大功率密度封装用粉末冶金材料

大功率密度封装用粉末冶金热沉材料安泰科技股份有限公司

集成电路封装就是将一个具有一定功能的集成电路芯片（包括半导体集成电路芯片、薄膜集成电路基片、混合集成电路芯片）放置在一个与之相应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境，保护芯片不受或少受外部环境影响，使集成电路具有稳定正常的功能。

塑料封装材料（酚醛类、环氧类、聚脂类、有机硅）金属封装材料（Cu、可伐、Si/Al、WCu、MoCu、

Cu-Mo-Cu）陶瓷封装材料（AlN、SiC、BeO）陶瓷金属封装材料（SiC/Al)

其他（CVDDiamond、Diamond/Cu、Diamond/Ag））电子封装材料分类

塑料封装由于具有成本低和便于自动化生产的优点，国际上90％的集成电路都采用塑料封装，并且随着塑封材料、封装结构和工艺的不断改善，比例还在不断扩大。

在功率半导体器件、高集成度微电子器件、微波电子器件、光电器件中，随着工作频率和功率密度的不断提高，对器件的散热问题提出了严重的挑战。

Intelhas“hitathermalwall”《纽约时报》－5/17/2004ThermalManagement

－电路设计－封装材料选择（Heatsink)

－生产工艺选择－封装结构设计热沉材料（（HeatsinkMaterials）1、具有高的的导热系数数芯片的高集集成度要求求电子封装装日益小型型化，这就就必然带来来一个问题题：芯片发发热量提高高，电路工工作温度不不断上升。。在半导体体器件中，，温度每升升高18℃，失效的可可能性就增增加2～3倍。因此热热沉材料必必须具有高高的导热性性能，辅助助散发电路路中产生的的热量。2、匹配的热热膨胀系数数匹配即与电电子器件用用陶瓷或其其他介质的的膨胀系数数的差值小小于10％，这样可可以降低热热阻，提高高工件的稳稳定性、可可靠性，延延长使用寿寿命。3、气密性为保证电子子元件工作作的稳定性性，高精密密度的电子元元件空腔要要求为高真真空，封装装材料任何微量的的漏气都可可能导致电电子元件的的失效。因此要要求电子封封装材料具具有很高的的气密性。在热沉沉材料中，，高的相对对密度意味味着高的气密性。。4、一定的机机械强度保护整体封封装结构，，防止外部部机械性的的破坏。材料成分密度（g/cm3）热膨胀系数（10-6/K）热导率（W/mK）AlSiCAl+(50%-70%)SiC3.006.5-9.0170-200CuWW+(10%-20%)Cu15.6-17.06.5-8.3180-200CuMoMo+(15%-20%)Cu10.007.0-8.0160-170AlSi60%Al+40%Si2.5315.4126KovarFe+Ni8.105.917Cu8.9617.8398Al2.7023.6238Si2.304.2151GaAs5.236.554Al2O33.606.717BeO2.907.6250AlN98%purity3.304.5160-200二、热沉材材料的制备备工艺传统Al2O3陶瓷基片生生产工艺原料粉末混混合压坯成型烧结圆盘研磨CNC加工行星研磨电镀Ni、Au高热导WCu、MoCu、AlN生产工艺AlN陶瓷的烧结结非常困难难，采用热热压、热等等静压、SPS烧结等方法法能够制备备出高密度度高质量的的AlN制品，但这这些工艺成成本高、效效率低，无无法满足电电子行业日日益增长的的需求量。。目前常用用的方法是是添加Y2O3、CaO等烧结助剂剂的常压烧烧结。添加剂在高高温下和AlN颗粒表面的的氧化铝反反应生成低低熔物，产产生液相，，促进了AlN陶瓷的致密密化。液态态晶界相的的存在也减减少了AlN晶格中的氧氧缺陷，提提高了AlN陶瓷的热导导率。采用用这种方法法可制备出出热导率为为170～220w/m·k的AlN基片。W-Cu、Mo-Cu合金热沉材材料的制备备W粉与Cu粉直接混合合烧结。由于W、Mo与Cu几乎没有任任何的溶解解度，直接接混粉烧结结很难获得得高致密度度Wcu、MoCu复合材料。。Ni、Fe烧结组剂的的添加将极极大降低WCu、MoCu的导热性。。比较成功功的工艺是是机械合金金化与W/Cu包覆粉末制制备工艺。。一定配比原料粉末卧式高能球磨Ar气保护超细WCu合金粉末烧结优点：工艺艺流程相对对简单。缺点：高能能球磨带入入杂质对导导热率影响响。W包Cu合金粉末直直接烧结WO3＋CuO混合高能球磨还原WO3+CuOWO3+Cu（300°C）WO3+CuWO2.9+Cu（380°C）WO2.9+CuWO2.9+WO2.72＋Cu（500°C）WO2.9+WO2.72＋CuWO2+Cu（600°C）WO2+CuWO2+W＋Cu（650°C）WO2+W＋CuW+Cu（over700°C）90WCu混粉直接烧烧结金相照照片烧结密度低低，孔隙大大，导热率率低复合包覆粉粉末烧结WCu金相照片其它常用的的制备方法法为熔渗法法，即将W粉、Mo粉压制成型型后，在一一定温度下下烧结得到到所需的骨骨架孔隙度度，再将Cu渗入孔隙中中。其优点是用用这种方法法制备的材材料，热导导率高，气气密性好。。缺点：工艺艺过程较复复杂，无法法使用MIM工艺制备复复杂形状产产品。W粉末成型预制件烧结结Cu熔融浸渗机械加工电镀国内目前主主要采用的的工艺，由由于各工序序对最终Cu含量均有影影响，对精精确控制W/Cu合金的成分分，即精确确控制热导导率上有一一定困难。。SiC/Al材料的制备备目前采用的的方法是先先成型SiC颗粒预制件件，再将Al液熔化后渗渗入合成。。由于SiC和Al的润湿性差差，Al无法自发渗渗入，多采采用压力熔熔渗、基体体金属合金金化、陶瓷瓷颗粒表面面涂层等方方法改善其其润湿性。。不同Al含量SiC/Al的CET值原料粉末成型粉坯活性处处理高温热处理理渗铝处理多孔粉坯半成品多孔SiC骨架SiC/Al复合材料压力浸渗自浸渗浸渗SiC/Al复合材料金金相照片PROPERTIESDATA

