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1、电子封装用金属基复合材料的研究现状摘要：微电子技术的飞速发展也同时推动了新型封装材料的研究和开发。本文综述了电子封装用金属基复合材料的研究和发展状况,并以A1/SiCp为重点,分析对比了目前国内外的差距,提出了其未来的发展趋势及方向。关键词：电子封装；金属基复合材料；A1/SiCp中图分类号:TN305・94文献标识码：A1引言半导体技术的发展日新月异。自1958年第一块半导体集成电路问世以来,到目前为止，IC芯片集成度的发展仍基本遵循着著名的Moore定律［1］。芯片集成度的提高必然导致其发热率的升高■使得
2、电路的工作温度不断上升■从而导致元件失效率的增大。与此同时，电子封装也不断向小型化，轻量化和高性能的方向发展，二十世纪九十年代以来.各种高密度封装技术,如芯片尺寸封装(CSP),多芯片组件(MCM)及单极集成组件(SLIM)等的不断涌现［2］,进一步增大了系统单位体积的发热率。为满足上述IC和封装技术的迅速发展，一方面要求对封装的结构进行合理的设计；同时，为从根本上改进产品的性能，全力研究和开发具有高热导及良好综合陛能的新型封装材料显得尤为重要。热膨胀系数(CTE)■导热系数仃C)和密度是发展现代电子封装材料
3、所必须考虑的三大基本要素■只有能够充分兼顾这三项要求，并具有合理的封装工艺性能的材料才能适应半导体技术发展趋势的要求。传统的封装材料很难同时兼顾对上述各种性能的要求，而金属基复合材料(MMG则恰恰可以将金属基体优良的导热性能和增强体材料低膨胀系数的特陛结合起来［3］,获得既具有良好的导热性又可在相当广的范围内与多种不同材料的CTE相匹配的复合材料。因此,自上世纪九十年代以来■伴随着各种高密度封装技术的出现,电子封装用MMC也同时得到了大力的发展。1992年4月在美国SANDIEG0举行的TMS年会上对作为电子
4、封装用MMC进行了广泛的讨论［4］,一致认为封装材料是MMC未来发展的重要方向之一。本文则综述了近十余年来电子封装用MMC的国内外研究现状及其未来的发展方向。2电子封装用MMC的研究现状MMC由基体金属的增强体两部分构成。目前电子封装用MMC的基体仍以A1、Cu.Mg及工程中常用的铝合金、铜合金及镁合金为主，这主要是由其良好的导热，导电及优良的综合力学性能所决定的。改变或调整基体成分将在以下两个方面影响材料的性能,首先表现在对基体材料本身热物性的影响,例如随铝中含硅量的升高,铝合金本身的CTE也随之降低,从而
5、更有利于获得具有低CTE的复合材料⑸；其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的影响，如通过在Cu中加入适量的Fe将明显提高基体Cu与作为增强体的碳纤维的界面结合强度,复合材料的CTE也因此得以降低问。通过热处理工艺同样也会改变基体与增强体的界面结合状况,进而影响材料的热性能。Reeves和Tumal等人［8］研究了热处理对Ti/SiCp和Ti/TiB2p热性能的影响。结果表明，对Ti/SiCp而言，高温处理(950T)将使材料TC值下降。分析认为,这是由于热处理增大了界面反应层的厚度,从而界面热阻增大，导致热
6、性能恶化。与Ti/SiCp相比,Ti/TiB2p在材料制备过程的界面反应较为轻微，因此Ti/TiB2p的导热性能在热处理的开始阶段有所改善，但时间过长■也同样对材料的热性能不利。除以上讨论的合金元素的加入，界面的结合状况以外■其它，如残余应力的大小［9］增强体的形状,孔洞的存在等因素［1412］也会在一定程度上影响复合材料的热性能。应当指出，通过深入研究上述诸因素对复合材料热物性的影响，可优化各工艺参数，并据此进一步改善材料的性能。也正是基于这个原因,人们为此作了大量深入且细致的工作。但根据复合材料性能的混合
7、法则■一旦基体金属确定后，MMC的性能将主要由增强体本身的性能指标所决定。对于电子封装用MMC而言,由于增强体的体积分数通常较高，其本身的性能对材料最终的性能的决定作用将更为突出。用作复合材料增强体的种类很多,根据形貌可分为长纤维、短纤维、晶须和颗粒四大类。作为电子封装材料使用时，增强体的选择应从以下几个方面衡量：低的CTE和高的TC；与基体材料具有良好的相容性；密度小且成本低［13］。人们为此也选择了多种不同的复合材料体系,并作了大量的尝试性研究。表［13,14］列出了几种典型的复合体系的热性能指标。为方便
8、比较，作为芯片用材料的Si和GaAs以及用作基片的A1203,BeO和A1N等陶瓷材料的性能数据也同时列于表1中。可见，尽管Cu/W及Cu/Mo的CTE和TC值均较为理想，但密度过高。BeO作为复合材料的增强体,其综合性明显优于其它材料■但遗憾的是,BeO是一种有毒物质，其粉尘会对入体造成严重伤害,因此各国对BeO产品使用的限制也越来越严。金刚石的价格过高,难以实现大规模的应用。对TAI-SiCp体
