大功率密度封装用粉末冶金材料

Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M大功率密度封装用粉末冶金热沉材料安泰科技股份有限公司Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M集成电路封装就是将一个具有一定功能的集成电路芯片（包括半导体集成电路芯片、薄膜集成电路基片、混合集成电路芯片）放置在一个与之相应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境，保护芯片不受或少受外部环境影响，使集成电路具有稳定正常的功能。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M塑料封装材料（酚醛类、环氧类、聚脂类、有机硅）金属封装材料（Cu、可伐、Si/Al、WCu、MoCu、Cu-Mo-Cu）陶瓷封装材料（AlN、SiC、BeO）陶瓷金属封装材料（SiC/Al)其他（CVDDiamond、Diamond/Cu、Diamond/Ag））电子封装材料分类Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•塑料封装由于具有成本低和便于自动化生产的优点，国际上90％的集成电路都采用塑料封装，并且随着塑封材料、封装结构和工艺的不断改善，比例还在不断扩大。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M在功率半导体器件、高集成度微电子器件、微波电子器件、光电器件中，随着工作频率和功率密度的不断提高，对器件的散热问题提出了严重的挑战。Intelhas“hitathermalwall”《纽约时报》－5/17/2004Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•ThermalManagement－电路设计－封装材料选择（Heatsink)－生产工艺选择－封装结构设计Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M热沉材料（HeatsinkMaterials）1、具有高的导热系数芯片的高集成度要求电子封装日益小型化，这就必然带来一个问题：芯片发热量提高，电路工作温度不断上升。在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2～3倍。因此热沉材料必须具有高的导热性能，辅助散发电路中产生的热量。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M2、匹配的热膨胀系数匹配即与电子器件用陶瓷或其他介质的膨胀系数的差值小于10％，这样可以降低热阻，提高工件的稳定性、可靠性，延长使用寿命。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M3、气密性为保证电子元件工作的稳定性，高精密度的电子元件空腔要求为高真空，封装材料任何微量的漏气都可能导致电子元件的失效。因此要求电子封装材料具有很高的气密性。在热沉材料中，高的相对密度意味着高的气密性。4、一定的机械强度保护整体封装结构，防止外部机械性的破坏。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M材料成分密度（g/cm3）热膨胀系数（10-6/K）热导率（W/mK）AlSiCAl+(50%-70%)SiC3.006.5-9.0170-200CuWW+(10%-20%)Cu15.6-17.06.5-8.3180-200CuMoMo+(15%-20%)Cu10.007.0-8.0160-170AlSi60%Al+40%Si2.5315.4126KovarFe+Ni8.105.917Cu8.9617.8398Al2.7023.6238Si2.304.2151GaAs5.236.554Al2O33.606.717BeO2.907.6250AlN98%purity3.304.5160-200Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M二、热沉材料的制备工艺传统Al2O3陶瓷基片生产工艺Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M原料粉末混合压坯成型烧结圆盘研磨CNC加工行星研磨电镀Ni、Au高热导WCu、MoCu、AlN生产工艺Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MAlN陶瓷的烧结非常困难，采用热压、热等静压、SPS烧结等方法能够制备出高密度高质量的AlN制品，但这些工艺成本高、效率低，无法满足电子行业日益增长的需求量。目前常用的方法是添加Y2O3、CaO等烧结助剂的常压烧结。添加剂在高温下和AlN颗粒表面的氧化铝反应生成低熔物，产生液相，促进了AlN陶瓷的致密化。液态晶界相的存在也减少了AlN晶格中的氧缺陷，提高了AlN陶瓷的热导率。采用这种方法可制备出热导率为170～220w/m·k的AlN基片。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MW-Cu、Mo-Cu合金热沉材料的制备•W粉与Cu粉直接混合烧结。由于W、Mo与Cu几乎没有任何的溶解度，直接混粉烧结很难获得高致密度Wcu、MoCu复合材料。Ni、Fe烧结组剂的添加将极大降低WCu、MoCu的导热性。比较成功的工艺是机械合金化与W/Cu包覆粉末制备工艺。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M一定配比原料粉末卧式高能球磨Ar气保护超细WCu合金粉末烧结优点：工艺流程相对简单。缺点：高能球磨带入杂质对导热率影响。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MW包Cu合金粉末直接烧结WO3＋CuO混合高能球磨还原WO3+CuOWO3+Cu（300°C）WO3+CuWO2.9+Cu（380°C）WO2.9+CuWO2.9+WO2.72＋Cu（500°C）WO2.9+WO2.72＋CuWO2+Cu（600°C）WO2+CuWO2+W＋Cu（650°C）WO2+W＋CuW+Cu（over700°C）Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M90WCu混粉直接烧结金相照片烧结密度低，孔隙大，导热率低Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M复合包覆粉末烧结WCu金相照片Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•其它常用的制备方法为熔渗法，即将W粉、Mo粉压制成型后，在一定温度下烧结得到所需的骨架孔隙度，再将Cu渗入孔隙中。