Series7001200Densityg/cc3.022.77ThermalConductivityW/mK210170ThermalExpansionPPM/ºC6.0-8.016.0–18.0ElectricalConductivity%IACS725–27Young'sModulusGpa224100ThermalCapacityJ/ccºC2.222.05国外SiC/Al热沉产品性性能热膨胀系数

6.5～9.5×10-6/K之间任意可调导热率

170～200W/mK电阻率

30～50μΩ·cm抗弯强度

350～500MPa弹性模量

200～230GPa密度

2.95～3.00g/cm3尺寸范围

3×3×0.5mm3～100×60×10mm3尺寸精度

±0.05mm表面粗糙度

1.6～3.2μm镀层厚度

3～10μm镀层质量

400℃空气烤15min，镀层无起泡、起皮或变色现象国内报道SiC/Al材料性能超高热导热热沉材料CVD金刚石薄膜膜金刚石熔点点高达3000ºC以上，抗氧氧化能力强强，天然IIa型金刚石晶晶体室温下下热导率为为2000W/mk，是是已已知知物物质质中中最最高高的的，，为为Cu的5倍。。化化学学气气相相沉沉积积（（CVD)金刚刚石石为为多多晶晶结结构构，，膜膜内内存存在在大大量量杂杂质质与与缺缺陷陷，，其其导导热热性性能能一一般般达达不不到到天天然然金金刚刚石石的的水水平平。。金刚刚石石热热沉沉是是解解决决迅迅猛猛发发展展的的芯芯片片散散热热问问题题的的理理想想材材料料。。热丝丝CVD制备备金金刚刚石石薄薄膜膜的的基基本本原原理理是是将将含含碳碳气气源源（（如如甲甲烷烷））和和氢氢气气在在灯灯丝丝产产生生的的高高温温（（2000ºC以上上））作作用用下下分分解解离离化化后后产产生生含含碳碳基基团团和和原原子子氢氢等等，，他他们们的的相相互互作作用用促促使使构构成成金金刚刚石石的的SP3杂化化碳碳－－碳碳键键的的形形成成，，从从而而在在基基体体（（温温度度600-1000ºC）表表面面沉沉积积金金刚刚石石薄薄膜膜。。颗粒粒增增强强型型金金刚刚石石/金属属基基复复合合热热沉沉材材料料金刚刚石石颗颗粒粒/SiC热沉沉材材料料金刚刚石石颗颗粒粒增增强强Cu基热热沉沉材材料料金刚刚石石颗颗粒粒增增强强Al基热热沉沉材材料料总结结高热热导导封封装装材材料料对对于于高高频频率率、、高高功功率率密密度度的的IC器件件的的性性能能、、可可靠靠性性有有至至关关重重要要的的作作用用。。通过过材材料料的的改改进进，，可可以以省省去去高高功功率率密密度度集集成成电电路路需需要要的的散散热热管管（（针针））、、风风扇扇、、冷冷却却液液等等装装置置。。高热热导导封封装装材材料料向向着着更更高高的的热热导导率率、、更更轻轻的的重重量量、、更更低低的的成成本本方方向向发发展展，，在在无无线线通通讯讯、、高高集集成成度度微微电电子子产产品品、、便便携携式式电电子子产产品品、、相相控控阵阵列列雷雷达达等等军军事事电电子子器器件件、、航航天天航航天天等等领领域域有有非非常常广广阔阔的的应应用用前前景景。。国外外第第二二代代WCu、MoCu、Cu/Mo/Cu、AlN、SiC/Al等新新型型高高导导热热封封装装材材料料已已可可以以规规模模化化生生产产，，通通过过生生产产工工艺艺的的不不断断改改进进，，产产品品质质量量的的稳稳定定性性不不断断提提高高、、产产品品价价格格不不断断降降低低，，已已达达到到工工业业化化使使用用水水平平。。热热导导率率大大于于500W/mK的第第三三代代颗颗粒粒增增强强型型金金刚刚石石热热沉沉材材料料已已有有产产品品生生产产，，热热导导率率大大于于1000W/mK的CVD金刚刚石石薄薄膜膜热热沉沉材材料料的的研研究究正正在在进进行行中中，，已已能能在在试试验验室室合合成成。。国内内目目前前还还没没有有可可以以批批量量化化生生产产第第二二代代高高热热导导封封装装材材料料的的单单