胀系数,但导热性能很差;M o和W的热膨胀系数较低,导热性能远高于Inva r和Kov ar,而且强度和硬度很高,所以,Mo和W在电力半导体行业得到了普遍的应用。
但是,Mo和W价格昂贵,加工困难,可焊性差,密度大,况且导热性能比纯Cu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。
2 新型电子封装材料现代电子技术的飞速发展,使得电子元器件能够具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容第24卷 第2期2001年 3月 兵器材料科学与工程ORDNANCE M ATERIAL SC IEN CE AND EN GIN EERING V o l.24 No.2 M ar. 2001收稿日期:2000-06-02 资助项目:国家高新工程重点资助项目 作者简介:刘正春,中南大学材料科学与工程系,长沙,410083量。
然而,更高集成度和更快的运行速度会涉及到更严重的散热问题。
解决问题的办法是采用更好的封装材料。
于是,各种新型的封装材料不断涌现出来,其中,复合材料是发展的主流。
复合材料可以得到用其它方法不可能得到的独特性能,所以,用于电子封装的的金属基复合材料(简称MM C)一直是国外许多大公司和研究机构的热点课题。
2.1 铜基复合材料在因瓦合金板上双面覆以纯铜,制成Cu/In-va r/Cu复合板(简称CIC),就兼备了Cu的高导热导电特性和因瓦合金的低膨胀特性与电磁屏蔽特性。
美国的得州仪器公司(Tex as Instrum ents Co.)最早开发了层状的CIC复合材料,应用在F15战斗机的电子设备上[8]。
德国的I X YS公司将CIC用在固态继电器中做功率模块的过桥(如图1所示)。
图1 CIC在固态继电器中做过桥美国的AM AX公司和Climax Specialty M et-als公司[13]利用热轧复合的方法,生产出了Cu/Mo/ Cu复合材料(简称CM C),并申请了相关专利[17、18、19]。
CM C的结构与CIC一样,是三明治结构,芯材为金属Mo,双面覆以无氧铜或弥散强化无氧铜。
CM C的膨胀系数同样具有可设计性,而硬度、热导率却比CIC要高得多。
因此,它经常应用在一些比较重要的场合,用作热沉、引线框架和多层印刷线路板(PCB)的低膨胀层与导热通道。
表2是CM C和CIC的性能比较。
CM C已应用在B2隐形轰炸机和其它先进飞行器的电子元件中[13、14]。
以上两种材料都具有的缺点是:(1)密度较大;(2)由于Cu的屈服而容易导致迟滞现象(hy steresis)。
表2 Cu/Invar/Cu和Cu/Mo/Cu的性能[13][18]材料密度/(g·cm-3)硬度(硬态)C TEppm/K热导率W/(m·K)xy zC IC 20/60/208.4HB90～1205.216024CM C 20/60/209.7HV≥3006.8244197奥地利的攀时(PLAN SEE)公司、美国的PO LESE公司、日本的住友金属公司都用粉末冶金的方法制得了W Cu和Mo Cu复合材料,并且实现了商业化生产[9]。
W Cu和Mo Cu复合材料同时融合了W、M o的低膨胀、高硬度特性和Cu的高导热导电特性,表面可涂镀Ni等镀层,从而具有非常良好的综合性能。
表3列出了常用的几种W Cu和M o Cu封装材料的性能。
表3 W Cu和Mo Cu封装材料的主要性能材 料密度/(g·cm-3)CT Epp m/K热导率W/(m·K)W90Cu1017.0 5.6～ 6.5140～170W85Cu1516.4 6.3～7.0160～190W80Cu2015.67.6～9.1180～210M o85Cu1510.0 6.5～7.1150～170M o80Cu209.97.2～8.0160～190M o70Cu309.77.6～8.5170～200 注:上表数据由长沙升华电子材料有限公司提供。
