電子封裝材料與工藝課件

電子封裝材料與工藝

ElectronicPackagingMaterials&Technology余琨中南大學材料科學與工程學院2011電子封裝材料與工藝

ElectronicPackagiReferences:1.C.A.哈珀[美]主編,賈松良等譯,電子組裝制造,科學出版社,北京,20042.宣大榮編著,無鉛焊接微焊接技術分析與工藝設計,電子工業(yè)出版社,北京,20083.劉漢誠[美]著,馮士維等譯,化學工業(yè)出版社,北京,2006References:第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.1真空管（電子管）

是由一個帶有電極引線的玻璃或金屬泡組成，電極引線通過玻璃引出并與模鑄在一個塑料管座內的金屬管腳相連接。

當電子管含有2個電極（陰極和陽極）時，這種電路稱為二極管。在陰極和陽極間加入一個柵極（精細的金屬絲網(wǎng)），控制電子從陰極到金屬板（陽極）的流動方法，對電子從陰極向陽極流向產(chǎn)生巨大影響。在三電極的情況下可以使用一個真空管整流和放大微弱的無線信號，稱為三極管。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.1真空管（電子管）第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.2半導體材料

半導體具有完全不同于金屬的物理特性。半導體是共價的固體。

最重要的半導體材料是周期表ⅣA族的硅和鍺。

兩種或兩種以上的元素形成共價鍵可以形成半導體化合物，如鎵和砷結合成的砷化鎵。

在IC芯片制造中使用的典型半導體材料：硅、鍺、硒

GaAs、GaAsP、InP第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.2半導體材料第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.2半導體材料

Ge是制造第一個晶體管和固態(tài)器件的元素半導體，但難加工，目前使用少；

Si是最常用的半導體材料，90％的芯片由它制造。硅儲量豐富且在高溫下仍能保持良好的電性能。SiO2也具有IC制造的理想性能；

GaAs可工作在較高工作頻率，具有低熱耗散、耐輻射、相鄰元件之間漏電少，屬于高性能用途半導體，但晶體生長和IC制造困難；第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.2半導體材料第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.3集成電路（IC）

一個集成電路芯片是把元器件連在一起的集合體，在一個單片半導體材料上制造出一個完整的電子電路；

第一塊IC的構思和建造為1958年TexasInstruments公司的JackKilby。將晶體管、二極管、電阻、電容等用“飛線”互連；1959年Fairchild公司的RobertNoyce將IC半導體元件在芯片內互連，消除了“飛線”。

IC的復雜程度從1960年代的小規(guī)模集成（SSI）發(fā)展到中規(guī)模集成（MSI）、大規(guī)模集成（LSI）并發(fā)展到105元件的超大規(guī)模集成（VLSI）。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.3集成電路（IC）第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.3集成電路（IC）IC的五個主要用途：

汽車高性能產(chǎn)品高性價比產(chǎn)品手提式產(chǎn)品存儲器第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.3集成電路（IC）第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造

硅是使用最多的IC制造材料第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.1晶體生長和晶圓片的制備晶圓片是構成IC的半導體襯底。精煉粗硅（制備化學純多晶硅→加熱到1415℃熔化→生長單晶硅→切割晶圓片）晶圓片厚度為0.5mm到0.75mm，采用0.152mm厚的金剛石涂層的不銹鋼刀片。在410mm的晶錠上用0.17mm的線鋸一次切出所有晶圓片，采用黃銅涂層的不銹鋼絲。晶圓片進行鏡面光潔度研磨。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.1晶體生長和晶圓片的制備第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.2氧化在晶圓片上形成SiO2層。SiO2是用來構造IC元件電容和MOS晶體管的有效介質。1200℃氧氣中生長0.2μm厚度的SiO2層需要6min；生長0.4μm厚度需要220min。影響因素：干燥的氧或氧與水蒸氣的混合氣體、壓力、溫度、晶體取向、時間第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.3光刻是一種圖形化工藝，組成IC電路的元件通過光掩模和刻蝕轉移到晶圓片上。類似照相過程，在玻璃的制成的光刻版上形成各種半導體層的圖形，然后轉移到硅晶圓片表面的光刻膠上。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.4擴散擴散或摻雜是把雜質原子注入純硅的單晶內，使其轉變成n-型或p-型半導體。摻入銻、砷、磷得到n-型半導體；摻入硼得到p-型半導體；第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.5外延把一個薄層的硅（厚度約25μm）沉積在原來的硅表面上，并使用擴散工藝中同樣的摻雜劑進行摻雜，也屬于p-n結制造技術。主要采用CVD技術。常壓CVD（APCVD）；低壓CVD（LPCVD）;等離子體增強CVD（PECVD）.第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.6金屬化

