《电子封装、微机电与微系统》课件第3章

第三章封装材料3.1陶瓷3.2金属3.3塑料3.4复合材料3.5焊接材料3.6基板材料

3.1陶瓷

Al2O3(氧化铝)陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷封装材料，其热膨胀系数(6.7×10-6/K)接近硅(4.2×10-6/K)的热膨胀系数，价格低廉，耐热冲击性、电绝缘性都比较好，制作和加工技术成熟，使用广泛。但是，Al2O3热导率相对较低，限制了它在大功率集成电路中的应用。

AlN(氮化铝)陶瓷的导热性能好，其理论导热系数为320W/(m·K)，实际产品接近250W/(m·K)，是氧化铝的5～7倍；热膨胀系数小，与硅的热膨胀系数非常接近，比氧化铝约低一半。AlN绝缘性好，电阻率大，介电常数和介电损耗小，无毒，且有良好的温度稳定性，其综合性能远优于氧化铝，是LSI、VLSI基板和封装的理想材料，也可用于大功率晶体管、开关电源基板以及电力器件。

3.2金属

金属材料中，铝的热导率很高、重量轻、价格低、加工容易，是最常用的封装材料。但铝的热膨胀系数(23.6×10-6/K)与硅(4.2×10-6/K)和GaAs(5.8×10-6/K)的

相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致器件性能失效。铜材也存在类似的问题。

3.3塑料

常见塑料一般分为两大类，即热塑性塑料和热固性

塑料。

3.4复合材料

作为导热性电子材料，金属材料能满足导热性要求，但它的导电性限制了它的使用范围；无机非金属晶体同时具有优良的导热性和绝缘性，是理想的导热性电子材料，但制备困难、成本高；聚合物成型方便，易于生产，介电性好，但导热性差。

3.5焊接材料

1. Sn-Pb

Sn-Pb系焊料是使用最广泛的软钎焊料，图3-1所示为Sn-Pb系二元相图。Sn-Pb配比不同时，性能会有很大变化，其中Sn63/Pb37共晶焊料可由液相直接转变为固相。

Sn-Pb系焊料的优点是熔点较低，浸润性能、导电性能和加工性能较好，成本低，是应用最多的焊料。图3-1Sn-Pb系二元相图

2.Sn-In

Sn-In二元共晶合金成分为Sn-52In，共晶温度为118℃。两相均是金属间化合物相。在20℃～60℃之间，Sn-52In钎料的剪切强度低于Sn-Pb钎料，这是因为Sn-In共晶的熔点(118℃)远低于Sn-Pb共晶的熔点(183℃)。Sn和In均可与Cu反应生成金属间化合物。界面反应中，Sn和Cu可反应生成Cu6Sn5和Cu3Sn。

3. Sn-Bi

Sn-Bi二元合金的共晶成分为Sn-58Bi，共晶温度为139℃。室温下平衡相为Bi相及含约4wt%Bi的Sn的固溶体。由于在共晶组织中，Sn在Bi中的固溶度很小，因此Bi相为纯Bi。Bi在Sn中最大固溶度约为21wt%。当合金冷却时，Bi在Sn相上析出。在适合冷却条件下，共晶Sn-Bi微观组织是片层状的结构。

4. Sn-9Zn

Sn-Zn二元合金的共晶成分为Sn-9Zn，共晶温度为199℃，十分接近Sn-Pb共晶合金。共晶组织由两相组成：体心四方的Sn基体相和含有不到19wt%Sn的密排六方Zn的固溶体。快冷时该合金凝固后微观组织显示出大晶粒，并且具有分布十分均匀的两相共晶区。

5. Sn-3.5Ag

Sn-Ag二元合金的共晶成分为Sn-3.5Ag，共晶温度为221℃。添加1%Zn，可消除β-Sn的粗大枝晶，使Ag3Sn分布均匀。

6. Sn-0.7Cu

Sn-Cu二元合金的共晶成分为Sn-0.7Cu，共晶温度为227℃。凝固反应时，Cu形成颗粒状或棒状的Cu6Sn5，金属间化合物弥散分布在树枝状R-Sn的基体上。在波峰焊过程中，Sn-0.7Cu共晶合金展示了替代Sn-Pb钎料的优良的潜力。由于该合金Sn的含量较高，因此具有Sn晶须生长和灰锡转变的倾向。目前还不清楚Cu的加入对Sn的晶须生长和α-Sn转变的影响。

3.6基板材料

1. DBC陶瓷基板

常用的陶瓷基板为Al2O3基板和AlN基板。陶瓷基板导热率高、热膨胀系