无压浸渗法制备β-sical电子封装材料及其性能分析-preparation of β - sical electronic packaging material by pressureless infiltration method and its performance analysis.docx

1文献综述1.1引言材料、信息和能源被誉为现代社会文明的三大支柱，新材料技术作为新技术革命的先导技术，它的发展已经引起了世界各国政治家、科学家、经济学家的广泛关注。材料的研究、开发和发展成为衡量一个国家综合国力的重要标志。随着科学技术的迅猛发展与工业技术的快速进步，对材料的性能要求越来越苛刻。传统的金属材料，陶瓷材料和高分子材料等单一材料已经越来越不能满足工业应用的要求，对各类材料的性能进行剪裁和综合来适应不同的工作环境已是现代高新材料发展的必然趋势。1.2电子封装材料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（IC）问世以来，随着微电子技术的发展，芯片特征尺寸不断缩小（现已降到0.25~0.13μm或更小），在一块硅芯片上已能集成数万个或更多个门电路，促使集成电路的功能更高、更强，再加上整机和系统的小型化、高性能、高密度、高可靠性要求，市场上的性能价格比竞争，以及IC品种和应用的不断扩展，这些都促使微电子封装的设计和制造技术不断向前发展，各类新的封装材料也层出不穷，反过来，微电子封装技术的提高，又促进了IC和电子器件以及电子封装材料的发展。而且，随着电子系统的小型化和高性能化，电子封装和电子封装材料对系统的影响已变得和芯片一样重要。IC芯片集成度的发展越来越高，功率越来越大，而集成度的提高必然导致其发热功率的升高，使得电路的工作温度不断上升，而温度的升高会改变有源器件的电学参数，如增益、漏电流、失调电压等。目前的封装材料不能有效散热，从而导致电器元件失效率的增大[1-2]。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，首先要求对封装的结构进行合理的设计；然后，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性能的新型封装材料显得尤为重要。为了满足高密度、小型化、大功率集成电路的要求，理想的电子封装材料必须具备以下特性[3-5]：(1)有较高的热导率，能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去，以免电路温度过高而失效；(2)有较低的热膨胀系数(CTE)且与芯片Si（4.1×10-6K-1）或GaAs（5.8×10-6K-1）等芯片相匹配，以免芯片因热应力损坏，研究表明:当基板和芯片的热膨胀系数差超过1.2×10-5K-1时，只能承受约100个热循环便出现分离；(3)有足够的强度和刚度，对芯片能起到支撑和保护作用；(4)有较好的气密性，防止大气中的水汽、有害离子进入封装构件中，使封装构件产生表面漏电、引起参数变化等失效模式；(5)在某些特殊场合(如航空航天应用方面，轻量化移动通讯设备)还要求密度尽可能小；(6)最后生产成本要尽可能低，以满足大规模商业化应用。1.2.1传统的电子封装材料传统电子封装材料包括三类，一类是金属及其合金，包括Al、Cu、Mo、W、Kovar合金、Invar合金等。这类封装材料具有较高的机械强度、散热性较好，并且具备一定的电磁屏蔽功能，在功率器件中得到广泛的运用[6]。表1.1是常用电子封装材料及其成分的性能参数。从表中可以看出Al、Cu及其合金都具有很高的热导率，成本低廉，强度高可以用作功率器件的基座和热衬，但其热膨胀系数较大，与芯片材料Si或GaAs的热膨胀匹配性能差，导致不能承受大的残余应力，而这些残余应力影响到集成电路和基板的可焊接性及加工性，是其产生脆性裂纹的一个普遍原因，引起器件整体的可靠性下降。Kovar合金（Fe-Ni-Co合金）与Invar合金（Fe-Ni合金）热膨胀系数小，可与基片材料相匹配，但是其热导率较低，散热效果差，且密度大，这就限制了它的应用。Mo、W、W-Cu和Mo-Cu材料的热膨胀系数和热导率都较合适，但是密度很大、可焊接性差，且价格也较贵，这些合金的大密度使它们不适合用于航空、导弹、宇航用等电子设备。目前，开发应用的陶瓷基片材料主要是Al2O3、BeO、AlN等。陶瓷封装材料热膨胀系数低，热导率适中，抗老化，耐腐蚀性能好，是一种新兴的封装材料。但是陶瓷的烧结，成型，工艺复杂，后续加工困难，形状难以复杂化，大部分的氧化物(A12O3、BeO等)热膨胀系数都十分小，但它们的热导率都很低；金刚石颗粒的价格高、来源少，尽管它的热膨胀系数、热导率和密度等都十分理想，但在应用方面受到极大的限制。AlN颗粒的热膨胀系数为4.5×10-6K-1与Si的热膨胀系数相近，热导率接近200W·m-1·K-1，但其易水解，价格也较高。可见，这些材料都不能兼顾电子封装所需要的综合性能。SiC颗粒具有高模量、高硬度、低热膨胀、高导热率，而且其来源广泛、成本低廉，是目前使用最广泛的颗粒增强物。现阶段最受关注的电子封装用金属基复合材料是高热导碳纤维和碳化硅颗粒增强铝和铜基体。另一类封装材料是塑料封装材料，他们具有密度小，绝缘性能好，价格便宜等优点。主要包括聚