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1、电子封装材料及其应用电子封装材料及其应用 主讲人：王科 鄢冬冬1 目录目录 一、二、三、四、电子封装材料的概念电子封装材料的分类电子封装的应用结语2 电子封装 电子封装是指对电路芯片进行包装，保护电路芯片，使其免受外界环境影响的包装。电子封装材料 电子封装材料是用于承载电子元器件及其相互联线，起机械支持，密封环境保护，信号传递，散热和屏蔽等作用的基体材料。一、电子封装材料的概念3 二、电子封装材料的分类 电子封电子封装材料装材料基板基板布线布线框架框架层间介质层间介质密封材料密封材料4 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷环氧玻璃环氧玻璃环氧玻璃环氧玻璃金刚石金刚石金刚石金刚石金属金属金属金属金属基复金属基复金属
2、基复金属基复合材料合材料合材料合材料主要包括主要包括 高密度多层封装基板主要在半导体芯片与常规 PCB（印制电路板）之间起电气过渡作用，同时为芯片提供保护、支撑、散热作用。基体5 封装基板主要包括三种类型:1)硬质 BT 树脂基板：硬质 BT 树脂基板主要由 BT 树脂（双马来酰亚胺三嗪树脂）和玻纤布经反应性模压工艺而制成。2)韧性 PI(聚酰亚胺)薄膜基板：在线路微细化、轻量化、薄型化、高散热性需求的驱动下，主要用于便携式电子产品的高密度、多 I/O 数的 IC 封装。3）共烧陶瓷多层基板：烧陶瓷基板包括高温共烧陶瓷基板（HTCC）和低温共烧基板(LTCC)。和 HTCC 相比,LTCC 基
3、板的介电常数较低,适于高速电路；烧结温度低,可使用导电率高的导体材料；布线密度高，且可以在 LTCC 结构中埋置元器件。6 布线 导体布线由金属化过程完成。基板金属化是为了把芯片安装在基板上和使芯片与其他元器件相连接。为此，要求布线金属具有低的电阻率和好的可焊性，而且与基板接合牢固。金属化的方法有薄膜法和后膜法。Al是半导体集成电路中最常用的薄膜导体材料，其缺点是抗电子迁移能力差。Cu导体是近年来多层布线中广泛应用的材料，Au，Ag，NiCrAu，TiAu，TiPtAu等是主要的薄膜导体。为降低成本，近年来采用CrCuAu，CrCuCr，CuFeCu，TiCuNiAu等做导体薄膜。7 层间介质
4、 介质材料在电子封装中起着重要的作用，如保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等。它分为有机和无机2种，前者主要为聚合物，后者为Si02，Si3N4和玻璃。多层布线的导体间必须绝缘，因此，要求介质有高的绝缘电阻，低的介电常数，膜层致密。8 密封材料 电子器件和集成电路的密封材料主要是陶瓷和塑料。最早用于封装的材料是陶瓷和金属，随着电路密度和功能的不断提高，对封装技术提出了更多更高的要求，从过去的金属和陶瓷封装为主转向塑料封装。至今，环氧树脂系密封材料占整个电路基板密封材料的90左右 树脂密封材料的组成为环氧树脂(基料树脂及固化剂)、填料(二氧化硅)、固化促进剂、偶联剂(用于提高与填料间的润湿性和粘结
5、性)、阻燃剂、饶性赋予剂、着色剂、离子捕捉剂(腐蚀性离子的固化)和脱模剂等。目前，国外8090半导体器件密封材料(日本几乎全部)为环氧树脂封装材料，具有广阔的发展前景。9 三、电子封装工艺 电子封装结构的三个层次10 3.电子封装材料研究现状3.1 陶瓷基封装材料3.2 塑料基封装材料3.3 金属基封装材料3.4 三种类型封装材料对比3.5 绿色电子封装材料11 3.1 陶瓷基封装材料陶瓷基封装材料a.优势与劣势：优势：1)低介电常数,高频性能好 2)绝缘性好、可靠性高 3)强度高,热稳定性好 4)低热膨胀系数,高热导率 5)气密性好,化学性能稳定 6)耐湿性好,不易产生微裂现象劣势：成本较高
6、，适用于高级微电子器件的封装 （航空航天及军事领域）12 Al2O3陶瓷基片由于原料丰富、强度、硬度高、绝缘性、化学稳定性、与金属附着性良好，是目前应用最成熟的陶瓷基封装材料。但是Al2O3热膨胀系数和介电常数比Si高，热导率不够高，限制了其在高频，高功率，超大规模集成封装领域的应用。AlN具有优良的电性能和热性能，适用于高功率，多引线和大尺寸封装。但是AlN存在烧结温度高，制备工艺复杂，成本高等缺点，限制了其大规模生产和使用。SiC 陶瓷的热导率很高，热膨胀系数较低，电绝缘性能良好，强度高。但是SiC介电常数太高，限制了高频应用，仅适用于低频封装。13 3.2 塑料基封装材料塑料基封装材料a
