金属封装材料的现状及发展

金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的AD或DA转换器)融合为一体，适合于低IO数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。本文主要介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。1 传统金属封装材料及其局限性芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于310-6-710-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护，应具备以下的要求：与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数,减少或避免热应力的产生；非常好的导热性，提供热耗散；非常好的导电性，减少传输延迟；良好的EMIRFI屏蔽能力； 较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；较低的成本。传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及CuW和CuMo等，它们的主要性能如表1所示。11 铜、铝纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率172cm，仅次于银。它的热导率为401W(m-1K-1)，从传热的角度看，作为封装壳体是非常理想的，可以使用在需要高热导和或高电导的封装里，然而，它的CTE高达16510-6K-1，可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。为了减少陶瓷基板上的应力，设计者可以用几个较小的基板来代替单一的大基板，分开布线。退火的纯铜由于机械性能差，很少使用。加工硬化的纯铜虽然有较高的屈服强度，但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化，在进行机械冲击或恒定加速度试验时造成外壳底部永久变形。铝及其合金重量轻、价格低、易加工，具有很高的热导率，在25时为237W(m-1K-1)，是常用的封装材料，通常可以作为微波集成电路(MIC)的壳体。但铝的CTE更高，为23210-6K-1，与Si(4110-6K-1)和GaAs(5.8 10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的热循环常会产生较大的热应力，导致失效。虽然设计者可以采用类似铜的办法解决这个问题，但铜、铝与芯片、基板严重的热失配，给封装的热设计带来很大困难，影响了它们的广泛使用。12 钨、钼Mo的CTE为53510-6K-1，与可伐和Al2O3非常匹配，它的热导率相当高，为138 W(m-K-1)，故常作为气密封装的底座与可伐的侧墙焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金属封装中。Mo作为底座的一个主要缺点在于平面度较差，另一个缺点是在于它重结晶后的脆性。W具有与Si和GaAs相近的热膨胀系数，且导热性很好，可用于芯片的支撑材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面镀覆其他金属，使工艺变得复杂且可靠性差。W、Mo价格较为昂贵，不适合大量使用。此外密度较大，不适合航空、航天用途。13 钢10号钢热导率为498 W(m-1K-1)，大约是可伐合金的三倍，它的CTE为12610-6K-1，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与软玻璃实现压缩封接。不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，不锈钢的热导率较低，如430不锈钢(Fe-18Cr，中国牌号4J18)热导率仅为261 W(m-1K-1)。14 可伐可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中国牌号4J29)的CTE与Si、GaAs以及Al2O3、BeO、AIN的CTE较为接近，具有良好的焊接性、加工性，能与硼硅硬玻璃匹配封接，在低功率密度的金属封装中得到最广泛的使用。但由于其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其广泛应用受到了很大限制。15 CuW和CuMo为了降低Cu的CTE，可以将铜与CTE数值较小的物质如Mo、W等复合，得到CuW及CuMo金属-金属复合材料。这些材料具有高的导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。CuW及CuMo的CTE可以根据组元相对含量的变化进行调整，可以用作封装底座、热沉，还可以用作散热片。国内外已广泛生产并用在大功率微波管、大功率激光二极管和一些大功率集成电路模块上。表2和表3分别列出了美国Ametek公司的CuW和CuMo复合材料的性能。由于Cu-Mo和Cu-W之间不相溶或浸润性极差，况且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些问题；如果制备的CuW及CuMo致密程度不高，则气密性得不到保证，影响封装性能。另一个缺点是由于W的百分含量高而导致CuW密度太大，增加了封装重量。但密度大也使CuW具有对空间辐射总剂量(TID)环境的优良屏蔽作用，因为要获得同样的屏蔽作用，使用的铝厚度需要是CuW的16倍。2 新型的金属封装材料及其应用除了CuW及CuMo以外，传统金属封装材料都是单一金属或合金，它们都有某些不足，难以应对现代封装的发展。材料工作者在这些材料基础上研究和开发了很多种金属基复合材料(MMC)，它们是以金属(如Mg、Al、Cu、Ti)或金属间化合物(如TiAl、NiAl)为基体，以颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料。