傳統封裝材料
一、金屬封裝材料
金屬封裝材料是最早發展起來的封裝材料,其具有較高的熱導率和力學強度,加工性能較好,并且對電磁有一定的屏蔽作用。傳統的金屬封裝材料主要包括 Cu、Al、W、Mo以及 Kovar合金(Fe-Co-Ni合金)、Invar合金(Fe-Ni合金)。Cu和 Al有較高的熱導率,散熱性能優良,但其熱膨脹系數較高,較難與硅片匹配,芯片在工作時產生的熱循環將造成較大的應力,并且 Cu的密度較高。Kovar合金和Invar合金的熱膨脹系數與硅片能夠較好匹配,但熱導率較低,在高度集成的封裝器件中,其較低的散熱性能將嚴重影響芯片的工作性能,并且與 Al相比材料的密度相比 Al較高,剛度較差。W、Mo的導熱性能相比 Kovar合金與Invar合金有較大的提高,且熱膨脹系數較低,但其與硅片的潤濕性差,在實際使用過程中需在其表面涂覆 Ag或 Ni,增加了工藝的復雜性與成本,并且 W、Mo的密度較大,因此在航天航空領域的使用受到限制。
二、陶瓷封裝材料
陶瓷封裝材料主要用于電子封裝基片材料,其介電常數較低,高頻性能較好;強度較高,化學穩定性較好;熱導率較高且熱膨脹系數較低;氣密性能優良,耐濕性好。目前使用較為廣泛的陶瓷封裝材料是 Al2O3,占整個陶瓷封裝材料的90%,其余陶瓷封裝材料主要包括 AlN、BeO、BN、SiC等。Al2O3 陶瓷基片材料的加工技術較為成熟,應用也最為廣泛,有著較好的綜合性能且價格低廉。但 Al2O3 陶瓷基片材料的熱導率相對較低,且熱膨脹系數與硅片存在一定的差異,因此在大型集成電路中的使用受到限制。在實際制備過程中,需盡可能提高 Al2O3 的含量,提高粉體的燒結致密度,以使綜合性能得到提升,但這也會導致燒結溫度升高,增加了成本。AlN 陶瓷基片材料有著較好的綜合性能,同時相比Al2O3 有著較高的熱導率,熱膨脹系數能夠與硅片較好匹配,因此成為國內外研究的重點,但 AlN 陶瓷基片材料對純度和燒結致密度的要求較高,材料的制備工藝難度和成本都較高,批量化生產難度較大。BeO 陶瓷有著與金屬材料相近的熱導率,適用于高功率集成電路基片材料,但其燒結溫度較高,使得材料的制備成本大大提高,同時 BeO 存在一定的毒性,因此大規模的使用受到限制。綜上所述,陶瓷基片材料在綜合性能上較為優異,可用于高可靠、高頻、耐高溫、強氣密性的封裝領域,但同時也存在一定的缺陷,整體成本較高,目前一般用于航空航天領域。
三、塑料封裝材料
塑料封裝材料是封裝材料中的后起之秀,具有成本低,工藝簡單,絕緣性好,易于實現電子產品小型化、輕量化等優點,目前已占到整個封裝材料領域的90%。塑料封裝材料主要是熱固性聚合物材料,包括環氧類、酚醛類、聚酯類以及有機硅類聚合物材料,其中環氧樹脂的應用最為廣泛。但是塑料封裝材料存在氣密性較差、對濕度較為敏感等缺陷,因此采用塑料封裝的芯片在存放方面需要特別注意,在回流焊接前還需對其進行較長時間的烘烤,若材料吸水后直接進行回流焊接,則塑封料吸收的水分受熱膨脹,容易引起芯片的爆裂;同時水氣還會影響材料的熱力學性能,在高溫下降低材料的彈性模量與強度;此外水氣還會導致封裝內部金屬層的腐蝕破壞,大大降低封裝的可靠性。因此塑料封裝材料無法適應惡劣的環境,只能用于對可靠性要求不高的民用領域。
一、金屬封裝材料
