铝硅与铝碳纤维封装材料的热压制备及性能研究

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1、第一章绪论1.1前言二十一世纪科学技术的发展，尤其突出的表现就是电子科学技术的发展。随着电子元器件朝着尺寸更小、质量更轻、运算速度更快的方向发展，对电子[1]封装材料也相应地提出了更高的要求。据文献报道随着集成电路集成度的增加，芯片发热量成指数关系上升，从而使芯片的寿命降低，芯片温度每升高10℃，GaAs或Si半导体芯片寿命就会缩短三倍。这主要是因为在微电子集成电路及大功率整流器件中，材料间散热性能不好而导致的。解决这个问题最重要的手段就是使用具有更好性能的新的封装材料并且改进原有的封装工艺。[2]微电子系统封装主要包含三个方面的技术，首先是电学

2、方面的，主要涉及到晶体管之间的信号传输，也牵扯到各个晶体管和各个元件之间的电力分配。其次是材料方面的，材料方面的问题主要是在信号与电力分配方面正确地使用材料，如：在电力分配时要求材料具有高电导率，器件的散热需要应用高导热的材料。如果需要降低传输噪音的话就需要低电感和高电容的电力分配路线。第三就是机械方面的问题，这个主要体现在机械应力的产生与消除的问题。由于不同封装等级之间的电力分配以及在制造过程中不同性质的不同材料的使用必然会在界面中引起热机械应力。这个应力不单纯产生与IC及系统的封装过程中，同时也会因气候因素产生在产品的运输和储存过程中。热机械

3、应力的产生主要是由于各种不同材料在界面处的热膨胀系数不匹配造成的。在微电子器件中封装起保护和支撑半导体芯片及电子电路的作用，同时辅助散失电路工作中产生的热量。所以作为理想的电子封装材料必须具备表1-1中基本的性能：[3,4,5,6]表1-1电子封装材料性能要求Table1-1Theperformancerequirementsforelectronicpackagingmaterials性能作用低的CTE能与半导体芯片材料相匹配，热膨胀系数相近不会产生过大的热应力，保护芯片高的TE将半导体工作时产生的热量散发出去，保护芯片，使芯片不因温度过高而失

4、效良好的气密性抵御高温、高湿、辐射、腐蚀等有害环境对电子器件的影响高的强度和刚度支撑和保护芯片良好的机加工性能利于加工成各种复杂的形状轻质减轻电子器件的重量，方便携带11.2电子封装材料种类随着电子科学技术的发展，相应的封装材料也发生了翻天覆地的变化。而封装材料的发展又决定了电子技术的发展。两者是在相互制约而又相互促进中发展的。[7]目前常用的电子封装材料主要分为三大类：陶瓷基电子封装材料、塑料电[6,9,10,11]子封装材料和金属基及金属电子封装材料。具体性能参数见表1-2。1.2.1陶瓷基封装材料[8]陶瓷材料封装属于气密性封装，这种材料的

5、好处是：1.耐湿性能好；2.机械强度高；3.热膨胀系数小，导热率高；4.气密性好，芯片和电路不受周围环境影响；5.在所有基板技术中陶瓷基板具有最高的布线密度，最好的可靠性和尺寸稳定性。所以，陶瓷封装主要用在航空航天及军事工程所用的电子产品中。表1-2中的Al2O3、BeO、BN和AlN都属于陶瓷封装的范畴。Al2O3陶瓷是作为基片材料在目前市场上应用最成熟的，因其价格低廉，耐热冲击性和电绝缘性好，还有其制作和加工技术成熟，所以Al2O3陶瓷使用广泛，占陶瓷基片材料的90%。当前Al2O3陶瓷基片多数采用多层基片，含氧化铝90%-99.5%，氧化铝

6、含量越高，在烧结过程中的温度就要越高，无形中增加了制造成本。AlN陶瓷是一种进近期发现作为基片较好的材料，主要是因为AlN的电性[12-13]能和热性能都相对较好，是世界公认成发展前途的最优秀的陶瓷基片材料。AlN与Al2O3相比具有更高的热导率，更能适用于高功率、高引线以及较大尺寸的芯片；AlN更加优秀的性质是其线膨胀系数，其CTE与Si材料相匹配；介电常数也较低；且AlN比较坚硬，艰苦的环境也不影响其正常工作，所以AlN可以制成衬底很薄的形状，来满足不同的封装基片应用。但是，AlN陶瓷的制备方法及工艺较为复杂，其制造成本也很高，AlN本身也存

7、在加工和涂装困难等问题，所以到现在仍不能进行大规模的生产和应用。SiC、BN与BeO都具有较好的综合性能，但由于它们价格昂贵且BeO的材料具有剧毒性，它所引起的健康问题成为限制其应用的最大障碍。此外陶瓷都是脆性材料，一旦封装出现问题容易造成电子器件的重大失效，且对应力腐蚀敏感等这些问题都限制了这些材料的生产和应用推广。1.2.2塑料封装材料表1-2中环氧树脂和聚四氟乙烯都是属于塑料封装材料。塑料封装的密度很小，这就减轻了电子器件的重量，其加工性能较好，且加工成较小的尺寸成本低廉。另外塑料封装的可靠性较好。因此塑料封装器件占世界商用芯片封装市场的9

8、0%以上，不过它们的导热性能很差，且塑料封装吸水受热易膨胀，会导2致塑料封装器件爆裂。水气对环氧树脂材料的热力学性能影响很大，潮气则会在