在芯片表面上電路元器件部件與鍵合焊盤之間沉積導電材料，形成互連引線，稱為金屬化工藝。鋁、鋁合金、鉑、鈦、鎢、鉬、金可用于金屬化工藝。鋁是最常用的金屬化材料，與Si和SiO2可以很好的粘附（低接觸電阻），容易真空沉積（沸點低），導電率高，容易通過光刻工藝布圖。真空沉積和濺射是沉積鋁金屬化層的方法。問題：Al-Si共晶合金。解決辦法：TiW阻擋層；將1％的Si加入Al中。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.7鈍化

在芯片金屬化后，為防止鋁互連電路受到水汽和污染的侵蝕，通過氣相沉積在芯片電路上形成二氧化硅或氮化硅絕緣層或鈍化層。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.8背面研磨

覆蓋鈍化層后，芯片需要減薄滿足封裝高度要求，晶圓片進行背面研磨第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.9背面金屬化

芯片背面要有一層金膜，通過真空蒸發(fā)或濺射沉積，使芯片背面與芯片粘接區(qū)電接觸。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.10電性能測試

按照預先確定的規(guī)范對芯片進行電性能測試。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.11管芯分割芯片采用兩種方法分割

厚度小于0.25mm的芯片，采用金剛石刀具在晶圓片上劃出細的切割線，再用剝離膠帶使晶圓片斷裂；厚度大于0.25mm的芯片，采用剝離膠帶和金剛石圓鋸切割。第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片的制造1.4.12p-n-p雙極晶體管的典型結構第1章集成電路芯片的發(fā)展和制造1.4集成電路（IC）芯片第2章金屬2.1金屬和合金的選擇

選擇金屬材料時，要針對電子電氣工業(yè)中的要求進行權衡。判據(jù)：

物理性能；力學性能；可制造性；經(jīng)濟性；第2章金屬2.1金屬和合金的選擇第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式

鑄造金屬產(chǎn)品加工金屬產(chǎn)品鑄造金屬形式是通過把熔融的金屬澆入需要的形狀的模具內形成，沒有金屬變形發(fā)生。金屬的性能取決于：鑄造工藝（砂模鑄造、熔模鑄造、壓鑄）；鑄件致密性；化學成分；熱處理。第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式

鑄造金屬產(chǎn)品的重要性能

致密度——孔隙度和非金屬缺陷少；力學性能；晶粒尺寸——冷卻速度快則晶粒尺寸小，強度大；金屬形狀——薄壁小鑄件比致密度相同的厚壁大鑄件強度高；鑄型材料；鑄造技術和工藝——特殊鑄造工藝的使用，如半固態(tài)金屬加工技術、金屬注射成形技術制造Al/SiC和W/Cu第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式

壓力加工金屬產(chǎn)品的重要性能

加工的形式——軋制、擠壓、拉拔、鍛造組織結構——晶粒尺寸、晶體取向、致密度、夾雜物尺寸形狀、相變形條件——溫度（冷、熱加工）強化——加工硬化、沉淀強化、相變硬化第2章金屬2.2金屬和合金產(chǎn)品的形式第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.1力學性能

常規(guī)力學性能——室溫屈服強度、抗拉強度和延伸率交變載荷（疲勞）——允許的應力遠遠低于材料的抗拉強度，金屬將在低于屈服強度和極限抗拉強度的應力水平下失效。持續(xù)載荷——長時間持續(xù)載荷導致低于屈服強度的蠕變和斷裂發(fā)生，在高溫下和室溫下都有發(fā)生。溫度影響——強度隨溫度升高而降低。第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.2物理性能

冷加工——導致電導率降低；熱處理——對合金元素和相結構及分布有不同影響溫度——物理性能隨溫度變化逐漸變化。第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.3制造可行性

可成形性——深拉可機械加工性連接——螺栓連接、鉚接、焊接、硬釬焊、軟釬焊可焊接性——焊接開裂、焊縫耐蝕性、焊接接頭脆性硬釬焊——考慮后續(xù)熱處理軟釬焊第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4性能比較屈服強度

