金屬封裝材料的現(xiàn)狀及發(fā)展(下)

（續(xù)）

2．2 Al基復(fù)合材料

由于Al的CTE比Cu還大，為使其CTE與Si、Ge、GaAs等半導(dǎo)體材料相近，常常不得不采用高體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)體與其復(fù)合，添加量甚至高達(dá)70％，但如果用作與玻璃相匹配的封裝材料，添加量則可以少一些。鋁基復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度、比剛度高的特點(diǎn)，而且導(dǎo)熱性能好、CTE可調(diào)、密度較低。常用的增強(qiáng)體包括C、B、Si、金剛石、碳化物(如SiC、TiC)、氮化物(如AlN、Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基體合金則可為純AL，或6061、6063、2024等鋁合金等。如用硼纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，當(dāng)硼含量為20％時(shí)，其X-Y平面的CTE為12．7×1O-6K-1，熱導(dǎo)率為180W(m-1K-1)，密度為2．6g cm-3。

Al／SiC是一種在金屬封裝中口前國(guó)外得到廣泛使用的鋁基復(fù)合材料，它山30％-70％的SiC顆粒和鋁或鋁合金組成。它的CTE可通過(guò)改變組分的百分含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，低SiC含量的Al／SiC復(fù)合材料可以沖裁。隨著SiC含量的增加，其CTE將從鋁的23．2×10-6K-1逐漸下降。小于鋁的熱導(dǎo)率為237W(m-1K-1)，SiC的熱導(dǎo)率為110W(m-1K-1)，因此SiC含量的改變對(duì)材料熱導(dǎo)率影響不大，含有70％SiC的Al／SiC材料其熱導(dǎo)率仍高達(dá)170W(m-1K-1)，而CTE大約為7×10-6K-1左右，可以獲得良好的熱匹配，使得與芯片或基板的結(jié)合處應(yīng)力最小，同時(shí)提供廠比可伐合金高山10倍導(dǎo)熱能力，因而不需要使用散熱片。山于鋁和SiC的密度都很小，因而Al／SiC材料的密度也很小，70％SiC的Al／SiC材料的密度僅為2．79g cm-3。這些性能使它成為滿足氣密封裝需要的理想材料，它特別適合于空間應(yīng)用。例如一個(gè)目前正在運(yùn)行的軍事衛(wèi)星用于微波封裝的可伐介金重量超過(guò)了23kg，若用A1／SiC代替，重量至少節(jié)約13kg以上，即大約60％。Al／SiC的制備工藝比較成熟，同時(shí)町以在其上鍍Au、Ni等，很容易實(shí)現(xiàn)封裝材料的焊接[6-11]。法國(guó)Egide Xeram公司研制生產(chǎn)了一系列Al／SiC氣密性封裝外殼，最大外形尺寸達(dá)220mm×220mm，已在軍用機(jī)載電子設(shè)備十微波MCM上獲得應(yīng)用。圖2為Al／SiC材料在LEO商業(yè)通信衛(wèi)星微波／射頻封裝上的應(yīng)用實(shí)例。Olin Aegis公司使用Al／SiC復(fù)合材料制造的氣密封裝產(chǎn)品(圖3)，能夠滿足軍事和航天規(guī)范的全部要求。該公司專(zhuān)利的電鍍技術(shù)可以使外殼經(jīng)受400℃工作溫度而不會(huì)發(fā)生鍍層起泡和剝落現(xiàn)象。

國(guó)外已有多家公司生產(chǎn)Al／SiC復(fù)合材料。如Advanced Forming Technology(AFT)公司、Polese公司、AMETEK Specialty Metal Products公司等。美國(guó)Thermal Transfer Composites(TTC)公司是利用Primex(MCX-693-MCX-947)和Primex Cast (MCX-1195-MCX-1605)兩種技術(shù)生產(chǎn)Al／SiC復(fù)合材料。Ceramics Process Systems(CPS)公司使用Al／SiC復(fù)合材料制造微處理器蓋板和散熱片有三個(gè)牌號(hào)的，分別為CPS AlSiC-9，A1SiC-10和AISiC-12，CTE(20-150℃)分別為9×10-6K-1、10×10-6K-1、12×10-6K-1。此外，該公司也用其制造功率基板、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)底座、微波外殼和載體板。這些公司生產(chǎn)的Al／SiC復(fù)合材料的數(shù)據(jù)如表7所示。

