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1、*微组装工艺微组装工艺*第七章第七章 封装封装材料材料2封装材封装材料的重料的重要性质要性质3封装中封装中的陶瓷的陶瓷材料材料1概述概述4封装中封装中的聚合的聚合物材料物材料*微组装工艺微组装工艺*2.1 2.1 概述概述微电子行业所用的材料大致可分为如下几类微电子行业所用的材料大致可分为如下几类：封装外壳用的陶瓷材料封装外壳用的陶瓷材料；外壳或粘接用的聚合物材料等外壳或粘接用的聚合物材料等。用于信号传导的金属材料用于信号传导的金属材料；*微组装工艺微组装工艺*2.2 2.2 封装材料的重要性质封装材料的重要性质力学性能力学性能湿气渗透湿气渗透界面粘滞性界面粘滞性电气性能电气性能热性质热性质化
2、学性质化学性质*微组装工艺微组装工艺*一一、力学性能力学性能1 1、基本概念基本概念应力应力：施加于固体表面单位面积的作用力称为应力施加于固体表面单位面积的作用力称为应力(stress),(stress),垂直于表面的应力称为正应力垂直于表面的应力称为正应力，平行于表面称平行于表面称为切应力为切应力；应变应变：固体在应力作用下产生的形变称为应变固体在应力作用下产生的形变称为应变(strain),(strain),用单位长度的该变量来表示用单位长度的该变量来表示；弹性形变弹性形变：在一定形变范围内在一定形变范围内，撤销外力后恢复原状撤销外力后恢复原状；塑性形变塑性形变：超出弹性形变范围超出弹性形
3、变范围，发生永久变形发生永久变形；杨氏模量杨氏模量：应力与对应应变的比值应力与对应应变的比值，表征材料硬度表征材料硬度。*微组装工艺微组装工艺*25252.362.362.72.770701301300.170.17AlAl5 51.381.3810.310.33433432752752.12.1MoMo17.317.30.3290.3297.97.92002006606602.12.1不锈钢不锈钢4.54.51.781.7819.319.34104104854854 4W W12120.970.977.97.9210210150015004.24.2SteelSteel（最大最大）2.332
4、.331.571.572.32.31901908508507 7SiSi（单晶单晶）0.550.550.0140.0142.52.573738208208.48.4SiO2(SiO2(光纤光纤)12120.8030.8037.87.819619640040012.612.6FeFe（单晶单晶）0.80.80.190.193.13.1385385348634861414Si3N4Si3N4（单晶单晶）5.45.40.50.54 45305302100210015.415.4Al2O3Al2O3（单晶单晶）6.46.43.33.34.94.9497497247024702020TiCTiC（单晶单
5、晶）3.33.33.53.53.23.2700700248024802121SiCSiC（单晶单晶）1 120203.53.510351035700070005353钻石钻石（单晶单晶）106/K106/KW/W/cm.Kcm.Kg/cm3g/cm3GPaGPakg/mm2kg/mm2GPaGPa热胀热胀系数系数热导热导密度密度杨氏杨氏模量模量努普努普硬度硬度屈服屈服强度强度材料材料*微组装工艺微组装工艺*2 2、封装材料的力学性能封装材料的力学性能陶瓷材料陶瓷材料：杨氏模量较高杨氏模量较高，即硬度较大即硬度较大，导热性较导热性较好好，易碎易碎。金属材料金属材料：杨氏模量较高杨氏模量较高，导热
