電子封裝材料的研究與應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

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電子封裝材料的研究與應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

對電子封裝材料的分類、制備方法和主要性能要求進行了概述，從陶瓷基封裝材料、環氧樹脂封裝材料、金屬基封裝材料、金屬基復合封裝材料四方面對電子封裝材料進行了介紹，并對電子封裝材料的應用與發展趨勢進行了展望。

電子封裝材料； 研究； 應用； 綜述

隨著現代電子信息技術的提高，電子產品已向小型化、便攜化、多功能化方向發展，同時，電子封裝的材料、技術和工藝也與電子產品的設計和制造一起,共同推動著信息化社會的發展。電子封裝材料主要包括基板、布線、框架、層間介質和密封材料，最早用于封裝的材料是陶瓷和金屬，隨著電路密度和功能的不斷提高，對封裝技術提出了更多更高的要求，同時也促進了封裝材料的發展。

1 電子封裝材料概述

1.1 電子封裝材料分類

電子封裝材料分類有多種,一般可以按照封裝結構、形式和材料組成來分。從封裝結構分,電子封裝材料主要包括基板、布線、框架、層間介質和密封材料；從封裝形式分,可分為氣密封裝和實體封裝；從材料組成分,可分為金屬基、塑料基和陶瓷基封裝材料[1]。

目前,電子封裝復合材料主要有四大類： ① PMC復合材料,即聚合基復合材料；② MMC復合材料,即金屬基復合材料；③ CCC復合材料,也稱碳/碳復合材料；④ CMC復合材料,即陶瓷基復合材料。四大類材料中,金屬基復合材料是研究最早、理論描述最為完善的一類復合材料。

1.2 制備方法

高體分SiC/Al復合材料具有優異的機械和熱物理性能，使其在電子封裝領域具有巨大的潛力。近20年來，研究人員對其制備技術進行了積極的探索，開發了若干種高體分SiC/Al復合材料制備方法。目前比較成熟的工藝有攪拌鑄造、粉末冶金、液相浸滲、噴射沉積等。

SiCp/Cu電子封裝材料有望成為繼SiCp/Al后的新一代電子封裝材料，開展SiCp/Cu電子封裝材料的研究具有十分重要的理論和實際意義。

目前，SiCp/Cu電子封裝材料的制備方法主要有粉末冶金法、放電等離子燒結法、無壓浸滲法、壓力浸滲法和反應熔滲法等，見表1。

表1 SiCp/Cu電子封裝材料的制備方法[2]

1.3 主要性能要求

(1) 塑料封裝材料。塑料封裝具有價格低、質量輕、絕緣性能好等優點，所使用的材料主要是熱固性塑料，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。

(2) 陶瓷封裝材料。陶瓷封裝屬于氣密性封裝，陶瓷封裝材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。陶瓷封裝的優點是耐濕性好、機械強度高、熱膨脹系數小和熱導率高，Al2O3陶瓷是目前應用最成熟的陶瓷封裝材料，以其價格低廉、耐熱沖擊性和電絕緣性較好、制作和加工技術成熟而被廣泛應用。

(3) 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，傳統的金屬封裝材料有Cu、Al、Mo、W、Kovar、Invar以及W/Cu和Mo/Cu合金。

(4) 金屬基復合封裝材料。金屬基復合材料的基體通常選擇Al、Mg、Cu或者它們的合金。這些純金屬或合金具備良好的導熱導電性能、良好的可加工性能及焊接性能，同時它們的密度也很低(如Al和Mg)。增強體應具有較低的熱膨脹系數(CTE)、高的導熱系數、良好的化學穩定性、較低的成本，同時增強體應該與金屬基體有較好的潤濕性，包括Cu基復合封裝材料、Al基復合封裝材料、碳纖維增強鎂基復合材料。