Al／SiC復(fù)合材料也存在一些弱點(diǎn)，主要是山于含有大量硬度極高的SiC，難于加工，盡管采用丁凈成形技術(shù)，但也只在大批量生產(chǎn)上才合算。此外，需要在表層都是Al時(shí)才能可靠地電鍍和釬焊。因此需要開(kāi)發(fā)一種新的加工、電鍍和釬焊性能更好的金屬封裝材料。Al／Si介金就是這樣一種材料，雖然用于封裝的含Si40％的Al／Si合金多年前就已商品化，但直到最近幾年，山于噴射成型技術(shù)的發(fā)展，才使得具有更高Si含量的Al／Si合金制造成功。英國(guó)Osprey金屬公司開(kāi)發(fā)了一系列稱(chēng)之為可控膨脹(CE)介金的Al／Si合金，顧名思義，可控膨脹合金可以通過(guò)改變Al(23．6×10-6K-1)與Si(2．2×10-6-4．3×10-6K-1)相對(duì)比例得到二者間任何的CTE值。圖4表示出20℃的CTE隨合金里Si含量的變化。表8列出了Osprey的主要CE合金成分及其性能。

Al／Si合金具有非常好的性能，重量比純Al輕15％，是呵伐重量的1／3，是Cu／W重量的1／6。CTE隨溫度的變化不大，從-50℃—300℃變化不超過(guò)10％，使得它與氧化鋁和GaAs在這個(gè)方面匹配。它的彈性模量超過(guò)110GPa，具有非常高的比剛度(CE7合金為53GPa cm3g-1而可伐為17GPa cm3g-1，Cu／75W為15GPa cm3g-1)，因此熱加工穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，在加工和使用過(guò)程中CE合金仍保持極為平整。致密的Al／70Si(CE7)合金熱導(dǎo)率為120W(m-1K-1)，20℃的CTE為6．8×10-6K-1，適合于EMI／RFI屏蔽。另外，巾噴射成形工藝制備的CE合金具有均勻、備向同性的特點(diǎn)和很好的機(jī)加工、鍍覆、焊接特性。日前，CE合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域有微波／射頻外殼、光電外殼、功率器件的基板、高頻電路的載體板、散熱片和熱沉、代替?zhèn)鹘y(tǒng)Al合金的普通電子封裝產(chǎn)品、波導(dǎo)和微波濾波器元件等[12,13]。圖5和圖6為CE7在封裝上的實(shí)例。

Al／石墨是一種巾石墨纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。山MMCC公司生產(chǎn)的石墨纖維含量達(dá)到40％的MetGraf 4-230，在20℃-300℃其X和Y平面的CTE為3．0×10-6—5．0×10-6K-1，熱導(dǎo)率高達(dá)230W(m-1K-1)在Z方向CTE為24×10-6K-1，其熱導(dǎo)奉降到120W(m-1K-1)，密度僅為2．40gcm-3。石墨纖維含量達(dá)到30％的MetGraf 7-200，在20℃-300℃其X和Y平面的CTE為6．5×10-6-9．5×10-6K-1，熱導(dǎo)率高達(dá)200W(m-1K-1)。在Z方向CTE為24×10-6K-1，其熱導(dǎo)率降到125W(m-1K-1)。密度為2．45gcm-3)。它們主要用于微電子封裝、光電子封裝、激光二極管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率半導(dǎo)體、散熱片和蓋板等(圖7)，主要性能如表9所示[14]。

美國(guó)MER(Materials and Electrochemical Research)公司把片狀石墨加入到鋁合金里，制成Al／非連續(xù)碳-石墨復(fù)合材料GFAl-1，在室溫下其X和Y平面的CTE為4．5×10-6-5．0×10-6K-1，熱導(dǎo)率高達(dá)650W(m-1K-1)。在Z方向熱導(dǎo)率為80-110W(m-1K-1)。強(qiáng)度1OOMPa，X和Y平面的剛度大于90-100GPa，密度僅為2．1gcm-3，很容易加工。

