传统金属封装材料及其局限性

1、电子制造及半导体封装 传统金属封装材料及其局限性 教学目标： （1）了解金属封装材料的要求； （2）了解传统金属封装材料及其局限性；（重难点） 引入课题 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

2、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。 本节内容介绍 （1）金属封装材料的要求； （2）传统金属封装材料； （3）封装的发展趋势； 金属封装材料的要求 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： 金属封装材

3、料的要求 1、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； 2、非常好的导热性，提供热耗散； 3、非常好的导电性，减少传输延迟； 4、良好的EMIRFI屏蔽能力； 金属封装材料的要求 5、较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能； 6、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； 7、较低的成本。 传统金属封装材料 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。 传统金属封装材料铜、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

4、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。 传统金属封装材料铜、铝 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。 传统金属封装材料铜、铝 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

5、-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(5.810-6K-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。 传统金属封装材料铜、铝 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。 传统金属封装材料铜、铝 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23

6、210-6K- 1，与Si(4110-6K-1)和GaAs(5.810-6K-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。 传统金属封装材料钨、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138W(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。 传统金属封装材料钨、钼 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

7、，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。 传统金属封装材料钢 10号钢热导率为498W(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261W(m-1K-1)。 传统金属封装材料可伐 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。 传统金属封装材料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。 传统金属封装材料CuW和CuMo 由于Cu-Mo和Cu-W之间不相溶或浸润性极差，况且二者 的熔