傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性課件

電子制造及半導(dǎo)體封裝傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性電子制造及半導(dǎo)體封裝傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性教學(xué)目標(biāo)：

（1）了解金屬封裝材料的要求；（2）了解傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性；（重難點(diǎn)）教學(xué)目標(biāo)：引入課題金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃—金屬封接技術(shù)的一種電子封裝形式。它廣泛用于混合電路的封裝，主要是軍用和定制的專用氣密封裝，在許多領(lǐng)域，尤其是在軍事及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。金屬封裝形式多樣、加工靈活，可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A轉(zhuǎn)換器)融合為一體，適合于低I／O數(shù)的單芯片和多芯片的用途，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件，可以滿足小批量、高可靠性的要求。此外，為解決封裝的散熱問題，各類封裝也大多使用金屬作為熱沉和散熱片。本文主要介紹在金屬封裝中使用和正在開發(fā)的金屬材料，這些材料不僅包括金屬封裝的殼體或底座、引線使用的金屬材料，也包括可用于各種封裝的基板、熱沉和散熱片的金屬材料。引入課題金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板本節(jié)內(nèi)容介紹（1）金屬封裝材料的要求；（2）傳統(tǒng)金屬封裝材料；（3）封裝的發(fā)展趨勢(shì)；

本節(jié)內(nèi)容介紹（1）金屬封裝材料的要求；金屬封裝材料的要求

芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的熱膨脹系數(shù)(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之間。金屬封裝材料為實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片支撐、電連接、熱耗散、機(jī)械和環(huán)境的保護(hù)，應(yīng)具備以下的要求：金屬封裝材料的要求 芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料金屬封裝材料的要求1、與芯片或陶瓷基板匹配的低熱膨脹系數(shù),減少或避免熱應(yīng)力的產(chǎn)生；2、非常好的導(dǎo)熱性，提供熱耗散；3、非常好的導(dǎo)電性，減少傳輸延遲；4、良好的EMI／RFI屏蔽能力；金屬封裝材料的要求1、與芯片或陶瓷基板匹配的低熱膨脹系數(shù),減金屬封裝材料的要求5、較低的密度，足夠的強(qiáng)度和硬度，良好的加工或成形性能；6、可鍍覆性、可焊性和耐蝕性，以實(shí)現(xiàn)與芯片、蓋板、印制板的可靠結(jié)合、密封和環(huán)境的保護(hù)；7、較低的成本。金屬封裝材料的要求5、較低的密度，足夠的強(qiáng)度和硬度，良好的加傳統(tǒng)金屬封裝材料

傳統(tǒng)金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、鋼、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，它們的主要性能如表1所示。傳統(tǒng)金屬封裝材料傳統(tǒng)金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

純銅也稱之為無氧高導(dǎo)銅(OFHC)，電阻率1．72μΩ·cm，僅次于銀。它的熱導(dǎo)率為401W(m-1K-1)，從傳熱的角度看，作為封裝殼體是非常理想的，可以使用在需要高熱導(dǎo)和／或高電導(dǎo)的封裝里。然而，它的CTE高達(dá)16．5×10-6K-1，可以在剛性粘接的陶瓷基板上造成很大的熱應(yīng)力。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 純銅也稱之為無氧高導(dǎo)銅(OFHC傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

為了減少陶瓷基板上的應(yīng)力，設(shè)計(jì)者可以用幾個(gè)較小的基板來代替單一的大基板，分開布線。退火的純銅由于機(jī)械性能差，很少使用。加工硬化的純銅雖然有較高的屈服強(qiáng)度，但在外殼制造或密封時(shí)不高的溫度就會(huì)使它退火軟化，在進(jìn)行機(jī)械沖擊或恒定加速度試驗(yàn)時(shí)造成外殼底部永久變形。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 為了減少陶瓷基板上的應(yīng)力，設(shè)計(jì)者傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率，在25℃時(shí)為237W(m-1K-1)，是常用的封裝材料，通常可以作為微波集成電路(MIC)的殼體。但鋁的CTE更高，為23．2×10-6K-1，與Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致失效。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

