高體分SiC/Al與若干電子封裝基板材料的對比

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春,130033）

高體分SiC/Al與若干電子封裝基板材料的對比

包建勛

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春,130033）

綜合比較了傳統電子封裝基板材料與高體積分數SiC/Al復合材料的各方面性能，結果顯示，高體分SiC/Al復合材料具有優異的機械與熱物理綜合性能，且制備成本適中，線膨脹系數可根據不同的半導體材料特性進行調整，因此是基板材料的較佳備選材料。

高體積分數SiC/Al;電子封裝;基板材料;制備工藝

0 引言

智能制造和物聯網的發展，要求電子系統的板上封裝密度呈指數式增加；另一方面，大功率系統，如大功率LED和IGBT等在工業屆和日常生活變得不可或缺。這些應用需求都對未來電子封裝技術提出了極大的挑戰。其中，電路基板制造是電子封裝中重要的環節。當前主流基板材料分三類：高分子材料為各類高導熱環氧樹脂；合金類材料包括Al合金，Cu-W合金，kovar合金，Be合金；陶瓷封裝材料多用于高溫封裝：Al2O3陶瓷，ZrO2陶瓷，Si3N4陶瓷，SiC陶瓷和AlN陶瓷。這些材料均有突出的優點，但也有明顯局限性。本文從提高電子系統可靠性出發，將高體分SiC／Al復合材料與上述材料各方面特性進行詳細對比，探討電路基板可能的發展方向。

1 電子基板材料可靠性要求

1.1 基板材料熱物理性能

線膨脹系數和材料比剛度是考察基板材料的兩個最重要因素。如圖1所示，半導體器件和基板之間存在線膨脹差，則在冷熱循環中，焊盤、基板和半導體芯片之間，因熱失配而產生交變應力。交變應力峰值與材料線脹差及溫差成正比，差異越大，交變應力峰值越大，封系統熱疲勞壽命就越低。

基板材料導熱性能，決定了整個系統散熱效率和熱均勻性。基板材料熱導率低，一導致系統散熱慢，二引起熱集中。半導體器件和導線長時間高溫下工作，電器性能和壽命會大大降低，甚至面臨損毀風險。熱集中則加大熱失配應力和應變，加劇系統壽命的縮短。

1.2 基板材料機械性能

基板為器件提供機械支撐，其失效形式主要是沖擊斷裂和疲勞損傷。沖擊與振動有關，振動也引起疲勞損傷。由圖1可推斷，在外載頻率達到或接近基板固有頻率時，器件和基板連接處位移達到最大，亦即其機械失效概率最大。提高材料比剛度K，可以提高基板一階固有頻率，見式(1).

材料斷裂韌性和斷裂吸收能量關系見式(2), 斷裂韌性高則材料抗沖擊破壞抗力就高，尤其式對于大面積的陶瓷基板，斷裂韌性對其可靠性影響尤為突出。

KIC為材料平面應變斷裂韌性，σ為材料瞬時拉應力，ω是完全斷裂單位體積材料完全斷裂所需要外界輸入的能量。

總結起來，評價電子封裝基板材料可靠性可從線膨脹系數，導熱率，比剛度和斷裂韌性四個方面著手。

圖1 電子封裝系統示意圖

表1 主流基板材料熱物理性能和機械性能

2 比較討論與結論

常用封裝基板材料和高體分SiC／Al復合材料的特性見表1.主流基板材料在線膨脹系數，導熱率，比剛度和斷裂韌性等，某些方面優勢突出，但在其他方面呈劣勢，甚至由其他方面的局限性。

比較線膨脹系數，Kovar合金，W-Cu合金，Al2O3，SiC和AlN陶瓷均接近于常用半導體材料。但是Kovar合金和Al2O3的熱導率明顯不足，同時Kovar與W-Cu合金存在比剛度低的缺點。SiC和AlN的斷裂韌性較低，另外SiC和AlN陶瓷的制備成本非常高，難以大規模推廣應用。

在熱傳導方面，Be/BeO，Al合金，W-Cu, SiC, AlN都是較佳候選材料。但Al合金和Be/BeO線膨脹系數較大，此外后者是劇毒。

比剛度方面，陶瓷材料和Be/BeO是優先考慮的材料，但是前者斷裂韌性低，后者線膨脹系數大且具有毒性。

在斷裂韌性方面，金屬材料和高分子材料是首選，但在比剛度和線膨脹系數存在的短板。

綜合來看，高體分SiC/Al復合材料具有陶瓷的低線脹和高比剛度特性，同時保留了金屬材料的導熱性能和韌性。該種材料制備、加工難度和成本適中，是新一代適合規模化生產的電子封裝材料。

注：1) 材料性能數據引用自美國www.matweb.com；

2) 線膨脹系數與熱導率數據為293～473K時材料的測量值。

[1] 李宏偉.大功率LED用高熱導率氮化鋁陶瓷基座的制備與封裝研究. 碩士學位論文，2014.

[2] 何青山.無壓浸滲法制備SiC/Al電子封裝材料.碩士學位論文，2012.

[3] Carl Zweben.Metal-Matrix Composites for Electronic Packaging[J].Journal of the Minerals,1992,44(7): 15-23.

包建勛，男，1984年出生，漢族，籍貫廣西，研究生，職稱：助理研究員，研究方向：金屬基復合材料.

Comparison of high volume fraction SiC/Al and a number of substrate materials for electronic packaging

Bao Jianxun
（Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences，130033）

The performances of the traditional electronic packaging substrate materials and high volume fraction SiC/Al composites were compared.The results show that the high volume fraction SiC/Al composites have excellent mechanical and thermal properties,and the cost is moderate.The linear expansion coefficient can be adjusted according to the characteristics of different materials,so it is a good material for the substrate.

high volume fraction SiC/Al;electronic packaging;substrate material;manufacturing process.