电子封装基片材料研究进展

电子封装基片材料研究进展演讲：杜发洪前言现代科学技术的发展对材料的要求日益提高.在电子封装领域，电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高。电子封装基片材料是一种底座电子元件，用于承载电子元器件及其相互联线，并具有良好电绝缘性的基体。封装基片应具备性质：（1）导热性能好（2）线膨胀系数匹配（3）高频特性好

另外，电子封装基片还应具有机械性能高、电绝缘性能好、化学性质稳定（对电镀处理液、布线用金属材料的腐蚀而言）、易于加工等特点。电子封装基片材料研究现状

电子封装基片材料的种类很多，常用材料包括：陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料等。有些材料已经在电子封装上取得了较为成熟的应用。但就前面提到的各种性能要求而言，多数材料都不能满足上述所有要求。1.陶瓷

陶瓷材料是电子封装中常用的一种基片材料，其主要优点在于：高的绝缘性能和优异的高频特性，具有和元器件相近的线膨胀率，很高的化学稳定性和较好的热导率（

λ），此外，陶瓷材料还具有良好的综合性能，广泛用于混合集成电路（HIC）和多芯片模件（MCM）。

陶瓷封装常为多层陶瓷基片（MLC）。这种技术开始于1961年JLPark发明的流延工艺专利，而陶瓷封装的创始人被认为是BGrnardSchwartZ。

目前，已用于实际生产和开发应用的高导热陶瓷基片材料主要包括AI2O3、AIN、SiC、和BeO等。其典型特性如表1所示。 AI2O3陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料，其价格低廉，耐热冲击性和电绝缘性较好，制作和加工技术成熟，因而使用最广泛，占陶瓷基片材料的90%。

AIN陶瓷基片是一种新型的基片材料，具有优异的电性能和热性能，被认为是最有发展前途的高导热陶瓷基片与AI2O3相比，AIN有较高的热导率，适用于高功率、高引线和大尺寸芯片；AIN的线膨胀系数与Si材料匹配；介电常数低，1MHZ下约为8~10；AIN材质坚硬，在严酷环境条件下仍能照常工作，因此AIN可以制成很薄的衬底，以满足不同封装基片的应用。

在其它陶瓷基片材料中，BN具有较好的综合性能，但作为基片材料，它没有突出的优点，而且价格昂贵，目前处于研究和推广中.BeO陶瓷具有较高的热导率，但是其毒性和高生产成本，限制了它的生产和应用推广。SiC陶瓷具有高强度和高热导率，但其电阻率和绝缘耐压值较低，介电常数偏大，不宜作为封装基片材料。2、环氧玻璃

当采用引脚封装，特别是塑料封装时，环氧玻璃是价格最便宜的一种。

这种材料常用于单层、双层或多层印刷板，是一种由环氧树脂和玻璃纤维（基础材料）组成的复合材料.其基础材料提供结构上的稳定性，树脂则为基片提供可塑性。

环氧玻璃的导热性较差，电性能和线膨胀系数匹配一般，但由于其价格低廉，因而在表面安装（SMT）中得到了广泛应用。最常用的环氧玻璃基片是FR-X系列层压板，这些层压板的特点是带有灭火剂（因此标定为FR）.一旦着火，层压板可以自动灭火.其中，FR-4以玻璃纤维为基础，加有环氧树脂；FR-5与FR-4相似，强度较高，高温下电气特性较好。这些材料都广泛应用于工业界多层电路板的制作中。FR-4环氧玻璃层压板3金刚石

天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的最优异的性质，如高的热导率（2000W/m·K，25C）、低介电常数（5.5）、高电阻率（1016Ω·cm）和击穿场强（1000kV/mm）。

从本世纪60年代起，微电子界开始利用金刚石作为半导体器件封装基片的努力，并将金刚石作为散热材料，用在微波雪崩二极管和激光器上，成功地改进了它们的输出功率。

近年来，低温低压下化学气相沉积（LPCVD）金刚石薄膜技术迅速发展，它不仅具有设备成本低和沉积面积大的优点，而且能直接沉积在高导热系数的金属、复合材料或单晶硅衬底上，甚至可以制成无支承物的金刚石薄膜片，然后粘结到所需的基片上（金属或陶瓷），这为金刚石作为普及应用的商品化封装材料展示了美好的应用前景。表2列出了三种金刚石薄膜CVD方法间的比较。4、绝缘金属

绝缘金属基片早已开发成功并用于电子封装中，因其热导率和机械强度高、加工性能好，至今仍是人们继续开发、提高和推广的主要材料之一。表3列出了几种传统封装金属材料的一些基本特性。

铝的热导率很高、重量轻、价格低、易加工，是最常用的封装材料.但铝的线膨胀系数与Si（4.1X10*-6/K）和GaAs（5.8X10*-6/K）相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致失效。铜材也存在类似的问题。Invar（镍铁合金）和Kovar（铁镍钴合金）系列合金具有非常低的线膨胀系数和良好的焊接性，但电阻很大，导热能力较差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W和Mo具有与Si相近的线膨胀系数，且导热性比Kovar合金好得多，故常用于半导体Si片的支撑材料。5、金属基复合材料

为了解决单一金属作为电子封装基片材料的缺点，人们研究和开发了低膨胀、高导热金属基复合材料。它与其它电子封装材料相比，主要有以下优点：（1）通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式，或改变基体的合金成分，或改变热处理工艺等可以实现材料的热物理性能设计；（2）可直接成形，避免了昂贵的加工费用和随之带来的材料损耗；（3）材料制造灵活，生产费用不高，价格正在不断降低。（1）Cu基复合材料

采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒、AIn颗粒等材料做增强体，得到的纤维增强的低膨胀、高导热Cu基复合材料具有较好的综合性能.例如P-130石墨纤维增强Cu基复合材料的面膨胀系数为6.5X10-6/K，并保持着较高的热导率（220W/m·K）

另外，Cu中还可以加入W、Mo和低膨胀合金等粉末.制作W/Cu或Mo/Cu复合材料时，将Cu渗入到多孔的W、Mo烧结块中，以保持各相的连续性。

对镍铁合金/Cu材料，因镍铁合金的线膨胀系数和Cu的电导（热导）受微量杂质的影响较大，所以镍铁合金和Cu在烧结过程中的互相扩散将显著影响复合材料的导电、导热和膨胀性能。（2）铝基复合材料

铝基复合材料不仅具有比强度、比刚度高等特点，而且导热性能好、线膨胀系数可调、密度较低，作为电子封装元器件的选材，具有很大的开发应用潜力。常用的增强体包括C、B、碳化物（如SiC、TiC）、氮化物（如AIN、Si3N4）和氧化物（如AI2O3、SiO2），基体合金则可为纯AI，或6061、6063、2024合金等。

增强体加入到铝合金后，将会引起基体合金微观结构的变化，并使复合材料弹性模量、屈服强度和抗拉强度得到明显提高，但延伸率显著降低.虽然铝基复合材料力学性能视制备工艺、增强体种类、尺寸和体积分数、基体合金及热处理工艺的不同而存在一定的差异，但其机械强度足以满足作为电子封装基片的要求。

但是，由于电子封装用金属基复合材料的开发时间较短，还有许多问题需进一步深入研究。例如：如何进行基体合金设计及增强体的选择，以达到进一步提高复合材料的热物理性能；进一步研究显微结构是如何控制热导率等物理参数的；如何不断扩大使用领域，实现规模性生产，降低生产成本。结束语

电子技术的进步对电子封装基片材