早期研究的金剛石增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料熱導(dǎo)率并不比鋁合金好，是顆粒與基體之間傳熱較差的結(jié)果。

最近經(jīng)過(guò)工藝的改進(jìn)，這種材料性能有了很大提高。MER公司開(kāi)發(fā)的金剛石增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，是在鋁合金里含有體積分?jǐn)?shù)直到70％的工業(yè)金剛石顆粒，DAI-1具有幾乎各向同性的熱導(dǎo)率，大約為600W(m-1K-1)，體積分?jǐn)?shù)45％-50％的金剛石增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料DAI-3的CTE為7．5×10-6K-1，能通過(guò)增加金剛石的尺寸和數(shù)量將CTE進(jìn)一步調(diào)整到5×10-6K-1-7．5×10-6K-1。室溫下這種復(fù)合材料強(qiáng)度大約為450MPa，剛度大于250GPa，大大超過(guò)Al／SiC。

Al／Be是由Al和Be組成的合金。但是，工業(yè)上將它視作一種復(fù)合材料。由Brush Wellman公司以商品名AlBeMet生產(chǎn)的Al/Be復(fù)合材料，可以是含有Be的重量百分比20-75的薄板、板、棒或管。在室溫下，AlBeMet AM162(A1／38Be)的CTE為13．2×10-6K-1，熱導(dǎo)率為212W(m-1K-1)。由于密度僅2．07g cm-3，可使用在需要低重量的領(lǐng)域。由于含有Be，因此Al／Be加工時(shí)存在健康風(fēng)險(xiǎn)。此外材料和加工的費(fèi)用高，Al／Be的價(jià)格也比普通鋁及鋁合金至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了用于電路卡芯，也已用于底盤(pán)和外殼。

2．3 其他金屬基復(fù)合材料

Silvar是Texas Instruments公司開(kāi)發(fā)的由銀和鐵合金組成的銀基復(fù)合材料。一類(lèi)Silvar是由39％的Ag與61％的Invar(Fe，36Ni)組成，是各向同性的控制膨脹復(fù)合材料，其CTE為6．5×10-6K-1，熱導(dǎo)率為153W(m-1K-1)。另一類(lèi)Silvar由28％Ag與72％的可伐組成，其CTE為7×10-6K-1，熱導(dǎo)率為110W(m-1K-1)。它們比Cu／Mo和Cu／W重量輕，Silvar可用多種方法制備，它可以通過(guò)軋制、沖裁、模壓、鍛造和拉拔成型。很容易機(jī)加工或電鍍，且可進(jìn)行軟釬焊和硬釬焊而無(wú)需預(yù)先電鍍。也容易與Invar和可伐合金激光焊。典型的用途包括微波載體和熱沉、固體激光器外殼、微電子外殼基板等。如Mini-Systems公司把它用作多芯片GaAs微波外殼，解決了在溫度循環(huán)后包括400℃老煉后芯片面臨的開(kāi)裂問(wèn)題。Polese公司已取得專(zhuān)利許可(US 5 050 040和5 039 335)生產(chǎn)，表10是這種材料的主要性能指標(biāo)。

BeO是一種硬度高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱優(yōu)良的氧化物，加入到Be中形成鈹基復(fù)合材料(表11)。其中Be／60BeO的CTE為6．1×10-6K-1，與GaAs(5．8×10-6K-1)的接近，其熱導(dǎo)率達(dá)到240W(m-1K-1)，密度為2．55gcm-3。上面還可以方便地鍍Ni、Au、Cu、Sn等鍍層，是微波和混合集成電路理想的封裝材料。然而B(niǎo)e和Be0均為有毒物質(zhì)，它的CTE隨溫度的升高要比氧化鋁快得多，在硬、軟釬焊后容易造成很大的失配應(yīng)力，此外價(jià)格高，所以Be／BeO的應(yīng)用受到很大程度的限制。其他的金屬基復(fù)合材料還有Al／Invar及Mo-Gr-Mo等。

3 結(jié)論

隨著電子封裝朝著高性能、低成本、低密度和集成化方向的發(fā)展，對(duì)金屬封裝材料提出越來(lái)越高的要求，金屬基復(fù)合材料將為此發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此，國(guó)內(nèi)對(duì)金屬基復(fù)合材料的研究和使用將是今后的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。