雖然設(shè)計(jì)者可以采用類似銅的辦法解決這個(gè)問題，但銅、鋁與芯片、基板嚴(yán)重的熱失配，給封裝的熱設(shè)計(jì)帶來很大困難，影響了它們的廣泛使用。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 雖然設(shè)計(jì)者可以采用類似銅的辦法解傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率，在25℃時(shí)為237W(m-1K-1)，是常用的封裝材料，通?？梢宰鳛槲⒉呻娐?MIC)的殼體。但鋁的CTE更高，為23．2×10-6K-1，與Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致失效。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 Mo的CTE為5．35×10-6K-1，與可伐和Al2O3非常匹配，它的熱導(dǎo)率相當(dāng)高，為138W(m-K-1)，故常作為氣密封裝的底座與可伐的側(cè)墻焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金屬封裝中。Mo作為底座的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于平面度較差，另一個(gè)缺點(diǎn)是在于它重結(jié)晶后的脆性。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 Mo的CTE為5．35×10-6傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 W具有與Si和GaAs相近的熱膨脹系數(shù)，且導(dǎo)熱性很好，可用于芯片的支撐材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面鍍覆其他金屬，使工藝變得復(fù)雜且可靠性差。W、Mo價(jià)格較為昂貴，不適合大量使用。此外密度較大，不適合航空、航天用途。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 W具有與Si和GaAs相近的熱膨傳統(tǒng)金屬封裝材料——鋼 10號(hào)鋼熱導(dǎo)率為49．8W(m-1K-1)，大約是可伐合金的三倍，它的CTE為12．6×10-6K-1，與陶瓷和半導(dǎo)體的CTE失配，可與軟玻璃實(shí)現(xiàn)壓縮封接。不銹鋼主要使用在需要耐腐蝕的氣密封裝里，不銹鋼的熱導(dǎo)率較低，如430不銹鋼(Fe-18Cr，中國牌號(hào)4J18)熱導(dǎo)率僅為26．1W(m-1K-1)。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鋼 10號(hào)鋼熱導(dǎo)率為49．8W(m-1K傳統(tǒng)金屬封裝材料——可伐

可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中國牌號(hào)4J29)的CTE與Si、GaAs以及Al2O3、BeO、AIN的CTE較為接近，具有良好的焊接性、加工性，能與硼硅硬玻璃匹配封接，在低功率密度的金屬封裝中得到最廣泛的使用。但由于其熱導(dǎo)率低，電阻率高，密度也較大，使其廣泛應(yīng)用受到了很大限制。傳統(tǒng)金屬封裝材料——可伐 可伐合金(Fe-29Ni-17Co傳統(tǒng)金屬封裝材料——Cu／W和Cu／Mo

為了降低Cu的CTE，可以將銅與CTE數(shù)值較小的物質(zhì)如Mo、W等復(fù)合，得到Cu／W及Cu／Mo金屬-金屬復(fù)合材料。這些材料具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，同時(shí)融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。Cu／W及Cu／Mo的CTE可以根據(jù)組元相對(duì)含量的變化進(jìn)行調(diào)整，可以用作封裝底座、熱沉，還可以用作散熱片。傳統(tǒng)金屬封裝材料——Cu／W和Cu／Mo 為了降低Cu的CT傳統(tǒng)金屬封裝材料——Cu／W和Cu／Mo

由于Cu-Mo和Cu-W之間不相溶或浸潤性極差，況且二者的熔點(diǎn)相差很大，如果制備的Cu／W及Cu／Mo致密程度不高，則氣密性得不到保證，影響封裝性能。

另一個(gè)缺點(diǎn)是由于W的百分含量高而導(dǎo)致Cu／W密度太大，增加了封裝重量。傳統(tǒng)金屬封裝材料——Cu／W和Cu／Mo 由于Cu-Mo和C作業(yè)（1）金屬封裝材料的要求是什么？

（2）傳統(tǒng)金屬封裝材料有哪些？其局限性是什么？作業(yè)（1）金屬封裝材料的要求是什么？ThankYou!ThankYou!電子制造及半導(dǎo)體封裝傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性電子制造及半導(dǎo)體封裝傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性教學(xué)目標(biāo)：

（1）了解金屬封裝材料的要求；（2）了解傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性；（重難點(diǎn)）教學(xué)目標(biāo)：引入課題金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃—金屬封接技術(shù)的一種電子封裝形式。它廣泛用于混合電路的封裝，主要是軍用和定制的專用氣密封裝，在許多領(lǐng)域，尤其是在軍事及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。金屬封裝形式多樣、加工靈活，可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A轉(zhuǎn)換器)融合為一體，適合于低I／O數(shù)的單芯片和多芯片的用途，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件，可以滿足小批量、高可靠性的要求。此外，為解決封裝的散熱問題，各類封裝也大多使用金屬作為熱沉和散熱片。本文主要介紹在金屬封裝中使用和正在開發(fā)的金屬材料，這些材料不僅包括金屬封裝的殼體或底座、引線使用的金屬材料，也包括可用于各種封裝的基板、熱沉和散熱片的金屬材料。引入課題金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板本節(jié)內(nèi)容介紹（1）金屬封裝材料的要求；（2）傳統(tǒng)金屬封裝材料；（3）封裝的發(fā)展趨勢(shì)；