目前，集成電路正朝小型化、高密度組裝化、低成本、高性能和高可靠性方向發展，對基板、布線材料、密封材料、層間介質材料提出了更高要求，需開發出性能好、低成本的電子封裝材料，這對金屬基電子封裝復合材料的發展提供了巨大的空間。通過改變金屬基復合材料中增強體的形狀、大小、體積分數，尋找一種不僅與基板的導熱性能相匹配，又具有良好力學性能，而且制造方法經濟適用的電子封裝材料，是研究金屬基電子封裝復合材料的發展方向，幾種常用封裝材料性能指標見表2。

表2 幾種常用封裝材料性能指標[3]

2 電子封裝材料研究現狀

2.1 陶瓷基封裝材料

陶瓷基封裝材料是一種常用的電子封裝材料,相對于塑料基和金屬基,其優勢在于： ① 低介電常數,高頻性能好;② 絕緣性好、可靠性高;③ 強度高,熱穩定性好;④ 熱膨脹系數低,熱導率高;⑤ 氣密性好,化學性能穩定;⑥ 耐濕性好,不易產生微裂現象。

微電子技術要求器件封裝具有密集、輕薄、快速、成本低和散熱快的特點，陶瓷封裝基本上能滿足以上要求,但是成本較高,適用于高級微電子器件的封裝,如航空航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強的封裝；在移動通信、家用電器、汽車等領域也有著廣泛應用。

美國、日本等國相繼開發出多層陶瓷基片,使其成為一種廣泛應用的高技術陶瓷，目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、AlN、BeO、SiC和莫來石等。

2.2 環氧樹脂封裝材料

環氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機高分子化合物，由于其分子結構中含有活潑的環氧基團,能與胺、酸酐、咪唑、酚醛樹脂等發生交聯反應,形成不溶、不熔的具有三向網狀結構的高聚物。這種聚合物結構中含有大量的羥基、醚鍵、氨基等極性基團,從而賦予材料許多優異的性能,比如優良的黏著性、機械性、絕緣性、耐腐蝕性和低收縮性,成本比較低，配方靈活多變，易成型，生產效率高等,使其廣泛應用于電子器件、集成電路和發光二極管(LED)的封裝。

環氧樹脂中加入納米材料是一種行之有效的改性方法。納米材料的表面非配對原子多,與環氧樹脂發生物理或化學結合的可能性大,增強了粒子與基體的界面結合,因而可承擔一定的載荷,具有增強、增韌的可能,過精細控制無機超微粒子在環氧樹脂中的分散與復合,能以很少的無機粒子體積含量,在一個相當大的范圍內有效地改善復合材料的綜合性能,增強、增韌、抗老化,且不影響材料的加工特性。因此,如能采用有效的方法解決納米材料在環氧基體中的分散問題,將有可能制備出強度好、韌性高、耐熱的高性能封裝材料。

環氧模塑料(EMC)是由酚醛環氧樹脂、苯酚樹脂和填料(SiO2)、脫模劑、固化劑、染料等組成,具有優良的黏結性、優異的電絕緣性、強度高、耐熱性和耐化學腐蝕性好、吸水率低、成型工藝性好等特點,以EMC為主的塑料封裝占到封裝行業的90%以上。

隨著科技的進步，電子產品的小型化和輕型化，使環氧電子封裝材料成為環氧樹脂的一個重要應用領域。目前，環氧電子封裝材料除了廣泛應用于電子器件制造業外，還是航空航天、汽車、電器等元部件灌封中不可或缺的重要絕緣封裝材料。

