电子封装材料研究进展

微电子封装与其材料的研究进展微电子集成电路中，高度密集的微小元件在工作中产生大量热量，由于芯片和封装材料之间的热膨胀系数不匹配将引起热应力疲劳，封装材料的散热性能不佳也会导致芯片过热，这二者已成为电力电子器件的主要失效形式[2]。从根本上说，电子封装的性能、制作工艺、应用及发展等决定于构成封装的各类材料，包括半导体材料、封装基板材料、绝缘材料、导体材料、键合连接材料、封接封装材料等。它涉及这些材料的可加工成型性，包括热膨胀系数、热导率、介电常数、电阻率等性能在内的材料物性，相容性及价格等等。新世纪的微电子封装概念已从传统的面向器件转为面向系统，即在封装的信号传递、支持载体、热传导、芯片保护等传统功能的基础上进一步扩展，利用薄膜、厚膜工艺以及嵌入工艺将系统的信号传输电路及大部分有源、无源元件进行集成，并与芯片的高密度封装和元器件外贴工艺相结合，从而实现对系统的封装集成，达到最高密度的封装。从器件的发展水平看，今后封装技术的发展趋势为：（1）单芯片向多芯片发展；（2）平面型封装向立体封装发展；（3）独立芯片封装向系统集成封装发展。焊球阵列封装（BGA）BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。③BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠；④由于焊料熔化时的表面张力具有自对准效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率；⑤BGA引脚牢固，转运方便；⑥焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。这种BGA的突出的优点：①电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感；②封装密度更高；由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。芯片尺寸封装（CSP）CSP（ChipScalePackage）封装，是芯片级封装的意思。CSP封装最新一代的内存芯片封装技术，其技术性能又有了新的提升。CSP封CSP封装装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通的BGA的1/3，仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。由于CSP具有更突出的优点：①近似芯片尺寸的超小型封装；②保护裸芯片；③电、热性优良；④封装密度高；⑤便于测试和老化；⑥便于焊接、安装和修整更换。3D封装3D封装主要有三种类型，即埋置型3D封装，当前主要有三种途径：一种是在各类基板内或多层布线介质层中埋置R、C或IC等元器件，最上层再贴装SMC和SMD来实现立体封装，这种结构称为埋置型3D封装；第二种是在硅圆片规模集成（WSl）后的有源基板上再实行多层布线，最上层再贴装SMC和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型3D封装；第三种是在2D封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型3D封装。系统封装（SIP）实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。一种是系统级芯片（SystemonChip），简称SOC。即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能；另一种是系统级封装（SysteminPackage），简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。主要的优点包括：①采用现有商用元器件，制造成本较低；②产品进入市场的周期短；③无论设计和工艺，有较大的灵活性；④把不同类型的电路和元件集成在一起，相对容易实现。新型电子封装材料的性能要求电子封装材料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，信号传递，散热和屏蔽等作用，因此，电子封装材料需要具备以下的性能特征[3,4,5]：1）较低的热膨胀系数（CTE），能与Si，GaAs等半导体材料相匹配2）热导率优良3）低密度4）气密性好5）强度和刚度高6）良好的加工性能和焊接性能7）易于进行电镀8）成本低廉等半导体材料芯片一般是由硅、砷化镓等材料制成，芯片工作及休息时半导体元器件会产生温度变化，芯片与基体、焊点以及连线之间形成的热应力对电子封装结构产生不利影响，导致电子线路的损坏或封装结构变形等不良后果。所以，理想的电子封装材料与半导体材料之间需要有相匹配的热膨胀系数，以降低由于芯片发热而产生的热应力。良好的热导率能保证芯片工作时产生的热量能很好的传递出去，从而不至于使得芯片因过热而损坏。在航空航天，以及便携式电子器件领域，轻便的材料需求愈来愈明显，轻质的材料不仅利于运输，而且可以大大降低成本，因此材料的密度不可忽视。在气密性封装方面，为了使得芯片与空气等隔绝，以降低芯片的腐蚀、污染，以及避免光或者其它电性号的干扰，要求封装材料必须有良好的气密性。作为起机械支撑和保护作用的材料，高的强度和刚度保证了其在一定外力条件下不会损坏。