本節(jié)內(nèi)容介紹（1）金屬封裝材料的要求；金屬封裝材料的要求

芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的熱膨脹系數(shù)(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之間。金屬封裝材料為實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片支撐、電連接、熱耗散、機(jī)械和環(huán)境的保護(hù)，應(yīng)具備以下的要求：金屬封裝材料的要求 芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料金屬封裝材料的要求1、與芯片或陶瓷基板匹配的低熱膨脹系數(shù),減少或避免熱應(yīng)力的產(chǎn)生；2、非常好的導(dǎo)熱性，提供熱耗散；3、非常好的導(dǎo)電性，減少傳輸延遲；4、良好的EMI／RFI屏蔽能力；金屬封裝材料的要求1、與芯片或陶瓷基板匹配的低熱膨脹系數(shù),減金屬封裝材料的要求5、較低的密度，足夠的強(qiáng)度和硬度，良好的加工或成形性能；6、可鍍覆性、可焊性和耐蝕性，以實(shí)現(xiàn)與芯片、蓋板、印制板的可靠結(jié)合、密封和環(huán)境的保護(hù)；7、較低的成本。金屬封裝材料的要求5、較低的密度，足夠的強(qiáng)度和硬度，良好的加傳統(tǒng)金屬封裝材料

傳統(tǒng)金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、鋼、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，它們的主要性能如表1所示。傳統(tǒng)金屬封裝材料傳統(tǒng)金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

純銅也稱之為無氧高導(dǎo)銅(OFHC)，電阻率1．72μΩ·cm，僅次于銀。它的熱導(dǎo)率為401W(m-1K-1)，從傳熱的角度看，作為封裝殼體是非常理想的，可以使用在需要高熱導(dǎo)和／或高電導(dǎo)的封裝里。然而，它的CTE高達(dá)16．5×10-6K-1，可以在剛性粘接的陶瓷基板上造成很大的熱應(yīng)力。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 純銅也稱之為無氧高導(dǎo)銅(OFHC傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

為了減少陶瓷基板上的應(yīng)力，設(shè)計(jì)者可以用幾個(gè)較小的基板來代替單一的大基板，分開布線。退火的純銅由于機(jī)械性能差，很少使用。加工硬化的純銅雖然有較高的屈服強(qiáng)度，但在外殼制造或密封時(shí)不高的溫度就會(huì)使它退火軟化，在進(jìn)行機(jī)械沖擊或恒定加速度試驗(yàn)時(shí)造成外殼底部永久變形。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 為了減少陶瓷基板上的應(yīng)力，設(shè)計(jì)者傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率，在25℃時(shí)為237W(m-1K-1)，是常用的封裝材料，通?？梢宰鳛槲⒉呻娐?MIC)的殼體。但鋁的CTE更高，為23．2×10-6K-1，與Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致失效。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

雖然設(shè)計(jì)者可以采用類似銅的辦法解決這個(gè)問題，但銅、鋁與芯片、基板嚴(yán)重的熱失配，給封裝的熱設(shè)計(jì)帶來很大困難，影響了它們的廣泛使用。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 雖然設(shè)計(jì)者可以采用類似銅的辦法解傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁

鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率，在25℃時(shí)為237W(m-1K-1)，是常用的封裝材料，通?？梢宰鳛槲⒉呻娐?MIC)的殼體。但鋁的CTE更高，為23．2×10-6K-1，與Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致失效。傳統(tǒng)金屬封裝材料——銅、鋁 鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 Mo的CTE為5．35×10-6K-1，與可伐和Al2O3非常匹配，它的熱導(dǎo)率相當(dāng)高，為138W(m-K-1)，故常作為氣密封裝的底座與可伐的側(cè)墻焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金屬封裝中。Mo作為底座的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于平面度較差，另一個(gè)缺點(diǎn)是在于它重結(jié)晶后的脆性。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 Mo的CTE為5．35×10-6傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 W具有與Si和GaAs相近的熱膨脹系數(shù)，且導(dǎo)熱性很好，可用于芯片的支撐材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面鍍覆其他金屬，使工藝變得復(fù)雜且可靠性差。W、Mo價(jià)格較為昂貴，不適合大量使用。此外密度較大，不適合航空、航天用途。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鎢、鉬 W具有與Si和GaAs相近的熱膨傳統(tǒng)金屬封裝材料——鋼 10號(hào)鋼熱導(dǎo)率為49．8W(m-1K-1)，大約是可伐合金的三倍，它的CTE為12．6×10-6K-1，與陶瓷和半導(dǎo)體的CTE失配，可與軟玻璃實(shí)現(xiàn)壓縮封接。不銹鋼主要使用在需要耐腐蝕的氣密封裝里，不銹鋼的熱導(dǎo)率較低，如430不銹鋼(Fe-18Cr，中國牌號(hào)4J18)熱導(dǎo)率僅為26．1W(m-1K-1)。傳統(tǒng)金屬封裝材料——鋼 10號(hào)鋼熱導(dǎo)率為49．8W(m-1K傳統(tǒng)金屬封裝材料——可伐

可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中國牌號(hào)4J29)的CTE與Si、GaA