•其优点是用这种方法制备的材料，热导率高，气密性好。•缺点：工艺过程较复杂，无法使用MIM工艺制备复杂形状产品。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MW粉末成型预制件烧结Cu熔融浸渗机械加工电镀国内目前主要采用的工艺，由于各工序对最终Cu含量均有影响，对精确控制W/Cu合金的成分，即精确控制热导率上有一定困难。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&MSiC/Al材料的制备•目前采用的方法是先成型SiC颗粒预制件，再将Al液熔化后渗入合成。由于SiC和Al的润湿性差，Al无法自发渗入，多采用压力熔渗、基体金属合金化、陶瓷颗粒表面涂层等方法改善其润湿性。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M不同Al含量SiC/Al的CET值Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M原料粉末成型粉坯活性处理高温热处理渗铝处理多孔粉坯半成品多孔SiC骨架SiC/Al复合材料压力浸渗自浸渗Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M浸渗SiC/Al复合材料金相照片Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MPROPERTIESDATASeries7001200Densityg/cc3.022.77ThermalConductivityW/mK210170ThermalExpansionPPM/ºC6.0-8.016.0–18.0ElectricalConductivity%IACS725–27Young'sModulusGpa224100ThermalCapacityJ/ccºC2.222.05国外SiC/Al热沉产品性能Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M热膨胀系数6.5～9.5×10-6/K之间任意可调导热率170～200W/mK电阻率30～50μΩ·cm抗弯强度350～500MPa弹性模量200～230GPa密度2.95～3.00g/cm3尺寸范围3×3×0.5mm3～100×60×10mm3尺寸精度±0.05mm表面粗糙度1.6～3.2μm镀层厚度3～10μm镀层质量400℃空气烤15min，镀层无起泡、起皮或变色现象国内报道SiC/Al材料性能Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M超高热导热沉材料•CVD金刚石薄膜Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•金刚石熔点高达3000ºC以上，抗氧化能力强，天然IIa型金刚石晶体室温下热导率为2000W/mk，是已知物质中最高的，为Cu的5倍。化学气相沉积（CVD)金刚石为多晶结构，膜内存在大量杂质与缺陷，其导热性能一般达不到天然金刚石的水平。•金刚石热沉是解决迅猛发展的芯片散热问题的理想材料。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•热丝CVD制备金刚石薄膜的基本原理是将含碳气源（如甲烷）和氢气在灯丝产生的高温（2000ºC以上）作用下分解离化后产生含碳基团和原子氢等，他们的相互作用促使构成金刚石的SP3杂化碳－碳键的形成，从而在基体（温度600-1000ºC）表面沉积金刚石薄膜。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M颗粒增强型金刚石/金属基复合热沉材料Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M金刚石颗粒/SiC热沉材料Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M金刚石颗粒增强Cu基热沉材料Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M金刚石颗粒增强Al基热沉材料Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&MRef.Mat.&CeramicsBranchAT&M总结•高热导封装材料对于高频率、高功率密度的IC器件的性能、可靠性有至关重要的作用。•通过材料的改进，可以省去高功率密度集成电路需要的散热管（针）、风扇、冷却液等装置。•高热导封装材料向着更高的热导率、更轻的重量、更低的成本方向发展，在无线通讯、高集成度微电子产品、便携式电子产品、相控阵列雷达等军事电子器件、航天航天等领域有非常广阔的应用前景。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•国外第二代WCu、MoCu、Cu/Mo/Cu、AlN、SiC/Al等新型高导热封装材料已可以规模化生产，通过生产工艺的不断改进，产品质量的稳定性不断提高、产品价格不断降低，已达到工业化使用水平。热导率大于500W/mK的第三代颗粒增强型金刚石热沉材料已有产品生产，热导率大于1000W/mK的CVD金刚石薄膜热沉材料的研究正在进行中，已能在试验室合成。•国内目前还没有可以批量化生产第二代高热导封装材料的单位。中南大学、西北工业大学、安泰科技股份有限公司、北京有色金属研究总院分别在不同的封装材料领域进行研究。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•高热导封装材料的使用要求很高，对产品质量的稳定性、机械加工精度、电镀水平有一系列非常严格要求，是国内该类材料研究的主要难点。•国内目前对高热导封装材料的实际应用需求较少，限制了对材料研究的投入。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M•高导热封装材料的研究是IC发展过程中无法回避的问题。在中国正逐步成为世界IC器件生产、制造中心的大环境下，需要政府、企业、研究院所共同对研发进行投入，克服困难，早日实现国内高导热封装材料的规模化生产。Ref.Mat.&CeramicsBranchAT&M谢谢Thankyouforyourattention