電子封裝基片材料研究進(jìn)展演講：杜發(fā)洪前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料的要求日益提高.在電子封裝領(lǐng)域，電子器件和電子裝置中元器件的復(fù)雜性和密集性日益提高。電子封裝基片材料是一種底座電子元件，用于承載電子元器件及其相互聯(lián)線，并具有良好電絕緣性的基體。封裝基片應(yīng)具備性質(zhì)：（1）導(dǎo)熱性能好（2）線膨脹系數(shù)匹配（3）高頻特性好

另外，電子封裝基片還應(yīng)具有機(jī)械性能高、電絕緣性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定（對電鍍處理液、布線用金屬材料的腐蝕而言）、易于加工等特點(diǎn)。電子封裝基片材料研究現(xiàn)狀

電子封裝基片材料的種類很多，常用材料包括：陶瓷、環(huán)氧玻璃、金剛石、金屬及金屬基復(fù)合材料等。有些材料已經(jīng)在電子封裝上取得了較為成熟的應(yīng)用。但就前面提到的各種性能要求而言，多數(shù)材料都不能滿足上述所有要求。1.陶瓷

陶瓷材料是電子封裝中常用的一種基片材料，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，具有和元器件相近的線膨脹率，很高的化學(xué)穩(wěn)定性和較好的熱導(dǎo)率（

λ），此外，陶瓷材料還具有良好的綜合性能，廣泛用于混合集成電路（HIC）和多芯片模件（MCM）。

陶瓷封裝常為多層陶瓷基片（MLC）。這種技術(shù)開始于1961年JLPark發(fā)明的流延工藝專利，而陶瓷封裝的創(chuàng)始人被認(rèn)為是BGrnardSchwartZ。

目前，已用于實(shí)際生產(chǎn)和開發(fā)應(yīng)用的高導(dǎo)熱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陶瓷是目前應(yīng)用最成熟的陶瓷基片材料，其價格低廉，耐熱沖擊性和電絕緣性較好，制作和加工技術(shù)成熟，因而使用最廣泛，占陶瓷基片材料的90%。

AIN陶瓷基片是一種新型的基片材料，具有優(yōu)異的電性能和熱性能，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高導(dǎo)熱陶瓷基片與AI2O3相比，AIN有較高的熱導(dǎo)率，適用于高功率、高引線和大尺寸芯片；AIN的線膨脹系數(shù)與Si材料匹配；介電常數(shù)低，1MHZ下約為8~10；AIN材質(zhì)堅(jiān)硬，在嚴(yán)酷環(huán)境條件下仍能照常工作，因此AIN可以制成很薄的襯底，以滿足不同封裝基片的應(yīng)用。

在其它陶瓷基片材料中，BN具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒有突出的優(yōu)點(diǎn)，而且價格昂貴，目前處于研究和推廣中.BeO陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率，但是其毒性和高生產(chǎn)成本，限制了它的生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。SiC陶瓷具有高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，但其電阻率和絕緣耐壓值較低，介電常數(shù)偏大，不宜作為封裝基片材料。2、環(huán)氧玻璃

當(dāng)采用引腳封裝，特別是塑料封裝時，環(huán)氧玻璃是價格最便宜的一種。

這種材料常用于單層、雙層或多層印刷板，是一種由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維（基礎(chǔ)材料）組成的復(fù)合材料.其基礎(chǔ)材料提供結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，樹脂則為基片提供可塑性。

環(huán)氧玻璃的導(dǎo)熱性較差，電性能和線膨脹系數(shù)匹配一般，但由于其價格低廉，因而在表面安裝（SMT）中得到了廣泛應(yīng)用。最常用的環(huán)氧玻璃基片是FR-X系列層壓板，這些層壓板的特點(diǎn)是帶有滅火劑（因此標(biāo)定為FR）.一旦著火，層壓板可以自動滅火.其中，F(xiàn)R-4以玻璃纖維為基礎(chǔ)，加有環(huán)氧樹脂；FR-5與FR-4相似，強(qiáng)度較高，高溫下電氣特性較好。這些材料都廣泛應(yīng)用于工業(yè)界多層電路板的制作中。FR-4環(huán)氧玻璃層壓板3金剛石

天然金剛石具有作為半導(dǎo)體器件封裝所必需的最優(yōu)異的性質(zhì)，如高的熱導(dǎo)率（2000W/m·K，25C）、低介電常數(shù)（5.5）、高電阻率（1016Ω·cm）和擊穿場強(qiáng)（1000kV/mm）。

從本世紀(jì)60年代起，微電子界開始利用金剛石作為半導(dǎo)體器件封裝基片的努力，并將金剛石作為散熱材料，用在微波雪崩二極管和激光器上，成功地改進(jìn)了它們的輸出功率。