目前,这两种复合材料主要用做大功率微波管、大功率激光二极管以及某些大功率集成电路模块的热沉(hea t sink)。
例如,“宙斯盾”系统的AN/SPY相控阵雷达,就采用W Cu作为雷达微波管的热沉。
图2是一个W15Cu用做微波管热沉的实例[2]。
图2 大功率脉冲微波管的W Cu热沉PLAN SEE公司的W Cu材料采用熔渗法制造[10],即往多孔W坯块中渗入熔融的金属纯Cu,其产品的导热性能优良,W15Cu的热导率达到了176W/(m·K)。
美国PO LESE公司则采用FSSS0.5μm的超细钨粉和高纯铜粉混合,加入少量Co进行液相活化烧结,用该方法制备的W15Cu产品强度、硬度极高,致密度达98%,热导率达到了137W/(m·K)。
PLAN SEE公司凭借其强大的研究开发能力和先进的生产设备,可将粉末冶金M o30Cu轧成厚度只有70μm的箔材,用做多层电路板的低膨胀高导热夹层[10]。
2.2 铝基复合材料铝基复合材料比重小,对于航空航天电子设备50 兵器材料科学与工程 第24卷和移动电子设备(如手提电脑)来说,具有很强的吸引力。
目前,应用最广泛的是SiC/Al复合材料。
它可用作微波管的载体(Micro wav e Carrier)、多芯片组件的热沉(M CM heat sinks)以及印刷线路板的热沉(PCB heat sinks)。
美国的先进复合材料公司(ACM C)采用Al粉与SiC颗粒或晶须混合,然后真空热压成条坯,条坯可进行切削、挤压、锻造等加工。
这种SiC/Al复合材料的导热性和热膨胀系数可通过调整SiC的相对含量来控制[12]。
美国的另一家公司DW A复合材料专营公司用粉末冶金方法制造出了50v ol%～55v ol% SiC/6061复合材料[11],密度为2.99g/cm3,导热系数达220W/(m·K)。
美国铝业公司(Alcoa)的研究中心利用压力熔渗法小批量制造出了55%～60% SiC或Al2O3增强铝合金,可替代可伐(Kov ar)和因瓦(Inv ar)合金。
Lanxide公司则用无压熔渗法将SiC或Al2O3预制件与铝合金制成了复合材料,可达到净成形的效果[13、15、16]。
Si/Al也是一种很好的封装材料。
最近,利用粉末喷射沉积的方法,已成功地制备出了C TE符合要求的Si/Al材料系列产品[5]。
2.3 其它复合材料美国PO LESE公司利用粉末冶金技术制得了Ag/Inv ar(Silv ar TM)复合材料,该材料具有良好的导热导电性能、低的热膨胀系数,尤其可贵的是它的塑性好,可冲制成各种形状复杂的零件。
它是很好的引线框架材料。
其缺点是Ag的价格太高。
表4是该材料的主要性能指标。
表4 Silvar的主要性能指标成分CT Eppm/K热导率W/(m·K)密度/(g·cm-3)硬度HRB电导率%IAC SAg/Inv ar39/616.51538.776035BeO增强Be基复合材料最近得到了商品化,并且可以制成板材[4、5]。
据报道,含60v ol%BeO复合材料的CTE为 6.1ppm/K,热导率为240W/(m ·K),密度为2.55g/cm。
这些性能非常具有吸引力。
但是,BeO和Be的毒性和高成本阻碍了它们的推广应用。
3 金属基电子封装材料的最新动态提高性能、降低成本一直是电子封装材料发展的中心课题。
一方面是研究并开发新的工艺技术,改进原有材料的性能和/或降低制备成本;另一方面则是开发新的材料体系。
3.1 新的工艺技术R.M.German等人把注射成型(PIM)和熔渗烧结相结合,制得了致密度达99%以上的W15Cu 材料,其报道的热导率高达220W/(m·K)。
而且,利用该技术,可以达到净成型的效果[20、23]。
In-Hyung Moo n等人则先将W粉和Cu粉在高能球磨机中进行机械合金化,然后再注射成型,在1200℃烧结1h,得到了致密度为96%的W Cu材料[22]。
Fra nk J.Po lese发明了一种净成型制备W Cu和M o Cu电子封装材料的新工艺[21]。