6、性好导热性好，导电性好导电性好，成成本较高本较高。聚合物材料聚合物材料：杨氏模量较低杨氏模量较低，导热性较差导热性较差，绝缘性较绝缘性较好好，成本较低成本较低。*微组装工艺微组装工艺*二二、湿气渗透湿气渗透湿气可导致金属发生腐蚀湿气可导致金属发生腐蚀、聚合物发生膨胀聚合物发生膨胀、界面界面发生分层以及一些材料失去机械强度和绝缘能力发生分层以及一些材料失去机械强度和绝缘能力。仅用聚合物难以阻止水分渗透到系统中仅用聚合物难以阻止水分渗透到系统中，碳氟化合碳氟化合聚合物阻止水分相对较好聚合物阻止水分相对较好，而环氧基树脂和聚酰亚胺而环氧基树脂和聚酰亚胺吸湿性较强吸湿性较强。聚合物湿气扩散率约为金属和
7、陶瓷的聚合物湿气扩散率约为金属和陶瓷的10810151081015倍倍。虽然增加厚度能增加湿气扩散路径虽然增加厚度能增加湿气扩散路径，但但对阻止湿气没有明显作用对阻止湿气没有明显作用。而金属和陶瓷两种材料的湿气扩散率非常低而金属和陶瓷两种材料的湿气扩散率非常低，密封密封良好时可有效阻止湿气进入系统良好时可有效阻止湿气进入系统。*微组装工艺微组装工艺*三三、界面的粘滞性界面的粘滞性湿气能够沿着界面渗透进一个封装湿气能够沿着界面渗透进一个封装，例如塑料外壳例如塑料外壳与金属引脚之间就是一个界面与金属引脚之间就是一个界面，若塑料与金属之间的若塑料与金属之间的粘滞性较差粘滞性较差，则湿气很容易沿界面渗
8、透则湿气很容易沿界面渗透。粘滞性产生于不同材料之间的机械粘滞性产生于不同材料之间的机械、化学化学、电子等电子等相互作用相互作用，材料的表面能量是决定材料粘滞性的关键材料的表面能量是决定材料粘滞性的关键因素因素。化学反应能在界面形成化学键化学反应能在界面形成化学键，表面电荷也可影响表面电荷也可影响不同材料界面的粘滞性不同材料界面的粘滞性。*微组装工艺微组装工艺*四四、电气性能电气性能封装材料中电阻率封装材料中电阻率、介电常数介电常数是两个重要的电是两个重要的电学性质参数学性质参数。电阻率电阻率（其倒数为电导率其倒数为电导率）对于导体和电介质都十对于导体和电介质都十分重要分重要,单位单位m m。导
9、体电阻率越小越好导体电阻率越小越好，电介质则电介质则相反相反。从电学性能来看从电学性能来看，聚合物对封装是非常有吸引力聚合物对封装是非常有吸引力的的，它们的电阻率通常都非常高它们的电阻率通常都非常高，但是吸湿性会降低但是吸湿性会降低电阻率电阻率。(1)(1)银银 1.65 1.65 1010-8 8(2)(2)铜铜 1.75 1.75 1010-8 8(3)(3)铝铝 2.83 2.83 1010-8 8(4)(4)钨钨 5.48 5.48 1010-8 8(5)(5)铁铁 9.78 9.78 1010-8 8(6)(6)铂铂 2.22 2.22 1010-7 7(7)(7)锰铜锰铜 4.4
10、4.4 1010-7 7(8)(8)石墨石墨(8(813)13)1010-6 6*微组装工艺微组装工艺*五五、热性能热性能热膨胀系数是封装材料的一个重要参数热膨胀系数是封装材料的一个重要参数。对聚合物而言对聚合物而言，玻璃化温度是一个重要的转变过玻璃化温度是一个重要的转变过程程，比熔化比熔化、蒸发等相变要弱蒸发等相变要弱，超过玻璃化温度后超过玻璃化温度后，膨胀系数急剧增加膨胀系数急剧增加。热传导系数是另一个关键的参数热传导系数是另一个关键的参数。热导率定义为两热导率定义为两个距离为个距离为1m1m，截面积为截面积为1m1m2 2的平行平面的平行平面，温度相差温度相差1K1K时时，1 1秒内从一