當前,伴隨著電子產品高密度高性能的要求，出現了許多新的發展形式,電子封裝的概念已從傳統的器件轉為系統,即在封裝的信號傳遞、支撐載體、熱傳導、芯片保護等傳統功能的基礎上進一步擴展,利用薄膜、厚膜工藝以及嵌入工藝，將系統的信號傳輸電路及大部分有源、無源元件進行集成,并與芯片的高密度封裝和元器件外貼工藝相結合,從而實現對系統的封裝集成,達到真正的高密度封裝。封裝面向系統在國際上已成為該領域的制高點,各大公司都在投入巨資進行開發。高分子材料的發展將為封裝技術的革命提供更多可選擇的新型材料,特別是塑料共混改性技術的發展,一系列高性能、新功能、低成本新材料大量涌現。將反應性擠出增容技術、分子原位復合技術、反應性擠出合成技術等新技術應用于封裝材料的研究,必將大大推動封裝技術的進步和發展。高分子材料的改性新技術與面向系統的封裝相結合,有可能導致封裝技術的新革命[4]。

2.3 金屬基封裝材料

金屬基封裝材料較早應用到電子封裝中,因其熱導率和強度較高，加工性能較好,至今仍在研究、開發和推廣中，但是傳統金屬基封裝材料的熱膨脹系數不匹配、密度大等缺點妨礙了其廣泛應用。

傳統金屬基封裝材料已不能滿足要求,所以新型金屬基封裝材料要具有合適的熱膨脹系數、輕質高強、高導熱性能。目前研究重點為Si/Al合金、SiC/Al合金、Cu/C纖維封裝材料、Cu/ZrW208(TiNi)負熱膨脹材料等。目前傳統的金屬及金屬基封裝材料主要有Al、Cu、Mo、W、Kovar、Invar和W-Cu等。

針對高硅鋁合金復合材料，歐盟率先啟動了BRITE/EURAM研發項目，在Osprey Metal公司、Alcatel Space公司和GEC-Marconi公司的通力合作下，采用噴射沉積技術及后續加工技術，研制出了CE系列(Controlled Expansion線熱膨脹系數可控)高硅鋁基電子封裝材料[5]。

Diamond/Cu復合材料具有作為電子封裝材料所需要的優良性能,并且根據具體的使用需要,能通過調整復合材料中Diamond和Cu的比例,設計其最終的熱導率和熱膨脹系數的范圍,而Diamond/Cu復合材料已成為了國內外電子封裝領域研究的重點。

Diamond/Al復合材料作為第四代電子封裝材料，具有高熱導率、低熱膨脹系數和低密度等優良性能，成為研究重點，美國、日本和英國等發達國家已開始將Diamond/Cu、Diamond/Al等第四代封裝材料應用在軍用便攜計算機、高性能服務器、航空航天電子設備、光電子系統及離子顯示器等領域。對于Diamond/Al復合材料的研究，國外起步較早，主要集中在美國、日本和瑞士等發達國家，研究成果也較多，其制備過程中要解決的主要問題是保證Diamond顆粒與基體具有良好的界面結合，目前其制備方法主要有擠壓鑄造法、浸滲法和放電等離子燒結法等。

國外的Diamond/Cu復合材料的研究主要集中在美國、日本、歐洲。2002年，日本SEI公司制備出Diamond/Metal Composite for Heat Sink(DMCH)金剛石/銅復合材料，其主要性能見表3。

表3 SEI公司Diamond/Cu復合材料的主要性能[6]

2.4 電子封裝用金屬基復合材料

從性能方面來看，傳統材料如以Al、Cu、Kovar、Invar、Mo-Cu等為代表的第一代和第二代封裝材料，已無法滿足航空航天新領域及高集成電子器件對封裝材料綜合性能的高要求。而以高導熱碳材料(Diamond、碳纖維、熱解石墨、碳納米管、石墨烯)、SiC顆粒、Si顆粒為增強體，與Al、Cu、Ag等金屬復合得到的金屬基復合材料(Metal Matrix Composites， MMC)，具有高熱導率、輕質、低熱膨脹系數等優良的熱物理性能，是高性能組件封裝殼體的優選材料，正成為國內外相關領域的研究熱點。

金屬基電子封裝復合材料的基體主要為Cu和Al,按增強體和材料結構的不同可分為顆粒增強型、纖維增強型和平面復合型。顆粒增強型和纖維增強型是金屬基電子封裝復合材料的重要形式,它們發展較早,如今廣泛應用于封裝領域。

