电子封装用金属基复合材料的研究现状

电子封装用金属基复合材料的研究现状
黄强' 顾明元'
(1．中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2．上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海 200030)
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：A

1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(TC)和密度是发展现代电子封装材料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(MMC)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SANDIEGO举行的TMS年会上对作为电子封装用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，从而更有利于获得具有低CTE的复合材料[5]；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[6]。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[10-12]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，其粉尘会对人体造成严重伤害，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TAl-SiCp体系而言，其发展的主要障碍在于过高的SiC。含量材料很难通过传统的机加工成型。而对于Al-Si体系而言，为满足热性能的要求，也要求具有高硅含量，因此同样存在材料的成型问题。尽管含硅量较低的Al-Si合金可以通过熔化铸造成型，但是在感兴趣的范围内(50-90wt％Si)，由于极端粗大的初晶硅相的存在，导致材料极度各向异性，已不再适合电子封装的应用。发展新的成型工艺，如粉末冶金工艺和喷射成型工艺则是当前的一个发展方向[14]。其它专门开发的，以封装材料为应用背景的复合体系还有很多。可利用高性能连续碳纤维(如AMOCO公司研制的K1100，其轴向热导达1100W／(m.K))作为增强体材料[15]。甚至有人将因具有形状记忆效应而表现出负热膨胀系数的Ni-Ti合金棒镶人铜中，即使合金棒的体积分数为35％，材料的径向CTE也已达4．0ppm／K，TC为264W／(m.K)[16]。

选择不同的复合材料体系，研制新型的电子封装材料用MMC也是研究的另一个重要方向，但十余年的研究表明，很难找到一种各项性能指标均十分理想的复合材料体系。因此对某一体系，需明确其发展的突破口，有针对性的加以研究。

3电子封装用A1/SiCp的研究及发展方向

在各种封装用MMC中，最先引起人们的注意并得到大力发展的是Al／SiC颗粒增强复合材料[5,17-19]。这一方面是由于SiCp本身具有优良的物理性能：CTE4．OppnVK，弯度3．2g／cm3随纯度和微结构的不同，其TC位于80-200W／(m.K)之间，高纯SiC甚至达400W／(m.K)p"；另一方面则是因为SiC。作为磨料的市场已非常成熟，价格较低的缘故。前已述及，由于在实际使用过程中，封装用MMC将与半导体芯片或陶瓷基板直接接触，这就要求两者的CT冕尽可能的匹配。对AI／SiCp而言，为满足这一性能要求，SiC。的体积分数均需在55-75％这一范围。常规的复合材料制备工艺，如搅拌铸造法和粉末冶金法已不再适用于电子封装用A1／SiCp，同时对于异形部件而言，也很难用传统的机加工成型，更谈不上规模化的生产了。只有发展净成型工艺才能有效地解决这一问题。因此，可以说成型问题即是AI／SiCp在电子封装领域得以广泛应用的突破口。

自二十世纪九十年代以来，美国的一些公司即已开始着手发展直接用于电子封装Al／SiCv的一次成型工艺。目前Ceramics Process Systems Corp．(CPS)，PCC Composites以及Lanxide Electronic Component均已实现了这一目标，并实现了规模化生产[21]。英国的GEC-Marconic Research Center也曾专门立项对其进行研究[22]。可简单地将复合材料的净成型分为素坯的净成型及金属与素坯的复合两个阶段，而前者则是能否最终实现MMC一次成型的关键。素坯的成型基本上采用陶瓷素坯的工艺，且为满足异形部件生产的要求，基本上采用湿法成型工艺。CPS采用QuickSetTM工艺来实现素坯的成型[23]QuickSetTM实际上是一种陶瓷素坯成型工艺的改进。SiC浆料的固化采用温度诱导法，即是将制备好的浆料注模后迅速冷致一定的温度，随后将固化的浆料置于低于有机溶剂蒸汽压的环境中使用使其迅速挥发。利用该工艺，SiCp的体积分数可控制在60-70％，邑产品具有很高的尺寸精度，不足之处在于该工艺较为繁琐，且周期较长。PCC Composite主要则通过加入有机粘接剂来实现SiCp浆料的固化，因此在压渗之前需对素坯进行高温脱脂处理，因而容易造成素坯的分层及开裂，进而影响最终产品的质量。

国内目前从事电子封装用AI／SiCp的研制与开发工作的有北京航空材料研究院和上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室等少数几家单位。从产品的性能上看，相同SiCp体积分数的材料，CTE和密度已完全达到国外产品的指标，只是TC值偏低(1 30-1 80W／(w，K))。分析认为，其主要原因在于所使用SiCp增强全导热性能上的差异所致。热物性中，CTE对材料的成分并不敏感，但TC的大小却与所使用的原材料密切相关。目前国内基本上直接使用作为磨料的SiCp作为复合材料的增强体，TC偏低，从而导致复合材料的导热性的下降。从素坯的制备工艺看，北京航空材料研究院也采用有机粘接剂来实现SiC坯体的成型，当然同样也存在排粘的问题。金属与坯体的复合则采用无压浸渗的工艺来实现。上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室则借鉴陶瓷素坯的胶态成型工艺，针对复合材料用素坯的特点，以水作为介质，通过加人少量无机粘接剂实现浆料的固化，并通过后续的压渗工艺成型[24-25]，且已实现了封装用Al／SiCp的近净成型，目前仍在浆料的固化以及产品的尺寸精度的控制上作深入的研究。

4结束语MMC由于其独特的性能优势引起了人们的广泛关注，并伴随电子封装技术的迅速发展而不断发展。而其中AVSiC。复合材料由于性能和成本上的优势已成为现代微电子元器件的理想封装材料，特别在高密度封装、军事及航空航天工业中更是具有明显的优势。该种材料在国外已经实现了批量生产，但目前仍属禁止出口产品之列。与国外相比，国内的研究及生产水平尚存在一定的差距，但发展方向明确，经过一段时间的研究，定将会在产品的成型和性能上取得进一步的发展。与此同时，国内的材料研制者和封装设计者应加强相互的联系与交流，以相互促进，共同推进我国电子封装技术的发展。


本文摘自《电子与封装》

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铝碳化硅（AlSiC）材料和当前普遍使用的钨铜材料相比，热膨胀系数（CTE），热导率，密度，刚度等方面都有很大的优势。
目前国内貌似还没有哪家企业可以生产高性能的AlSiC材料，国外的厂家除了上文中提到的，还有美国Thermal Transfer Composites,LLC公司（TTC公司），该公司的AlSiC产品已经广泛运用在各行各业。目前，该公司的产品已经通过代理进入到了国内，您可以登录http://www.torreyhillstech.cn查询更详细的技术资料。