11、个平面传递到另一个平面的热量秒内从一个平面传递到另一个平面的热量（W/W/m mK K）。）。聚合物的热导率比金属的热导率低几个聚合物的热导率比金属的热导率低几个数量级数量级，陶瓷热导率在两者之间陶瓷热导率在两者之间。*微组装工艺微组装工艺*六六、化学性能化学性能化学稳定性在薄膜加工中是很重要的化学稳定性在薄膜加工中是很重要的，要求封装材要求封装材料的化学稳定性好料的化学稳定性好，不易与光刻胶不易与光刻胶、电镀液等发生反电镀液等发生反应应。*微组装工艺微组装工艺*七七、系统可靠性系统可靠性首先是温度的影响首先是温度的影响，内部或外部的热将导致温度升内部或外部的热将导致温度升高高，降低系统的可靠
12、性降低系统的可靠性。另一个关键因素是湿度另一个关键因素是湿度，利用密封封装利用密封封装，虽然可有虽然可有效降低湿气的影响效降低湿气的影响，但封装成本将上升但封装成本将上升，铸模塑料封铸模塑料封装的湿气渗透已经得到极大改善装的湿气渗透已经得到极大改善，其可靠性已达到较其可靠性已达到较好的程度好的程度。静电和振动是第三个需要考虑的因素静电和振动是第三个需要考虑的因素，振动振动、电击电击等可能导致导线开路等可能导致导线开路、电介质损坏或其它问题电介质损坏或其它问题。*微组装工艺微组装工艺*2.3 2.3 封装中的陶瓷材料封装中的陶瓷材料陶瓷是金属陶瓷是金属-非金属化合物非金属化合物，由于其独特的电子
13、由于其独特的电子、化学化学、力学等性质力学等性质，在电子封装中具有较强的吸引在电子封装中具有较强的吸引力力。封装中常用的陶瓷有封装中常用的陶瓷有：氮化硅氮化硅（SiSi3 3N N4 4）、）、氧化铝氧化铝（AlAl2 2O O3 3）、）、二氧化硅二氧化硅（SiOSiO2 2）、）、氮化铝氮化铝（AlNAlN）、）、碳化硅碳化硅（SiCSiC）、）、氧化镁氧化镁（MgOMgO）、）、碳化钨碳化钨（WCWC）、）、氮化硼氮化硼（BNBN）和氧化铍和氧化铍（BeOBeO）*微组装工艺微组装工艺*陶瓷的性质陶瓷的性质：陶瓷通常坚硬陶瓷通常坚硬、易碎易碎，韧性和延展性差韧性和延展性差；绝缘性好绝缘性
14、好；化学稳定性高化学稳定性高，熔点高熔点高；陶瓷在分离半导体元件陶瓷在分离半导体元件、集成电路集成电路、混合电路混合电路、MEMSMEMS微系统等的封装中得到了广泛应用微系统等的封装中得到了广泛应用。重要的性质是陶瓷或陶瓷与金属的组合重要的性质是陶瓷或陶瓷与金属的组合，可实可实现气密封装现气密封装。*微组装工艺微组装工艺*1.1.矾土矾土（AlAl2 2O O3 3）基于矾土的陶瓷是电子封装普遍使用的陶瓷基于矾土的陶瓷是电子封装普遍使用的陶瓷，其硬度强于玻璃其硬度强于玻璃（努普硬度努普硬度21002100，二氧化硅二氧化硅820820），），绝缘性好于玻璃绝缘性好于玻璃，热导率较好热导率较好（
15、745W/m745W/mK K）。）。其中蓝宝石是矾土的单晶形其中蓝宝石是矾土的单晶形式式，主要作为绝缘基底主要作为绝缘基底。通常由通常由90%90%-99%99%的矾土的矾土，与氧化硅与氧化硅、氧化镁氧化镁、氧氧化钙等混合而成化钙等混合而成，在在15001500-16001600烧制而成烧制而成，形成形成玻璃相的材料玻璃相的材料。*微组装工艺微组装工艺*矾土陶瓷的性质矾土陶瓷的性质电阻率高电阻率高、强度大强度大、稳定性好稳定性好、成本极低成本极低，导热率导热率为多数氧化物的为多数氧化物的2020倍以上倍以上，可用于高功率电路可用于高功率电路。矾土陶瓷热膨胀系数较高矾土陶瓷热膨胀系数较高，使之