零件可承受的最大應力。第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4性能比較

彈性模量表征了零件的剛度比剛度——Ti/Mg/Al，鈹?shù)谋葎偠仁浅Ｓ媒Y構材料的6～12倍。第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4性能比較比強度第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4性能比較

熱導率：Ag/Cu/Au/Al具有高熱導率，合金化會降低熱導率。第2章金屬2.3金屬和合金產(chǎn)品的性能第2章金屬2.4鐵基合金2.4.1鐵基合金概述鐵元素含量大于或等于50％的合金被稱為鐵基合金。也包含鐵含量低于50％但其性能要求和鐵系合金很相似的合金。分類：結構用鋼碳素鋼合金鋼高強度低合金鋼超高強鋼軋制熱處理鋼特殊用鋼第2章金屬2.4鐵基合金結構用鋼碳素鋼合金鋼高強度超高強第2章金屬2.4鐵基合金2.4.2常用鐵基合金碳素鋼和合金鋼

1xxx屬于C為主要合金元素的鋼；

2xxx屬于Ni為主要合金元素的鋼；不銹鋼和特殊鋼含有至少11％左右Cr的鐵基合金；磁鋼高磁導率合金、永磁合金、不銹鋼、溫度補償合金第2章金屬2.4鐵基合金第2章金屬2.4鐵基合金2.4.3鐵基合金磁學性能高磁導率合金（軟磁合金）在合金內磁流密度變化引起的磁滯損失小，在強磁場作用后剩磁低，在高度磁化后并不保留明顯的永久性磁性。

Ni-Fe合金（30％～80％Ni,其余Fe）

80Ni-4Mo-Fe合金、77Ni-1.5Cr-5Cu-Fe合金、49Ni-Fe合金硅鐵合金（硅鋼片）鈷鐵合金永磁合金（硬磁材料）溫度補償合金第2章金屬2.4鐵基合金第2章金屬2.4鐵基合金2.4.4鐵基合金熱膨脹性能合金的熱膨脹性能一般用材料的溫度變化引起單位長度的變化來表示；

Invar合金（36Ni-Fe）是所有金屬（合金）中熱膨脹系數(shù)最小的。玻璃—金屬封接合金：金屬和玻璃之間的真空氣密結合。第2章金屬2.4鐵基合金第2章金屬2.4鐵基合金2.4.5鐵基合金加工性能深拉焊接光化學加工陶瓷—金屬封接合金彈性合金的不變模量第2章金屬2.4鐵基合金第2章金屬2.4鐵基合金2.4.6鐵基合金電阻性能大多數(shù)合金的電阻率是隨溫度的升高而增大的。第2章金屬2.4鐵基合金第2章金屬2.5鋁和鋁合金2.5.1鋁合金的一般性能鋁的電學性能（純銅的62％）；鋁的熱導率高；鋁的密度小；鋁的比強度高；鋁的耐蝕性高；鋁的可獲得性；鋁的機加工；鋁的連接。第2章金屬2.5鋁和鋁合金第2章金屬2.5鋁和鋁合金2.5.2鋁合金砂模鑄造、壓鑄、熔模鑄造、金屬型鑄造、石膏模鑄造電子封裝中使用的鑄造鋁合金

通用鋁合金A356；可釬焊鋁合金A612；低熱膨脹鋁合金高Si（18％～20％）；高強度鋁合金A220。第2章金屬2.5鋁和鋁合金第2章金屬2.6鈹和鈹合金2.6.1鈹合金的一般性能鈹具有綜合的物理和力學性能，可作為滿足熱性能和電性能要求的電子封裝材料。鈹具有高的熱導率，高的熱容，是天然的輕質熱沉材料。

Be,BeO

；

AlBeMet—鈹鋁合金（62％Be）鈹易被氯化物腐蝕，可采用陽極氧化涂層提高耐蝕性。毒性—BeO粉塵對身體有害

Be的耐磨性好，工具磨損厲害。第2章金屬2.6鈹和鈹合金第2章金屬2.7銅和銅合金2.7.1銅合金的一般性能除銀之外，銅具有最高的電導率；銅的成形性非常好，制造性好；銅的可焊性好；銅的表面可進行電鍍精飾；銅可以加工成各種大小和形狀的產(chǎn)品；銅的熱導率高，可以作為熱沉材料使用；銅和銅合金成本相對較低；第2章金屬2.7銅和銅合金第2章金屬2.7銅和銅合金2.7.2高導電率銅合金工業(yè)純銅——退火狀態(tài)下，100％IACS(國際退火銅標準)

