金属封装材料的现状及发展

1、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A/ D或D / A转换器)融合为一体，适合于低I /O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

2、，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3X 10-6-7X10-6K-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 EMI /RFI 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

3、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 Cu / W和Cu / Mo等，它们的主要性能如 表 1 所示。1 1 铜、铝纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率1. 72Q cm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16 . 5X 10-6K-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

4、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 'C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 . 2X 10-6K-1 ，与Si(4 . 1X 10-6K-1)和GaAs(5.8 X10-6K-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

5、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。1 2 钨、钼Mo的CTE为5. 35 X10-6K-1 ，与可伐和 AI2O3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。

6、1. 3 钢10号钢热导率为49 . 8 W（m-1K-1），大约是可伐合金的三倍，它的CTE为12 . 6 X 10-6K-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 26 1 W（m-1K-1）。1 4 可伐可伐合金 （Fe-29Ni-17Co ，中国牌号 4J29） 的 CTE 与 Si 、GaAs 以及 AI2O3 、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

7、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。1 5 Cu W 和 Cu Mo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Cu / W及Cu / Mo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。Cu/ W及 Cu Mo 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Cu/ W和Cu /Mo复合材料的性能。

8、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 Cu W 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 Cu / W密度太大，增加了封装重量。但密度大也使Cu / W具有对空间辐射总剂量仃ID）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Cu / W的16倍。2 新型的金属封装材料及其应用除了 Cu W 及 Cu Mo 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

9、种金属基复合材料（MMC） ，它们是以金属（ 如 Mg、 AI 、 Cu 、 Ti） 或金属间化合物 （如 TiAI 、 NiAI） 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

10、和灿基复合材料。2 1 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 AI2O3、锆、银、硅。这些物质可以使无氧高导铜的退火点从320 'C升高到400 'C,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 G Iidcop 含有 997的铜和 03弥散分布的 AI2O3 。加入 AI2O3 后，热导率稍有减少，为 365W(m -1K-1)，电阻率略有增加，为1. 85卩cm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

11、 SincIair 公司在功率器件的金属封装中使用 GIidcop 代替无氧高导铜作为底座。美国 S encitron 公司在 TO-254 气密金属封装中使用陶瓷绝缘子与 GIidcop 引线封接。 在 GIidcop 基础上， SC M 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10X 10-6K-1，电导率为30 % IACS。Glidcop 与25 % Mo的复合材料屈服强度为 690MPa，CTE为12 X10-6K-

12、1 ， 电导率为 70 % IACS1 。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 0. 4X10-6K-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。 Cuv ar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4J 42) 的替代品，也可以代替传统的 W 、 Mo 基热管理

13、材料 2 。但 Cuvar 材料受微量杂质的影响较大， Inv ar 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-1 X 10-6 2X 10-6K-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

14、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-0 . 5X 10-6K-1 ，热导率 600-750W(m-1K-1) ，而垂 直于碳纤维长度方向的 CTE 为 8X10-6K-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

15、弘 m) 作为增强体解决这一问题。表 4 为 Metal Matrix Cast Composites(MM CC)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 C的热导率为600W(m-1K-1)左右，比铜还要高，而它的CTE为5 . 48 X10-6-6 . 5 X10-6K-1 ，可与Si、GaAs的CTE相匹配。这种材料已由美国LawrenceLivermore 国家实验室与 Sun Microsystems 公司丌发作为多芯片模块 (MC

16、M) 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-Me tal-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。女口 ZrW5O8、ZrV2O7 的 CTE 为-11 X 10-6K-1，Ni-Ti 合金的 CTE 更低达-200 X 10-6K-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

17、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 CuInvar Cu(CIC) 和 Cu MoCu(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

18、裁性以及EMI RFI 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 'C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Cu / Mo基础上，Polese公司开发了 Cu / Mo-Cu /Cu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 1-4 1 的 CuMo-Cu Cu 上市，其 25-400cC 的热导率为 300 W(m-1K-1)， CTE 为 7. 0X10-6-8. 5 X10-6K-1 ，密度为 9. 45gcm-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