Cu基復合材料充分發揮了基體Cu的高導電、導熱特性，以及復合層的高強度、高硬度、低熱膨脹系數的特性,因而具有良好的綜合性能。就目前來看,Cu基電子封裝材料以復合的特點來分,主要有顆粒增強型、纖維復合型、平面復合型三大類[8]。

Al基復合材料不僅比強度、比剛度高,而且導熱性能好、線熱膨脹系數可調、密度較低,作為電子封裝元器件的選材,具有很大的開發應用潛力。常用的增強體包括C、B、碳化物(SiC,TiC)、氮化物(AlN,Si3N4)和氧化物(A12O3,SiO2);基體合金則可為純Al,或6061、6063、2024合金等。由于Al合金本身的線熱膨脹系數較大,為使其線熱膨脹系數與Si、Ge、GaAs等半導體材料相近,常須采用高體積分數的增強體與其復合,添加量甚至高達70%,但若用作與玻璃匹配的封裝材料,添加量則可以少些。物理性能的可控性,使Al基復合材料不僅能在結構上支持電子元件,而且保護其免于惡劣環境的影響并散熱,顯示出明顯的優勢。美國鋁產品公司自1980年起致力于Al基復合材料的研究,并成功地將體積分數(SiCp)為70%、73%的Al基復合材料用于半導體的封裝,提高了封裝的可靠性和散熱能力。國內多家單位和高校也開展了對Al基復合材料的研究。

碳纖維增強Mg基復合材料與Mg合金相比，基體合金除具有的低密度、高熱傳導性、高電導性、良好的阻尼減振性、優良的電磁屏蔽特性和易加工等性能外，還克服了Mg合金尺寸穩定性差、熱膨脹系數高、蠕變抗力小等缺點。在航空航天、電子封裝、汽車工業及軍工制造等高精密器械等領域，具有廣闊的應用前景。由于Mg及其合金的熔點較低(650℃左右)，C/Mg復合材料通常采用液態法來制備，如真空壓力浸滲、模壓鑄造、真空吸鑄和澆鑄等。在制備過程中，存在的最大困難就是液態Mg不能潤濕碳纖維，不能形成良好的界面結合。因此，液態Mg和碳纖維在界面處的物理和化學行為將極大地影響復合材料的性能。

3 電子封裝材料的應用

隨著航空航天領域的迅速發展，所應用的電子器件不斷微型化、高度集成化，并且可靠性要求越來越高，其電子封裝材料具有更高的熱導率及與芯片熱膨脹系數的匹配性，還要求其電子封裝材料具有更低的密度。BeO、AlN、Al/SiC與AlSi由于具有高熱導率、低密度及與芯片材料良好的熱膨脹匹配性，非常符合航空航天用電子封裝材料的發展趨勢，并已經逐步取代常用的一些封裝材料，必定在航空航天用電子封裝材料中擁有非常廣闊的應用前景。

由于塑料封裝半導體芯片的材料成本低，又適合于大規模自動化生產，近年來無論晶體管或集成電路都已越來越多地采用塑料封裝，陶瓷和金屬封裝正在迅速減少。現在，整個半導體器件90%以上都采用塑料封裝，而塑料封裝材料中90%以上是環氧塑封料，這說明環氧塑封料已成為半導體工業發展的重要支柱之一[9]。

環氧塑封料有兩個趨勢，一個是要無鉛化，要承受260℃無鉛工藝條件的考驗；另一個就是要從非環保向環保過渡，要無溴、無銻等。目前，面對全球范圍內日益高漲的環境保護需求，發展具有自主知識產權的新一代環氧塑封料產品具有十分重要的理論與現實意義，只有不斷開發和改進環氧塑封料，才能滿足半導體器件的可靠性。同時，應積極探索新型塑封料，以滿足超薄、微型化、高性能化、多功能化、低成本化以及環保封裝的要求。