370℃產(chǎn)生氫脆，金屬內的氧與氫氣結合，不適合于釬焊場合，P脫氧Cu可制備無氧銅。含銀銅——銅中加入少量銀的高導銅。100％電導率，具有耐蠕變能力和高溫抗軟化能力，可在343℃進行充分退火。銅鋯合金——0.15%Zr，改善高溫性能，稍微降低電導率；銅碲合金——90％IACS，力學性能大幅度提高；銅硫合金——96％IACS，力學性能大幅度提高。第2章金屬2.7銅和銅合金第2章金屬2.7銅和銅合金2.7.3黃銅（Cu-Zn合金）隨鋅含量增加（30％），抗拉強度增加；隨鋅含量增加，電導率增加，熱導率降低；隨鋅含量增加，韌性增加；加入鉛改善機加工性能，0.5%~4.5%。第2章金屬2.7銅和銅合金第2章金屬2.7銅和銅合金2.7.4磷青銅（Cu-1％～11％Sn－0.04%~0.35%P合金）彈簧用2.7.5鈹銅綜合高強度和高電導率（1380MPa）第2章金屬2.7銅和銅合金第2章金屬2.8鎂和鎂合金是目前可用的金屬結構材料中密度最小的?？色@得鑄件、片材、板材、棒材、鍛件、型材。鎂合金鑄件鎂合金成形——難成形著稱連接——鉚接、熔焊、硬釬焊第2章金屬2.8鎂和鎂合金第2章金屬2.9鎳和鎳合金高強度、高耐蝕性和高韌性電導率高磁致伸縮性能

Ni-Cu(Monel合金)——彈簧材料使用各種形式（薄片到細絲）加工性好——加工、連接、硬釬焊合金化具備不同磁性能和電性能不同力學性能第2章金屬2.9鎳和鎳合金第2章金屬2.10鈦和鈦合金極好的耐蝕性，適中的密度和良好的強度；可在315℃下使用，超過其它金屬；電導率和熱導率低；

αTi（HCP)、βTi(BCC)、α＋βTi型鈦合金。高的力學性能（室溫1034MPa)

耐蝕性使用在化工領域加工形式——片材、板材、棒材、鍛件、型材連接——鎢基惰性氣體保護電弧焊第2章金屬2.10鈦和鈦合金第2章金屬2.11高密度金屬鉛、鎢、貧化鈾鉛和鉛合金（11.35）——配重首選材料燒結鎢（17）貧化鈾（18.5）第2章金屬2.11高密度金屬第2章金屬2.12難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮極好的耐酸性

1000℃高溫下使用鎢、鉬熱膨脹率低，可以與玻璃和陶瓷一起使用第2章金屬2.12難熔金屬第2章金屬2.13貴金屬相當普遍的使用的電子設備上，用作表面材料抗干擾電學性能和光學性能，使用金、銠、鉑銀是金屬中電導率和熱導率最高的金屬，作為各種引線和電觸電上的鍍層；金用來防止腐蝕，并提供低的電接觸表面；銠具有很高的反射率，低的表面電阻、高的硬度和耐腐蝕性，適合作為電接觸表面和反射鏡面。第2章金屬2.13貴金屬第3章軟釬焊材料和技術3.1電子封裝和組裝簡介釬料是所有三極連接（芯片、封裝和板級組裝）和互連材料。錫/鉛釬料作為表面涂層用于元器件引線和表面鍍層。實現(xiàn)金屬表面的電、熱和機械連接表面組裝技術可開發(fā)更高級的電路板組件，在金屬化的基板上將片式電阻、電容和半導體裸芯片互連，所有的元件和器件放置在印刷電路板表面上進行板級組裝而不是插入電路板。第3章軟釬焊材料和技術3.1電子封裝和組裝簡介第3章軟釬焊材料和技術3.1電子封裝和組裝簡介表面組裝的優(yōu)點：提高了電路密度；縮小了元器件的尺寸；縮小了電路板的尺寸；減輕了質量；縮短了引線；改善了電性能；適應自動化生產(chǎn)；降低了大規(guī)模生產(chǎn)的成本第3章軟釬焊材料和技術3.1電子封裝和組裝簡介第3章軟釬焊材料和技術3.2軟釬料合金液相線溫度低于400℃的可熔融合金。軟釬料合金常用的元素：錫、鉛、銀、鉍、銦、銻、鎘

