芯片封装技术的发展.doc

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1、芯片金属封装材料的现状及发展闫小纲电子信息学院微电3101班22#摘要：本文介绍了在金屈封装mH前正在使用和开发的金属材料。这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料，为适应电子封装发展的要求，国内开展对金属基复合材料的研究和使用将是非常重要的。关键词：金属封装；底座；热沉；散热片;金属基复合材料金屈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，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃一金属封接技术的一•种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，

2、主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融合为一体，适合于低I/O数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表而波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。本文主要介绍在金属封装屮使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。芯片材

3、料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于3X10-6-7X10-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护，应具备以下的要求：%1与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数，减少或避免热应力的产生；%1非常好的导热性，提供热耗散；%1非常好的导电性，减少传输延迟；%1良好的EMI/RFI屏蔽能力；%1较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；%1可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；%1较低的成本。

4、传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu/W和Cu/Mo等，它们的主要性能如表1所示。1-1铜、铝纯铜也称之为无氧高导铜(0FHC),电阻率1・72PQ-cm,仅次于银。它的热导率为401W(m-lK-l),从传热的角度看，作为封装壳体是非常理想的，可以使用在需要高热导和/或高电导的封装里，然血，它的CTE高达16.5X10-6K-1,可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。为了减少陶瓷基板上的应力，设计者可以用几个较小的基板来代替单一-的大基板，分开布线。退火的纯铜由于机械性能差，很少使用。加工硬化

5、的纯铜虽然有较高的屈服强度，但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化，在进行机械冲击或恒定加速度试验吋造成外壳底部永久变形。铝及其合金重量轻、价格低、易加工，具有很高的热导率，在25°C吋为237W(m-lK-l),是常用的封装材料，通常可以作为微波集成电路(MIC)的壳体。但铝的CTE更高,为23・2X10-6K-1,与Si(4.1X10-6K-1)和GaAs(5.8X10-6K-1)相差很大，器件工作口寸的热循环常会产生较大的热应力，导致失效。虽然设计者可以采用类似铜的办法解决这个问题，但铜、铝与芯片、基板严重的热失

6、配，给封装的热设计带来很大困难，影响了它们的广泛使用。1・2磚、钮Mo的CTE为5・35X10-6K-1,与可伐和A1203非常匹配,它的热导率相当高，为138W(m-K-l),故常作为气密封装的底座与可伐的侧墙焊接在一•起，用在很多屮、高功率密度的金属封装屮。Mo作为底座的一个主要缺点在于平而度较差，另一个缺点是在于它重结晶后的脆性。W具有与Si和GaAs相近的热膨胀系数，且导热性很好，可用于芯片的支撑材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面镀覆其他金属，使工艺变得复杂且可靠性差。W、恥价格较为昂贵，不适合大量使用。此外密

7、度较大，不适合航空、航天用途。1・3钢10号钢热导率为49.8W(m-lK-l),大约是可伐合金的三倍，它的CTE为12.6X10-6K-1,与陶瓷和半导体的CTE失配，可与软玻璃实现压缩封接。不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，不锈钢的热导率较低，如430不锈钢(Fe-18C「中国牌号4J18)热导率仅为26.1W(nrlK-l)。1.4可伐可伐合金(Fe-29Ni-17Co,中国牌号4J29)的CTE与Si、GaAs以及A1203、Be0>AIN的CTE较为接近，具有良好的焊接性、加工性，能与硼硅硬玻璃兀配封接，在低功

8、率密度的金属封装屮得到最广泛的使用。但由于其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其广泛应用受到了很大限制。1.5Cu/W和Cu/Mo为了降低Cu的CTE,可以将铜与CTE数值较小的物质如Mo、W等复合，得到Cu/W及Cu/M（）金属-金属复合材料。这些材料具有高的导电、导热性能