金屬封裝材料是最早發展起來的封裝材料,其具有較高的熱導率和力學強度,加工性能較好,并且對電磁有一定的屏蔽作用。傳統的金屬封裝材料主要包括 Cu、Al、W、Mo以及 Kovar合金(Fe-Co-Ni合金)、Invar合金(Fe-Ni合金)。Cu和 Al有較高的熱導率,散熱性能優良,但其熱膨脹系數較高,較難與硅片匹配,芯片在工作時產生的熱循環將造成較大的應力,并且 Cu的密度較高。Kovar合金和Invar合金的熱膨脹系數與硅片能夠較好匹配,但熱導率較低,在高度集成的封裝器件中,其較低的散熱性能將嚴重影響芯片的工作性能,并且與 Al相比材料的密度相比 Al較高,剛度較差。W、Mo的導熱性能相比 Kovar合金與Invar合金有較大的提高,且熱膨脹系數較低,但其與硅片的潤濕性差,在實際使用過程中需在其表面涂覆 Ag或 Ni,增加了工藝的復雜性與成本,并且 W、Mo的密度較大,因此在航天航空領域的使用受到限制。
二、陶瓷封裝材料
陶瓷封裝材料主要用于電子封裝基片材料,其介電常數較低,高頻性能較好;強度較高,化學穩定性較好;熱導率較高且熱膨脹系數較低;氣密性能優良,耐濕性好。目前使用較為廣泛的陶瓷封裝材料是 Al2O3,占整個陶瓷封裝材料的90%,其余陶瓷封裝材料主要包括 AlN、BeO、BN、SiC等。Al2O3 陶瓷基片材料的加工技術較為成熟,應用也最為廣泛,有著較好的綜合性能且價格低廉。但 Al2O3 陶瓷基片材料的熱導率相對較低,且熱膨脹系數與硅片存在一定的差異,因此在大型集成電路中的使用受到限制。在實際制備過程中,需盡可能提高 Al2O3 的含量,提高粉體的燒結致密度,以使綜合性能得到提升,但這也會導致燒結溫度升高,增加了成本。AlN 陶瓷基片材料有著較好的綜合性能,同時相比Al2O3 有著較高的熱導率,熱膨脹系數能夠與硅片較好匹配,因此成為國內外研究的重點,但 AlN 陶瓷基片材料對純度和燒結致密度的要求較高,材料的制備工藝難度和成本都較高,批量化生產難度較大。BeO 陶瓷有著與金屬材料相近的熱導率,適用于高功率集成電路基片材料,但其燒結溫度較高,使得材料的制備成本大大提高,同時 BeO 存在一定的毒性,因此大規模的使用受到限制。綜上所述,陶瓷基片材料在綜合性能上較為優異,可用于高可靠、高頻、耐高溫、強氣密性的封裝領域,但同時也存在一定的缺陷,整體成本較高,目前一般用于航空航天領域。
三、塑料封裝材料
塑料封裝材料是封裝材料中的后起之秀,具有成本低,工藝簡單,絕緣性好,易于實現電子產品小型化、輕量化等優點,目前已占到整個封裝材料領域的90%。塑料封裝材料主要是熱固性聚合物材料,包括環氧類、酚醛類、聚酯類以及有機硅類聚合物材料,其中環氧樹脂的應用最為廣泛。但是塑料封裝材料存在氣密性較差、對濕度較為敏感等缺陷,因此采用塑料封裝的芯片在存放方面需要特別注意,在回流焊接前還需對其進行較長時間的烘烤,若材料吸水后直接進行回流焊接,則塑封料吸收的水分受熱膨脹,容易引起芯片的爆裂;同時水氣還會影響材料的熱力學性能,在高溫下降低材料的彈性模量與強度;此外水氣還會導致封裝內部金屬層的腐蝕破壞,大大降低封裝的可靠性。因此塑料封裝材料無法適應惡劣的環境,只能用于對可靠性要求不高的民用領域。
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此文關鍵詞:金屬封裝材料、陶瓷封裝材料、塑料封裝材料