SnPbAgBiInSbCd232328961271.5156.6630.5321.2

軟釬料合金可提供的形式：棒、錠、絲、粉末、成形片、焊球、焊柱、焊膏選擇原則合金熔化溫度、合金力學性能、冶金相容性、環(huán)境相容性、特定基板上潤濕能力、成分共晶還是非共晶第3章軟釬焊材料和技術3.2軟釬料合金第3章軟釬焊材料和技術3.2軟釬料合金

Sn-Pb釬料合金成分和熔化范圍

70Sn/30Pb183℃-193℃63Sn/37Pb183℃-183℃等共28種軟釬料粉——化學還原法、電解沉積法、固體顆粒機械加工法、液相合金霧化法力學性能——應力/應變行為、抗蠕變性能、抗疲勞性能軟釬料在電子封裝中經(jīng)歷低周疲勞（低于10000次）

第3章軟釬焊材料和技術3.2軟釬料合金第3章軟釬焊材料和技術3.3焊膏由釬料合金粉末、釬劑和載體的均勻、動態(tài)穩(wěn)定的混合物，在一系列軟釬焊條件下形成冶金結合并適應自動化生產(chǎn)得到可靠和一致性的焊點。釬劑用來清潔合金粉末和待焊基底，來得到高可靠的金屬連續(xù)性和形成良好的潤濕性；載體是承載合金粉末，獲得需要的流變性物理形貌、穩(wěn)定性和保存期、黏度、冷塌度、通過細針頭的可滴涂性、粘附時間、曝露壽命、質量和一致性、與待焊表面相容性、熔融前的流動性、潤濕性、焊珠、毛細現(xiàn)象、殘留物的可清潔性、焊點外觀、焊點孔洞第3章軟釬焊材料和技術3.3焊膏第3章軟釬焊材料和技術3.4釬劑和助焊確保待焊表面的“清潔”必須在軟釬焊過程中一直保持，這種清潔過程稱為助焊，使用的材料稱為釬劑或助焊劑。松香基釬劑、水溶性釬劑和免清洗釬劑釬劑可以配入焊膏或焊絲中，也可以作為獨立的化學物質直接施加在元件和焊膏上。第3章軟釬焊材料和技術3.4釬劑和助焊第3章軟釬焊材料和技術3.5軟釬焊方法工業(yè)使用的方法：傳導、紅外、汽相、熱氣體、對流、感應、電阻、激光等。局部加熱：激光；溫度均勻：汽相；品種、產(chǎn)量和經(jīng)濟性：對流、紅外混合電路組件：傳導第3章軟釬焊材料和技術3.5軟釬焊方法第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料美國立法對鉛釬料進行限制，低于0.1%；日本2003年完全停止使用無鉛釬料；歐洲RoHS指令禁止使用鉛、汞、鎘、六價鉻設計原則：以Sn為基礎，合金元素有與Sn形成合金的能力；與Sn合金化時，降低合金熔點第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料合金體系的選擇：

Sn/Ag/BiSn/Ag/CuSn/Ag/Cu/BiSn/Ag/Bi/InSn/Ag/Cu/InSn/Cu/In/Ga第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料合金成分的選擇

Sn-3.0~3.5Ag/0.5~1.5Cu/4.0~8.0InSn-3.0~3.5Ag/1.0~3.0Bi/0.5~0.7CuSn-3.3~3.5Ag/1.0~3.0Bi/1.7~4.0InSn-0.5~0.7Cu/5.0~6.0In/0.4~0.6GaSn-3.0~3.5Ag/0.5~1.5CuSn-3.0~3.5Ag/1.0~4.8Bi99.3Sn/0.7Cu96.5Sn/3.5Ag第3章軟釬焊材料和技術3.6無鉛釬料第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

