电子封装材料有哪些高硅铝电子封装材料及课堂报告总结摘要关键词 Abstract Keyword 目录第一章高硅铝电子封装材料应用背景由于集成电路的集成度迅猛增加,导致了芯片发热量急剧上升,使得芯片寿命下降。温度每升高10℃,GaAs或Si微波电路寿命就缩短为原来的3倍[1,2]。这都是由于在微电子集成电路以及大功率整流器件中,材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳所引起的失效,解决该问题的重要手段即是进行合理的封装。所谓封装是指支撑和保护半导体芯片和电子电路的基片、底板、外壳,同时还起着辅助散失电路工作中产生的热量的作用[1]。用于封装的材料称为电子封装材料,作为理想的电子封装材料必须满足以下几个基本要求[3]: ①低的热膨胀系数,能与Si、GaAs芯片相匹配,以免工作时,两者热膨胀系数差异热应力而使芯片受损; ②导热性能好,能及时将半导体工作产生的大量热量散发出去,保护芯片不因温度过高而失效; ③气密性好,能抵御高温、高湿、腐蚀、辐射等有害环境对电子器件的影响;④强度和刚度高,对芯片起到支撑和保护的作用; ⑤良好的加工成型和焊接性能,以便于加工成各种复杂的形状和封装;⑥性能可靠,成本低廉; ⑦对于应用于航空航天领域及其他便携式电子器件中的电子封装材料的密度要求尽可能的小,以减轻器件的重量。国内外研究现状目前所用的电子封装材料的种类很多,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。国内外金属基电子封装材料和主要性能指标如表1-1。表1-1常用电子封装材料主要性能指标[1,4] 材料 Si GaAs Al2O3 BeO AlN密度g/cm3 导热率Watts/mk00热膨胀系数比导热率(CTE)106/KWcm3/mKg Al Cu Mo 从表1-1可以看出,作为芯片用的Si和GaAS材料以及用做基片的Al2O3、BeO等陶瓷材料,其热膨胀系数值在410-6/K到710-6/K之间,而具有高导热系数的Al和Cu,其CTE值高达2010-6/K,两者的不匹配会产生较大的热应力,而这些热应力正是集成电路和基板产生脆性裂纹的一个主要原因之一。在航空航天飞行器领域使用的电子系统中,满足电子封装材料的其他基本要求的同时,轻质是首要的问题。对于表1-1中所提到的三类轻质低密度电子封装材料中,氮化铝的热膨胀系数与Si十分接近,且氮化铝的刚度和密度较低,使其非常适合于电子封装,然而它存在不能电镀的问题。BeO的热膨胀系数与GaAs相近,也具有良好的热传导性等其他优良性能,可是,这种材料由于剧毒,不符合现代材料研究中对环境友好性的要求,因而限制了它的应用。为满足现代航空航天电子封装的需要,急需寻找一种新型轻质电子封装材料,而高硅铝合金以及金属基复合材料电子封装正好复合这一要求,作为新型轻质电子封装材料,高硅铝合金以及金属基复合电子封装材料有着十分诱人的应用前景,代表了新型轻质封装材料的发展方向。高硅铝合金电子封装材料高硅铝合金电子封装材料由于具有质量轻、热膨胀系数低、热传导性能良好、以及高的强度和刚度,与金、银、铜、镍可镀,与基材可焊,易于精密机加工、无毒等优越性能[5-7],符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向发展的要求。另外,铝硅在地球上含量都相当丰富,硅粉的制备工艺成熟,成本低廉,所以铝硅合金材料成为一种潜在的具有广阔应用前景的电子封装材料,受到越来越多人的重视,特别是在航空航天领域。高硅铝合金封装材料作为轻质电子封装材料,其优点突出表现在,一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计;二是该类材料是飞行器用质量最轻的金属基电子封装材料,兼有优异的综合性能;三是可实现低成本要求。表1-2硅和铝单质的性能由表1-2可见,利用硅和铝的单质配制的合金密度在~/cm之间,热膨胀系数CTE在~1110-6/K之间,而导热率大于100W/mK。故用这两种胆汁材料,通过改变规律成分的配比,就可以制备出能满足航空航天电子封装材料所要求的高硅铝合金。铸造高硅铝合金熔炼铸造方法是指被大多数合金材料所使用的最广泛的一种方法,其设备简单、成本低,可实现大批量工业化生产。熔铸法制备高硅铝合金材料主要有变质铸造法和特种铸造等方法。对于高硅铝合金材料,其性能在很大程度上与初晶硅、共晶硅的大小、形态及分布有关,若其尺寸粗大,则所获材料性能就差[8,9]。所以,细化初晶硅和共晶硅晶粒尺寸就成了铸造铝硅合金的研究重点。利用铸造法生产高硅铝合金其硅含量最高达到30%,而且其铸态显微组织主要由粗大的、孤立的、多面化的和高纵横比的一次Si晶体组成,这会导致材料内部的各向异性,极不利于合金的综合性能和可加工性,所以,对于制造综合性能要求比较严格的电子封装材料,是不太可行的方法。因此,特殊的铸造方法如挤压铸