封裝技術在不斷向高集成度、高封裝密度、小尺寸的方向發展,除了傳統的環氧塑封料性能不斷更新之外,還需要一系列高性能的先進封裝材料。PI樹脂、液體環氧封裝材料、高性能黏接材料。新型高功能封裝材料,如PI樹脂、BCB樹脂、BT樹脂、液體包封膠、導電膠、導熱膠等正蓬勃發展[10]。

自20世紀80年代末以來，SiCp/Al復合材料在美國、日本等發達國家得到廣泛研究開發，并首先被美國軍方應用于機載有源相控陣雷達的GaAs毫米波微波集成電路收/發組件(MMIC—T/R module)封裝外殼中，不僅提高了T/R組件性能，而且大大減輕了質量，明顯降低了機載和空基系統的成本。SiCp/Al復合材料作為輕質電子封裝及熱控元件還在一系列先進航空航天器中獲得了應用。如： F-18大黃蜂戰斗機、歐洲臺風戰斗機、EA-6B徘徊者預警機、ALE-50型誘餌吊艙等航空器，摩托羅拉銥星、火星探路者和卡西尼深空探測器等航天器。在F-22猛禽戰斗機的遙控自動駕駛儀、發電單元、飛行員頭部上方顯示器、電子計數測量陣列等關鍵電子系統中，替代包Cu的Al和包Cu的Invar合金作為印刷電路板板芯，取得了減重70%的顯著效果。這種材料還被用作F-22戰斗機的電子元器件基座及外殼等熱控結構等。經過十多年的開發和研究，SiCp/Al復合材料已廣泛應用于多種軍用和民用功率模塊的基板、功率放大器的熱沉、微處器封蓋及散熱板、空冷和液冷冷卻板、載體、封裝基板等。

高體分SiC顆粒增強Al(SiCp/Al)是第三代電子封裝材料的代表，在發達國家已進入實用階段。從20世紀開始，美國休斯公司、西屋公司為機載預警雷達開發,使用了該材料，成功改進了美軍機載電子系統的效能。隨后，它又作為新型輕質電子封裝及熱控材料在一系列為世人所矚目的先進航空航天器上獲得了正式應用。

在未來相當長的時間內,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 無鹵、銻元素,綠色環保,適用于無鉛焊料工藝的高溫260℃ 回流焊要求;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PI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AlN開發潛力巨大,應在添加物的選擇與加入量、燒結溫度、粉料粒度、氧含量控制等關鍵技術上進行重點突破。

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，只有金屬基復合材料才能全面滿足以上要求。由于電子封裝用金屬基復合材料具有無可比擬的性能和成本優勢,必然具有廣闊的應用天地。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芯片組件(MCM)和表面貼裝技術(SMT)發展,傳統封裝材料已不能滿足高密度封裝要求,必須發展新型復合材料,電子封裝材料將向多相復合化方向發展。

4 結束語

現在的集成電路向小型化、高密度組裝化、低成本、高性能和高可靠性發展，這對基板、布線材料、密封材料、層間介質材料提出了更高的要求，需要性能好、低成本的電子封裝材料。電子封裝的概念也已從傳統的面向器件轉為面向系統,封裝材料無鉛化、高性能化已成為必然趨勢。這些變化必將對電子封裝業,甚至整個電子制造業的繁榮進步產生積極且深遠的影響。

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(編輯： 丁 罡)

The classification, preparation method and main performance requirements of electronic packaging materials were summarized. The electronic packaging materials were introduced from four aspects： ceramic-based packaging materials, epoxy resin packaging materials, metal-based packaging materials and metal-based composite packaging materials. The application and development trend of electronic packaging materials were prospected.

Electronic Packaging Material； Research； Application； Overview

2016年11月

張文毓(1968— )，女，高級工程師，主要從事情報研究工作， E-mail： zwy68218@163.com

TM201.3

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1674-540X(2017)02-072-06