電子封裝材料
出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)
目錄 |
什麼是電子封裝材料[1]
電子封裝材料是指用於承載電子元器件及其相互聯線，起機械支持，密封環境保護，散失電子元件的熱量等作用，並具有良好電絕緣性的基體材料，是集成電路的密封體。
電子封裝材料的分類[2]
電子封裝材料分類有多種，一般可以按照封裝結構、形式、材料組成來進行分類。
從封裝結構分，電子封裝材料主要包括基板、佈線、層問介質和密封材料。基板一般分為剛性板和柔性板．柔性板電路具有輕、薄、可撓曲等特點，適用於攜帶型電子產品和無線通訊市場。基板金屬化就是通過金屬佈線把晶元安裝在基板上，佈線要求具有較低的電阻率和良好的焊接性。層間介質分為有機(聚合物)和無機(SiO2、Si3N4和玻璃)2種，起著保護電路、隔離絕緣和防止信號失真等作用。環氧樹脂系密封材料目前占整個電子密封材料的90％左右．環氧樹脂成本低、產量大、工藝簡單，近年來發展迅速。
從封裝形式分，可分為氣密封裝和實體封裝。氣密封裝是指封裝腔體內在管芯周圍有一定氣氛的空問並與外界相隔離；實體封裝則指管芯周圍與封裝腔體形成整個實體。
從材料組成分，可分為金屬基、塑料基和陶瓷基封裝材料。
新型電子封裝材料的優勢[1]
1.金屬封裝材料
金屬封裝材料具有較高的機械強度、散熱性能優良等優點，並且對電磁有一定屏蔽功能，在功率器件中得到廣泛應用．傳統的金屬封裝材料主要有：Cu，Al，Kovar合金，Invar合金及W，Mo合金等．大多數金屬封裝都屬於實體封裝，但實體封裝對封裝材料要求較高，必須緻密、抗潮，與管芯材料粘附和熱匹配良好，而且在高溫、低氣壓下不應產生有害氣氛。
理想的金屬封裝材料要求具有高的熱導率(TC值)和低的熱膨脹繫數(CTE值)及密度(ρ值)．Cu，Al或Al合金都具有良好的熱傳導率，質量較輕，成本低、強度高等優點，易於形成絕緣抗侵蝕薄膜，因而使用廣泛． 金屬基板是以其錶面的陽極氧化膜作為其絕緣層，但是因為 與其氧化膜的熱膨脹繫數相差很大，當金屬基板受熱時，氧化膜容易開裂，影響封裝的可靠性。此外，Cu，Al及合金的CTE值太大(Al的CTE為23．6×10 − 6/℃，Cu的CTE為17．8×10 − 6/℃，容易引發迴圈熱應力。
Cu／Mo合金和Cu／W合金具有較高的熱導率及相匹配的CTE，但M0，W的價格較高，加工、焊接性能差而密度卻又是Al的好幾倍，不適合對重量有要求的應用領域，限制了其應用．而Kovar合金雖然具有很低的CTE，在數值上與晶元材料GaAs的CTE較接近，而且Kovar合金的加工性能也較好．如利用機械加工Kovar合金製作的熱沉和殼為一體的外殼，膨脹繫數小，製作方便，但散熱性不好。正是因為其導熱繫數太低，密度也很低，使其難以廣泛應用。
2.塑料封裝材料
塑料封裝具有價格低廉、質量較輕、絕緣性能好和抗衝擊性強等優點．塑封裝所使用的材料主要是熱固型塑料，包括酚醛類、聚酯類、環氧類和有機硅類．其中以環氧樹脂應用最為廣泛．但是，塑封裝材料如環氧材料，氣密性不好，大多對濕度敏感．在迴流焊過程中，塑封料吸收的水受熱易膨脹，會導致塑封器件爆裂。環氧樹脂材料的熱力學性能受水氣的影響很大．在高溫情況下，潮氣會降低材料的玻璃化轉變溫度、彈性模量和強度．水氣還會造成封裝器件內部金屬層的腐蝕破壞，改變塑封料的介電常數，嚴重影響封裝的可靠性．此外，塑料封裝晶體管多數含有鉛，毒性較大，考慮到環保因素，RF晶體管通常採用成本比塑料高許多的陶瓷來充當電子封裝材料。
3.陶瓷封裝材料