16、不能用于大型集成使之不能用于大型集成电路电路；其中等大小的介电常数其中等大小的介电常数，难以用于高速电路难以用于高速电路。矾土陶瓷很少单独使用矾土陶瓷很少单独使用，通常和钨等高熔点金属焊通常和钨等高熔点金属焊接在一起使用接在一起使用。*微组装工艺微组装工艺*2.2.氧化铍氧化铍（BeOBeO）氧化铍在许多方面由于矾土氧化铍在许多方面由于矾土，特别是其热导率方特别是其热导率方面面。氧化铍与矾土几乎以相同的方式形成氧化铍与矾土几乎以相同的方式形成，但是氧化但是氧化铍粉末有毒铍粉末有毒，因此增加了加工制作的难度因此增加了加工制作的难度。氧化铍的氧化铍的成本大概是矾土的成本大概是矾土的1010倍倍。铍
17、化物多年来被认为是高导热性的优良材料铍化物多年来被认为是高导热性的优良材料，其其热导率为矾土的热导率为矾土的1010倍倍（随温度升高下降显著随温度升高下降显著），），热膨热膨胀系数与矾土接近胀系数与矾土接近，介电常数低于矾土介电常数低于矾土，因此电学特因此电学特性更加优良性更加优良。*微组装工艺微组装工艺*3.3.氮化铝氮化铝（AlNAlN）氮化铝是一种相对新的封装材料氮化铝是一种相对新的封装材料，无毒无毒，因此可因此可替代替代BeOBeO。其介电常数其介电常数、损失正切损失正切、介电常数介电常数、力学力学特性等都与之相当特性等都与之相当，热导率略优于热导率略优于BeOBeO（热导率随温热导率
18、随温度升高而下降度升高而下降，但没有但没有BeOBeO严重严重），），但氧气等杂质的但氧气等杂质的存在会显著影响其热导率存在会显著影响其热导率。氮化铝的介电常数约为氮化铝的介电常数约为9 9，不适宜高速电路不适宜高速电路。AlNAlN粉末在氮气等惰性气体中高温烧制而成粉末在氮气等惰性气体中高温烧制而成，以防以防止烧制过程中形成氧化铝止烧制过程中形成氧化铝。氮化铝陶瓷利用低温低压氮化铝陶瓷利用低温低压熔结或热压方法形成熔结或热压方法形成。*微组装工艺微组装工艺*4.4.碳化硅碳化硅（SiCSiC）碳化硅并非良好的绝缘体碳化硅并非良好的绝缘体，但混合少量的但混合少量的BeOBeO可显可显著增加电阻
19、率著增加电阻率。混有混有BeOBeO的的SiCSiC称为称为hitaceramhitaceram，其热其热导率为导率为SiCSiC的两倍的两倍（270W/m270W/mK K），），优于金属优于金属AlAl的热导的热导率率。除具有高热导率外除具有高热导率外，SiCSiC的热膨胀系数与硅接近的热膨胀系数与硅接近，这对封装极其有利这对封装极其有利。但是在但是在1MHz1MHz处介电常数达处介电常数达4040，即即对高速电路不利对高速电路不利。SiCSiC是在是在19001900的温度下热压完成的温度下热压完成。*微组装工艺微组装工艺*5.5.氮化硼氮化硼（BNBN）氮化硼存在三种形式氮化硼存在三种
20、形式，其中其中h h-BNBN（软的类石墨六边软的类石墨六边形结构形结构）和和c c-BNBN（硬的类金刚石立方结构硬的类金刚石立方结构）是最为重是最为重要的两种形式要的两种形式。c c-BNBN是是h h-BNBN在高温高压下形成的在高温高压下形成的，具有具有600W/m600W/mK K的热导率的热导率，通过化学沉积的方法沉淀到薄膜通过化学沉积的方法沉淀到薄膜。h h-BNBN质软质软，为层状结构为层状结构，因此性质表现出各向异因此性质表现出各向异性性，具有低介电常数和热膨胀系数具有低介电常数和热膨胀系数，通常用着其它陶通常用着其它陶瓷的添加剂以改善陶瓷性质瓷的添加剂以改善陶瓷性质。*微组