近年來，低溫低壓下化學(xué)氣相沉積（LPCVD）金剛石薄膜技術(shù)迅速發(fā)展，它不僅具有設(shè)備成本低和沉積面積大的優(yōu)點(diǎn)，而且能直接沉積在高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬、復(fù)合材料或單晶硅襯底上，甚至可以制成無支承物的金剛石薄膜片，然后粘結(jié)到所需的基片上（金屬或陶瓷），這為金剛石作為普及應(yīng)用的商品化封裝材料展示了美好的應(yīng)用前景。表2列出了三種金剛石薄膜CVD方法間的比較。4、絕緣金屬

絕緣金屬基片早已開發(fā)成功并用于電子封裝中，因其熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度高、加工性能好，至今仍是人們繼續(xù)開發(fā)、提高和推廣的主要材料之一。表3列出了幾種傳統(tǒng)封裝金屬材料的一些基本特性。

鋁的熱導(dǎo)率很高、重量輕、價格低、易加工，是最常用的封裝材料.但鋁的線膨脹系數(shù)與Si（4.1X10*-6/K）和GaAs（5.8X10*-6/K）相差較大，器件工作時的熱循環(huán)常會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致失效。銅材也存在類似的問題。Invar（鎳鐵合金）和Kovar（鐵鎳鈷合金）系列合金具有非常低的線膨脹系數(shù)和良好的焊接性，但電阻很大，導(dǎo)熱能力較差，只能作為小功率整流器的散熱和連接材料。W和Mo具有與Si相近的線膨脹系數(shù)，且導(dǎo)熱性比Kovar合金好得多，故常用于半導(dǎo)體Si片的支撐材料。5、金屬基復(fù)合材料

為了解決單一金屬作為電子封裝基片材料的缺點(diǎn)，人們研究和開發(fā)了低膨脹、高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料。它與其它電子封裝材料相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）通過改變增強(qiáng)體的種類、體積分?jǐn)?shù)、排列方式，或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等可以實(shí)現(xiàn)材料的熱物理性能設(shè)計(jì)；（2）可直接成形，避免了昂貴的加工費(fèi)用和隨之帶來的材料損耗；（3）材料制造靈活，生產(chǎn)費(fèi)用不高，價格正在不斷降低。（1）Cu基復(fù)合材料

采用C纖維、B纖維等、SiC顆粒、AIn顆粒等材料做增強(qiáng)體，得到的纖維增強(qiáng)的低膨脹、高導(dǎo)熱Cu基復(fù)合材料具有較好的綜合性能.例如P-130石墨纖維增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的面膨脹系數(shù)為6.5X10-6/K，并保持著較高的熱導(dǎo)率（220W/m·K）

另外，Cu中還可以加入W、Mo和低膨脹合金等粉末.制作W/Cu或Mo/Cu復(fù)合材料時，將Cu滲入到多孔的W、Mo燒結(jié)塊中，以保持各相的連續(xù)性。

對鎳鐵合金/Cu材料，因鎳鐵合金的線膨脹系數(shù)和Cu的電導(dǎo)（熱導(dǎo)）受微量雜質(zhì)的影響較大，所以鎳鐵合金和Cu在燒結(jié)過程中的互相擴(kuò)散將顯著影響復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和膨脹性能。（2）鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度、比剛度高等特點(diǎn)，而且導(dǎo)熱性能好、線膨脹系數(shù)可調(diào)、密度較低，作為電子封裝元器件的選材，具有很大的開發(fā)應(yīng)用潛力。常用的增強(qiáng)體包括C、B、碳化物（如SiC、TiC）、氮化物（如AIN、Si3N4）和氧化物（如AI2O3、SiO2），基體合金則可為純AI，或6061、6063、2024合金等。

增強(qiáng)體加入到鋁合金后，將會引起基體合金微觀結(jié)構(gòu)的變化，并使復(fù)合材料彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到明顯提高，但延伸率顯著降低.雖然鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能視制備工藝、增強(qiáng)體種類、尺寸和體積分?jǐn)?shù)、基體合金及熱處理工藝的不同而存在一定的差異，但其機(jī)械強(qiáng)度足以滿足作為電子封裝基片的要求。

但是，由于電子封裝用金屬基復(fù)合材料的開發(fā)時間較短，還有許多問題需進(jìn)一步深入研究。例如：如何進(jìn)行基體合金設(shè)計(jì)及增強(qiáng)體的選擇，以達(dá)到進(jìn)一步提高復(fù)合材料的熱物理性能；進(jìn)一步研究顯微結(jié)構(gòu)是如何控制熱導(dǎo)率等物理參數(shù)的；如何不斷擴(kuò)大使用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)規(guī)模性生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。結(jié)束語

電子技術(shù)的進(jìn)步對電子封裝基片材