目前，已用於實際生產和開發應用的陶瓷基片材料主要包括Al2O3，BeoO和AIN等。陶瓷封裝的優點在於耐濕性好，良好的線膨脹率及熱導率，同時具有優良的綜合性能。
大功率密度封裝中晶元所產生的熱量主要通過基片材料傳導到外殼而散髮出去的．不同的基片材料其導熱性能各異．對高導熱的基片BeO基片和AIN基片等，可以滿足自然冷卻要求．對於導熱性較低的基片，如Al2O3基片，難以滿足自然冷卻的要求，必須附加電風扇、散熱片或進行水冷等強製冷卻辦法，或在保證一定的機械強度條件下，儘量減少基片厚度，增加高導熱填充材料以減少熱通道上的熱阻。Al2O3和BeO基片是廣為使用的傳統材料。但由於其綜合性能、環保、成本等因素己難以滿足功率微電子封裝的要求，眾所周知BeO晶須可以透過人體皮膚進入體內，毒害性很大，而綜合性能優越的AIN基片將替代以上兩種基片逐漸成為功率微電子封裝的優良基片。
4.金屬基複合封裝材料
綜上所述，單一基體的各種封裝材料無法滿足各方面性能的綜合要求．只有金屬基複合材料才能全面滿足如上的要求．它尤其適於現代化高速發展的功率HIC，微波毫米波MMIC，MCM和大電流功率模塊的功率封裝及作為散熱片應用．
金屬基複合材料被譽為21世紀的材料，是滿足信息時代高速發展所提出的全面要求的新型材料．金屬基複合材料在發揮基體材料優良性能的基礎上還具有其它組元材料的特點，特別是它能充分發揮各組成材料的協同作用．從而還使材料設計有了很大的自由度．還可以根據材料的要求合理的選擇組成材料的組元及其增強方式．
電子封裝常用的金屬基複合材料主要是微觀強化型金屬基複合材料。按增強物類型可分為：連續纖維增強金屬基複合材料、非連續增強金屬基複合材料、自生增強金屬基複合材料、層板金屬基複合材料．按基體類型可分為：鋁基、銅基、銀基、鈹基等．基中以Al／SiC最為突出．SiC顆粒作為增強材料具有性能優異，成本低廉的優點，其CTE為4．7×10 − 6/℃，與Si的CTE最為接近，熱導率為80～170 W／m.K，彈性模量達450GPa，密度為3.2g/cm3；Al作為基板材料，具有高導熱(170～220 W／m.K)、低密度(2．7 g/cm3)、價格低廉和易於加工等優點，又剋服了各自的缺點，所以能表現出綜合的優異性能。
電子封裝材料的發展趨勢[2]
未來數十年內，微電子封裝產業將更加迅猛發展，將成為一個高技術、高效益、具有重要地位的工業領域，發展前景十分廣闊。在未來相當長時間內，電子封裝材料仍以塑料基為主，發展方向為：
(1)超大規模集成化、微型化、高性能化和低成本化；
(2)滿足BGA、CSP、MCM等先進新型封裝形式的新型環氧模塑料；
(3)無滷、銻元素，綠色環保，適用於無鉛焊料工藝的高溫260℃迴流焊要求；
(4)開發高純度、低黏度、多官能團、低吸水率，低應力、耐熱性好的環氧樹脂．。新型環氧模塑料將走俏市場，有機硅類或聚酰亞胺類很有發展前景。
在軍事、航空航天和高端民用電子器件等領域，陶瓷基封裝材料將向多層化方向發展，低溫共燒陶瓷具有廣闊的前景．多層陶瓷封裝的發展重點是可靠性好，柔性大、成本低．高導熱、高密封的A1N發展潛力巨大，應在添加物的選擇與加人量、燒結溫度、粉料粒度、氧含量控制等關鍵技術上重點突破．未來的金屬基封裝材料將朝著高性能、低成本、低密度和集成化的方向發展．輕質、高導熱和CTE匹配的Si／Al、SiC／Al合金將有很好的前景。隨著微電子封裝技術朝多晶元組件(MCM)和錶面貼裝技術(SET)發展，傳統封裝材料已不能滿足高密度封裝要求，必鬚髮展新型複合材料，電子封裝材料將向多相複合化方向發展。