21、装工艺微组装工艺*6.6.玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷是将玻璃加入到某种材料玻璃陶瓷是将玻璃加入到某种材料（如矾土如矾土）中烧中烧制而成制而成，通过改变配比可改变玻璃陶瓷的性质通过改变配比可改变玻璃陶瓷的性质。玻璃陶瓷的介电常数为玻璃陶瓷的介电常数为5 5左右左右，是最好的高性能电是最好的高性能电介质材料之一介质材料之一，与硅具有良好的热匹配性与硅具有良好的热匹配性，与金与金、铜铜金属化是极相容的金属化是极相容的。但是其热导率较低但是其热导率较低，通过加入铍通过加入铍、氮化硅等可增强其热传导性能氮化硅等可增强其热传导性能。其中其中，硼硅酸盐玻璃具有大约硼硅酸盐玻璃具有大约4 4的介电常数的介电常数
22、，其热其热膨胀系数与硅可以极佳的匹配膨胀系数与硅可以极佳的匹配，在半导体加工中得到在半导体加工中得到了广泛应用了广泛应用。*微组装工艺微组装工艺*2.4 2.4 封装中的聚合物材料封装中的聚合物材料聚合物在电子系统的各方面得到了广泛应用聚合物在电子系统的各方面得到了广泛应用，如如：封装的塑膜封装的塑膜，封罩封罩；芯片贴装胶粘剂芯片贴装胶粘剂；印制电路板基底等印制电路板基底等。虽然聚合物的密封性能和强度都不如陶瓷和金虽然聚合物的密封性能和强度都不如陶瓷和金属属，但是它们容易加工处理但是它们容易加工处理、可塑性强可塑性强、绝缘性好绝缘性好、成本低等优势成本低等优势，在封装中具有重要地位在封装中具有
23、重要地位。*微组装工艺微组装工艺*1.1.聚合物概述聚合物概述聚合物又称高分子化合物聚合物又称高分子化合物，是一种由众多原子或原是一种由众多原子或原子团以共价键结合而成的有着链式结构的化合物子团以共价键结合而成的有着链式结构的化合物。聚合度是指在分子中重复单元的平均个数聚合度是指在分子中重复单元的平均个数，可能超可能超过数万过数万，分子量可能数百万分子量可能数百万。聚氯乙烯聚氯乙烯*微组装工艺微组装工艺*2.2.聚合物的热塑性和热硬性聚合物的热塑性和热硬性热塑性聚合物可以被任意次熔化和再塑型热塑性聚合物可以被任意次熔化和再塑型，因为因为大分子之间没有共价键交叉连接大分子之间没有共价键交叉连接。
24、在玻璃转变温度在玻璃转变温度（TgTg）之下是坚硬的之下是坚硬的，表现出脆性表现出脆性；在玻璃化温度以在玻璃化温度以上上，聚合物分子开始快速摆动聚合物分子开始快速摆动，表现为高弹性表现为高弹性；温度温度进一步增加进一步增加，聚合物融化为液体聚合物融化为液体。热硬聚合物不同分子间形成共价键热硬聚合物不同分子间形成共价键，产生一种比产生一种比热塑性材料更加坚硬热塑性材料更加坚硬、稳定和更高稳定和更高TgTg的材料的材料。温度的温度的升高不会使之熔化升高不会使之熔化，但会降解材料但会降解材料，分解为多种有机分解为多种有机物物。典型的热硬聚合物如环氧树脂典型的热硬聚合物如环氧树脂。*微组装工艺微组装工
25、艺*3.3.水分和溶剂的影响水分和溶剂的影响聚合物材料具有多孔结构聚合物材料具有多孔结构，因此对水汽有更强的吸因此对水汽有更强的吸收能力收能力。化学溶剂能够轻松渗透化学溶剂能够轻松渗透，使之溶解使之溶解。通常通常，高度交叉连接的聚合物材料吸水性更弱高度交叉连接的聚合物材料吸水性更弱；此此外外，环氧树脂环氧树脂、聚酰亚胺等极性材料聚酰亚胺等极性材料，比非极性材料比非极性材料（如碳氟化合物如碳氟化合物）更易吸水更易吸水。*微组装工艺微组装工艺*4.4.聚合物的重要性质聚合物的重要性质（1 1）介电常数介电常数对互连基底应用而言对互连基底应用而言，介电常数介电常数（k k）应尽可能低应尽可能低，一般