7、.优势与劣势：塑料基封装材料成本低、工艺简单、在电子封装材料中用量最大、发展最快。它是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的一类重要封装材料。但是塑料基封装材料存在热膨胀系数（与Si）不匹配，热导率低，介电损耗高，脆性大等不足。14 b.常用塑料基封装材料 环氧模塑料（EMC)具有优良的粘结性、优异的电绝缘性、强度高、耐热性和耐化学腐蚀性好、吸水率低，成型工艺性好等特点。环氧塑封料目前存在热导率不够高，介电常数、介电损耗过高等问题急需解决。可通过添加无机填料来改善热导和介电性质。有机硅封装材料：硅橡胶具有较好的耐热老化、耐紫外线老化、绝缘性能，主要应用在半导体芯片涂层和LED封装胶上。将复合硅树
8、脂和有机硅油混合,在催化剂条件下发生加成反应,得到无色透明的有机硅封装材料。环氧树脂作为透镜材料时,耐老化性能明显不足,与内封装材料界面不相容,使LED的寿命急剧降低。硅橡胶则表现出与内封装材料良好的界面相容性和耐老化性能.15 聚酰亚胺封装：聚酰亚胺可耐350450的高温、绝缘性好、介电性能优良、抗有机溶剂和潮气的浸湿等优点，主要用于芯片的钝化层、应力缓冲和保护涂层、层间介电材料、液晶取向膜等,特别用于柔性线路板的基材。16 3.3金属基封装材料金属基封装材料a.优势与劣势：金属基封装材料较早应用到电子封装中,因其热导率和强度较高、加工性能较好，至今仍在研究、开发和推广。但是传统金属基封装材
9、料的热膨胀系数不匹配,密度大等缺点妨碍其广泛应用。17 b.常用金属基电子封装材料传统金属基封装材料：Al：热导率高、密度低、成本低、易加工，应用最广泛。但Al的热膨胀系数与Si等差异较大，器件常因较大的热应力而失效，Cu也是如此。W、Mo：热膨胀系数与Si相近，热导率较高，常用于半导体Si片的支撑材料。但W、Mo与Si的浸润性差、焊接性差。另外W、Mo、Cu的密度较大,不宜航空航天使用；W、Mo成本高，不宜大量使用。18 新型金属基封装材料：Si/Al合金：利用喷射成形技术制备出Si质量分数为70%的Si2Al合金，其热膨胀系数为(6-8)10-6K-1热导率大于100W/(mK)密度为2.
10、4-2.5g/cm3,可用于微波线路、光电转换器和集成线路的封装等。提高Si含量,可降低热膨胀系数和合金密度,但增加了气孔率,降低了热导率和抗弯强度。Si含量相同时,Si颗粒较大的合金的热导率和热膨胀系数较高,Si颗粒较小的合金的抗弯强度较高。Al/Si2合金应用前景广阔。19 Cu/C纤维封装：C纤维的纵向热导率高（1000W/(mk)），热膨胀系数很小（-1.610-6K-1因），此Cu/C纤维封装材料具有优异的热性能。对于Cu/C纤维封装材料，其具有明显的各向异性，沿着C纤维方向的热导率远高于横向分布的热导率。Cu与C的润湿性差,固态和液态时的溶解度小,且不发生化学反应。因此,Cu/C
11、纤维封装材料的界面结合是以机械结合为主的物理结合,界面结合较弱。所以，Cu/C纤维封装材料制备过程中需要首先解决两组元之间的相溶性问题,以实现界面的良好结合。此外,C纤维价格昂贵，而且Cu/C纤维封装材料还存在热膨胀滞后的问题。20 3.4三种类型封装材料对比三种类型封装材料对比 塑料基封装材料的密度较小,介电性能较好,热导率不高,热膨胀系数不匹配,但成本较低,可满足一般的封装技术要求。金属基封装材料的热导率较高,但热膨胀系数不匹配,成本较高。陶瓷基封装材料的密度较小,热导率较高,热膨胀系数匹配,是一种综合性能较好的封装方式21 3.5 绿色电子封装材料 绿色电子封装是指在电子产品整个封装过程
12、中，必须考虑资源能源消耗和环境影响等问题，并兼顾技术和经济因素，使得电子封装企业的经济效益和社会效益达到协调优化的电子封装理念。目前研究比较多的绿色电子封装是封装材料的无铅无卤化问题。绿色电子封装要求封装材料，包括互连材料(如无铅焊料和焊膏等)和被连接材料(如印刷电路板、电子元器件等)以及连接后清洗所用的清洗剂等，均不得使用含铅及含卤素材料。22 结语结语在未来相当长时间内,电子封装材料仍以塑料基为主。发展方向为：1.)超大规模集成化、微型化、高性能化和低成本化。2.)满足球栅阵列(BGA)、芯片级(CSP)、多芯片组件（MCM）等先进新型封装形式的新型环氧模塑料。3.)无卤、锑元素,绿色环保
13、,适用于无铅焊料工艺的高温260回流焊要求。4.)开发高纯度、低黏度、多官能团、低吸水率、低应力、耐热性好的环氧树脂.新型环氧模塑料将走俏市场,有机硅类或聚酰亚胺类很有发展前景23 在军事、航空航天和高端民用电子器件等领域,陶瓷基封装材料将向多层化方向发展,低温共烧陶瓷具有广阔的前景，多层陶瓷封装的发展重点是可靠性好,柔性大、成本低。高导热、高密封的AlN发展潜力巨大,应在添加物的选择与加入量、烧结温度、粉料粒度、氧含量控制等关键技术上重点突破。未来的金属基封装材料将朝着高性能、低成本、低密度和集成化的方向发展。轻质、高导热和CTE匹配的Si/Al、SiC/Al合金将有很好的前景。24 25