与传统金属封装材料相比，它们主要有以下优点：可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式或改变基体合金，改变材料的热物理性能，满足封装热耗散的要求，甚至简化封装的设计;材料制造灵活，价格不断降低，特别是可直接成形，避免了昂贵的加工费用和加工造成的材料损耗；不少低密度、高性能的金属基复合材料非常适合航空、航天用途。金属基复合材料的基体材料有很多种，但作为热匹配复合材料用于封装的主要是Cu基和灿基复合材料。21 Cu基复合材料纯铜具有较低的退火点，它制成的底座出现软化可以导致芯片和或基板开裂。为了提高铜的退火点，可以在铜中加入少量Al2O3、锆、银、硅。这些物质可以使无氧高导铜的退火点从320升高到400，而热导率和电导率损失不大。国内外都有Al2O3弥散强化无氧高导铜产品，如美国SCM金属制品公司的Glidcop含有997的铜和03弥散分布的Al2O3。加入Al2O3后，热导率稍有减少，为365W(m-1K-1)，电阻率略有增加，为185cm，但屈服强度得到明显增加。这种材料已在金属封装中得到广泛使用，如美国Sinclair公司在功率器件的金属封装中使用Glidcop代替无氧高导铜作为底座。美国Sencitron公司在TO-254气密金属封装中使用陶瓷绝缘子与Glidcop引线封接。在Glidcop基础上，SCM公司还将它与其他低膨胀材料，如可伐、Fe-42Ni、W或Mo进一步结合形成CTE较低、却保持高电导率的高强度复合材料。如Glidcop与50可伐的复合材料屈服强度为760MPa，CTE为1010-6K-1， 电导率为30IACS。Glidcop与25Mo的复合材料屈服强度为690MPa，CTE为1210-6K-1，电导率为70IACS1。20世纪90年代，美国Texas Instruments公司开发出一种称之为Cuvar的可控制膨胀、高热导的复合材料，它是在Cu中加入低膨胀合金Invar(Fe-36Ni，中国牌号4J36)，CTE仅为0410-6K-1，但热导率很低，为11W(m-1K-1)的粉末，由Cu基体提供了导热、导电，由Invar限制了热膨胀。Cuvar的加工性很好，容易镀Cu、Ni、Au、Ag，是传统低膨胀合金可伐和42合金(Fe-42Ni，中国牌号4J42)的替代品，也可以代替传统的W、Mo基热管理材料2。但Cuvar材料受微量杂质的影响较大，Invar和Cu在烧结过程中的互相扩散对复合材料的导电、导热和热膨胀性能有一定影响。Cu基复合材料还可以采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒、AlN颗粒等材料做增强体。如碳纤维(经高温处理可转化为石墨纤维)CTE在-110-6210-6K-1，具有很高的弹性模量和轴向热导率，P120、P130碳纤维轴向的热导率分别为640W(m-1K-1)和1100W(m-1K-1)，而用CVD方法生产的碳纤维其热导率高达2000W(m-1K-1)。因而用碳纤维(石墨纤维)增强的铜基复合材料在高功率密度应用领域很有吸引力。与铜复合的材料沿碳纤维长度方向CTE为-0510-6K-1，热导率600-750W(m-1K-1)，而垂直于碳纤维长度方向的CTE为810-6K-1,热导率为51-59W(m-1K-1)，比沿纤维长度方向的热导率至少低一个数量级。所以用作封装的底座或散热片时，这种复合材料把热量带到下一级时，并不十分有效，但是在散热方面是极为有效的。这与纤维本身的各向异性有关，纤维取向以及纤维体积分数都会影响复合材料的性能3。可以采用纤维网状排列、螺旋排列、倾斜网状排列等方法或使用非连续的碳纤维(随机取向的纤维，长度大约10弘m)作为增强体解决这一问题。表4为Metal Matrix Cast Composites(MMCC)公司石墨纤维增强的铜基复合材料性能。铜-金刚石复合材料被称之为Dymalloy4。这种复合材料具备很好的热物理性能和机械性能，试验表明金刚石的体积分数为55左右时，在25-200的热导率为600W(m-1K-1)左右，比铜还要高，而它的CTE为54810-6-6510-6K-1，可与Si、GaAs的CTE相匹配。这种材料已由美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Microsystems公司丌发作为多芯片模块(MCM)的基板使用。2002年6月口本Somitomo Electric Industries(SEl)公司也开发出铜金刚石复合材料，取名为Diamond-Metal-Composite for Heat Sink(DMCH)，主要性能如表5所示。有效降低Cu的CTE办法还可加入CTE为负值的陶瓷颗粒ZrW5O8、ZrV2O7或者是Ni-Ti形状记忆合金5。如ZrW5O8、ZrV2O7的CTE为-1110-6K-1，Ni-Ti合金的CTE更低达-20010-6K-1。这样，在基体中加入较少体积分数的负膨胀系数材料就可以获得能与Si、GaAs的CTE相匹配的复合材料，而Cu的高热导率基本不受影响。该类复合材料的缺点是陶瓷颗粒的生产成本高，陶瓷材料容易与金属基体发生不良的界面反应。通过将高CTE的Cu高压轧制到低CTE的金属或合金基体材料上，然后退火形成固溶连接，可以制备出呈三明治结构的覆Cu材料，这是一种CTE可调、热导率可变的叠层复合材料。封装中所用的两种主要包覆Cu材料为CuInvarCu(CIC)和CuMoCu(CMC)。这些材料的性能列于表6中。CIC在Z方向热导率较低，这与夹心的Invar热导率低有关。CIC具有良好的塑性、冲裁性以及EMIRFI屏蔽性，除了用于印制板外，还可用于固体继电器封装、功率模块封装及气密封装的底座等。CMC可冲裁，无磁性，界面接合强，可承受反复850热冲击。由于其CTE可调整，故能与可伐合金侧墙可靠地焊接。CMC复合材料已用来制作微波射频外壳、微米波外壳，功率晶体管、MCM的底座，光纤外壳、光电元件基板，激光二极管、盖板、热沉和散热片等。在CuMo基础上，Polese公司开发了CuMo-CuCu材料，以满足对可控CTE、高热导和高电导的需要。2003年7月第一种厚度比为1-41的CuMo-CuCu上市，其25-400cC的热导率为300W(m-1K-1)，CTE为7010-6-85 10-6K-1，密度为945gcm-3。可用于微波载体和热沉、微电子封装底座、GaAs器件安装和SMP导体。此外，美国的Polymetallurg