26、小于一般小于5 5，并在较大频率范围内保持不变并在较大频率范围内保持不变。通常通常，聚合物的介电常数不高于聚合物的介电常数不高于8 8，这比一般陶瓷要低数倍这比一般陶瓷要低数倍。电介质损失正切也应较低电介质损失正切也应较低（0.010.01），），并和频率无并和频率无关关，以使信号损失最小以使信号损失最小。*微组装工艺微组装工艺*（2 2）热膨胀系数热膨胀系数电子封装材料的热膨胀系数差别是应力的主要来源电子封装材料的热膨胀系数差别是应力的主要来源。聚合物的膨胀系数取决于多种因素聚合物的膨胀系数取决于多种因素，如温度如温度、固化固化、链方向等等链方向等等。聚合物的膨胀系数比金属聚合物的膨胀系数比
27、金属、陶瓷等高得陶瓷等高得多多。（3 3）玻璃转变温度玻璃转变温度（TgTg）聚合物由玻璃态向高弹态转变的温度聚合物由玻璃态向高弹态转变的温度。完全结晶的完全结晶的热塑聚合物几乎没有热塑聚合物几乎没有TgTg，半结晶的热塑材料显示弱半结晶的热塑材料显示弱TgTg。当当T T超过超过TgTg时时，热膨胀系数热膨胀系数、弹性模量等都会发生突弹性模量等都会发生突变变。*微组装工艺微组装工艺*（4 4）热稳定性热稳定性气化气化、分层等物理变化会导致种种问题分层等物理变化会导致种种问题，使封装失使封装失效效；同时同时，气化的物质会对电子系统造成污染气化的物质会对电子系统造成污染。（5 5）力学性能力学性
28、能杨氏模量杨氏模量、弯曲强度等物理性质对材料的稳定性具弯曲强度等物理性质对材料的稳定性具有极大的影响有极大的影响。如聚合物薄膜的应力会导致薄膜产生如聚合物薄膜的应力会导致薄膜产生裂纹裂纹、褶皱褶皱、脱落等脱落等。*微组装工艺微组装工艺*（6 6）水分吸收水分吸收聚合物通常具有吸湿性聚合物通常具有吸湿性，导致不期望的膨胀导致不期望的膨胀、介电介电常数常数、应力等变化应力等变化，甚至导致聚合物腐蚀甚至导致聚合物腐蚀、产生气泡产生气泡、水解等等水解等等。（7 7）平面化平面化半导体加工中半导体加工中，工艺质量很大程度上取决于衬底的工艺质量很大程度上取决于衬底的平坦度和均匀性平坦度和均匀性。聚合物涂覆
29、时平坦化的能力取决于聚合物涂覆时平坦化的能力取决于粘性粘性、收缩收缩、流动等特性流动等特性。*微组装工艺微组装工艺*5.5.电子封装聚合物的类别电子封装聚合物的类别（1 1）环氧基树脂环氧基树脂主要由树脂和硬化剂组成主要由树脂和硬化剂组成，如芯片的粘接剂如芯片的粘接剂。（2 2）硅酮硅酮硅酮是一类质软的聚合物硅酮是一类质软的聚合物，基于硅基于硅-氧键主链构成氧键主链构成。硅酮具有较宽的有效温度范围硅酮具有较宽的有效温度范围、合理的抗水分吸收能合理的抗水分吸收能力力、耐老化耐老化、无离子污染无离子污染。但没有环氧树脂那样流行但没有环氧树脂那样流行。*微组装工艺微组装工艺*（3 3）环氧基树脂环氧基树脂聚酰亚胺在电子工业得到了广泛应用聚酰亚胺在电子工业得到了广泛应用，如芯片载如芯片载体体、绝缘膜绝缘膜、电路板封帽等电路板封帽等。作为一种有机电介质得作为一种有机电介质得到了重要应用到了重要应用。聚酰亚胺具有卓越的热稳定性聚酰亚胺具有卓越的热稳定性，低介电常数低介电常数，在在几乎所有的溶剂中都不可溶几乎所有的溶剂中都不可溶。