封装材料必须与芯片或者连线之间粘合在一起，因此，封装材料需要有良好的焊接性和机械加工性能，以保证各式各样的复杂形状要求。为了保护封装结构或者出于其他目的，常常需要对封装器件进行电镀等处理，因此，封装材料需要具有良好的可电镀性能。另外，廉价、低成本是每个材料都需要考虑的部分。1.1常用电子封装材料国际上，美、英、日本、俄罗斯、德国等国家在电子封装材料的开发、研究与应用等方面处于领先水平。近年来，我国在该领域的研究也有较大发展。目前，工业上应用的主要电子封装材料及其性能如下：表错误!文档中没有指定样式的文字。-1常用电子封装材料的基本性能[4,6,7,8]材料热导率/W·m-1·K-1热膨胀系数/×10-6·K-1密度/g·cm-3Si1484.12.3GaAs395.85.3Kovar175.88.2Invar101.68.1Ti155.64.5Al247232.7Cu39117.68.9Gold3151419.3Mo1405.110.2W1554.519.3AlN1804.53.3BeO2607.22.9Al2O3296.33.9Diamond1000~23.0Cu-85%Mo1606.710Cu-75%W1908.814.6Be-30%BeO2108.72.1Al-68%SiC1507.23.0Si-50%Al140112.5Si-70%Al1206.82.4在表1-1的材料中，氧化铝力学、热、电性能优异，且价格低廉，原料丰富，是目前电子工业最常用的基板材料。氧化铝是一般情况呈密排六方的刚玉结构，也存在某些亚稳结构，但它们最终都会不可逆转的转变成六方的α相。氧化铝作为厚膜、薄膜电路和电路封装以及多芯片模组的多层结构的基板材料，广泛地用于微电子工业。不同的成分可分别用于高温工艺和低温工艺。但是其导热性能较差，不利于基片中热量即时传导出去。AlN和BeO陶瓷材料的综合性能较符合电子封装材料的要求。BeO具有密排立方闪锌矿结构，其具有极高的导热率，比金属铝还高，虽然在超过300℃以上迅速降低，但也被广泛地用于各种需要高导热率的场合。不过其粉末是有毒的，随着各种问题的出现，以后必须减少使用。AIN有许多很重要的值得关注的性能：一是较高的热导率；一是与硅的CTE非常匹配，作为基板材料，无毒副作用等，这些对于大功率器件来说是非常重要的。但AlN自然界中并不存在，必须用人工的方法制备。AlN陶瓷的制备工艺复杂，成本较高，且不能电镀，这影响其大规模的应用。将金属基体的导热性能和第二相增强体材料的低膨胀系数结合起来，可以获得综合性能良好的金属基复合材料（MMC，Metal-MatrixComposites）。陶瓷一般具有低的热导率和热膨胀系数（CTE），而金属具有高的热导率和CTE，将这些性能综合起来得到一种具有高热导率和低CTE的材料在逻辑上是可行的。常用金属基体有铝和铜，前者由于成本低而用的更多。添加物包括SiC、AlN、BeO、石墨和金刚石。这之间最主要考虑的是材料之间的兼容性。自上个世纪90年代以来，随着各种高密度封装技术的出现，电子封装用MMC得到了大力发展。1992年美国SANDIEGO的TMS年会上，同行业内一致认为MMC是封装材料未来发展的重要方向[9]。如表1-1所示，SiC和Si增强铝合金得到的复合材料具有几乎与纯铝一样高的热导率，低膨胀，轻质。Al/SiC由于其导电性好很容易镀铝，可提供良好的表面以便后续工艺，Al/SiC的另外两个优点是强度和重量。但是，Al/SiC加工难度大、成本高，加工后电镀效果下降，在应用上也受到一定限制。Al-Si合金的热膨胀系数、热导率和密度均能满足轻质电子封装材料的要求，具有较高的强度和刚度，易电镀，与基板材料可焊接，更易于进行精密加工，且无污染，符合电子封装技术朝高密度组装化、小型化和轻量化方向发展的要求[10]。此外，硅、铝元素在地壳的储量均比较丰富，成本低廉。因此，高硅铝合金作为一种潜在的电子封装材料，具有广阔的应用前景。Al-Si合金的二元相图如图1-2所示，其共晶点为12.2wt%，而且硅、铝之间的相互固溶度很低，铝在硅中几乎没有固溶度，因此当硅含量在50wt%以上时，铝硅合金在一般条件下凝固很容易形成粗大的初晶硅，初晶硅的尺寸可以达到几百个微米甚至更大，这将会会严重影响材料的传热性能等。随着封装的发展，有的超薄封装材料的厚度达1mm以下，若整个硅颗粒贯穿于整个封装面，则这将大大影响材料封装性能。另一方面，第二相粒子的尺寸过大，也严重影响复合材料的力学性能和加工性能。因此，获得较小晶粒的硅铝合金是材料制备过程的关键。金属基复合材料金属基复合材料除了具有基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，MMCs还具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和分布的几乎没有穷尽的组合，使MMCs具有多样性。一般电子封装用增强体有纤维、晶须和颗粒几大类。用于电子封装材料时，对增强体的要求是[12]:①较低的CTE；②高的导热系数；③与基体材料具有良好的相容性；④低密度；⑤低成本。用于电子封装的金属基复合材料主要是Cu基和Al基复合材料，常用的增强体[13]包括：C、B纤维、金刚石、碳化物(如SiC,TiC)、氮化物(如AlN、Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)等。所得复合材料不仅具有比强度、比刚度高等特点，而且导热性能良好、热膨胀系数可调、密度较低。