混合微電子電路的基礎是由某種耐熔陶瓷制造的基板。在基板上，通過膜技術制作金屬化圖形形成安裝焊盤和電路布線，并用來鍵合和互連必要的有源器件和無源器件。多芯片模塊采用了更廣泛的基板材料和金屬化工藝，從而得到更高的封裝密度。聚合物金屬陶瓷濺射蒸發(fā)釬焊電鍍銅膜淀積技術厚膜薄膜純銅多芯片模塊厚膜薄膜PC板第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝混合微電子電路的基礎第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.1混合電路用陶瓷基板基板是一個電路的基礎，起著元器件安裝平臺的作用，必須與基板金屬化工藝以及元器件與金屬化布線附接工藝兼容?；宓男阅芤螅焊唠娮杪??；灞仨毦哂泻芨叩碾娮杪矢綦x相鄰的電路；高熱導率。使正常工作的電子元器件產(chǎn)生的熱傳導出去；耐高溫。基板金屬化和元器件組裝在高溫下進行；耐化學腐蝕。抵抗熔劑、焊劑的侵蝕；成本。成本與最終產(chǎn)品成本相適應。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.1混合電路用陶瓷基第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.1混合電路用陶瓷基板陶瓷本質是帶有非常少自由電子的晶體，具有很高的電阻，熱學和化學性能穩(wěn)定，并具有很高的熔點，非常適用很多微電子系統(tǒng)。陶瓷常與金屬結合在一起形成復合材料用于熱管理。金屬陶瓷（cermet）復合材料具有低的熱膨脹系數(shù)和比陶瓷更高的熱導率，韌性更好，更抗應力。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.1混合電路用陶瓷第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.2陶瓷的熱性能熔點

SiC:2700℃;BeO:2570℃;BN:2732℃;Al2O3:2000;AlN:2232℃第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.2陶瓷的熱性能第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.2陶瓷的熱性能熱導率——材料載熱能力的度量q=-k·dT/dxk—熱導率W/(m·K);q—熱流量W/m2;dT/dx—穩(wěn)態(tài)溫度梯度；比熱容——每克物質每升高1K所需要的熱量

c=dQ/dT第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.2陶瓷的熱性能第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.2陶瓷的熱性能熱膨脹系數(shù)（TCE)——溫度增加原子間距部對稱引起的。金屬和陶瓷在有意義的范圍內顯示一種線性的各向同性關系。α=[L(T2)-L(T1)]/[L(T1)(T2-T1)]ppm/K-1第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.2陶瓷的熱性能第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.3陶瓷基板的力學性能第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.3陶瓷基板的力第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.3陶瓷基板的力學性能硬度——努氏（Knoop）硬度金剛石：HK7000;BeO:HK1200;Al2O3:HK2100;BN:HK5000;AlN:HK1200;SiC:HK2500第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.3陶瓷基板的力第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.3陶瓷基板的電學性能電阻率（倒數(shù)——電導率）陶瓷基板電導率很低，由于存在雜質和晶體缺陷不同，電導率的變化很大；擊穿電壓——陶瓷在正常情況下是好的絕緣體，但是在施加高的電位時，可產(chǎn)生足夠的能量將電子從軌道中激發(fā)出去，同時又把其他電子從軌道中激發(fā)，產(chǎn)生雪崩效應，陶瓷的絕緣性被破壞，電流可以流動。局部功率耗散或環(huán)境溫度高，陶瓷表面潤濕的高濕度條件下，伴有表面污染時，擊穿電壓比本征值低很多。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.3陶瓷基板的電第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.4典型陶瓷基板材料氧化鋁

目前電子工業(yè)最常用的基板材料，在力、熱、電性能上具有綜合性能好的特點。原料豐富，價格低，適合用于不同形狀。密排六方剛玉結構，在1925℃還原氣氛中穩(wěn)定。高溫共燒陶瓷用W,Mo/Mn作為導體在1600℃燒結層壓；低溫共燒陶瓷用Au,Pa/Ag作為導體在850℃燒結層壓；第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.4典型陶瓷基板第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.4典型陶瓷基板材料氧化鈹

具有極高的熱導率，比金屬鋁還高，熱導率在300℃以上迅速降低，適用較低溫度熱沉；密排立方閃鋅礦結構，在干燥氣氛2050℃穩(wěn)定。在1100℃水解，在高溫下和石墨反應生成碳化鈹；

BeO通過鍵合銅的工藝實現(xiàn)金屬化?？梢约庸こ扇魏涡螤?，但粉塵有毒。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.4典型陶瓷基板第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.4典型陶瓷基板材料氮化鋁把AlN粉末合助燒劑CaO，Y2O3以及有機粘接劑混合，流延成需要的形狀，然后致密化燒結，必須在干燥的還原氣氛下燒結。高的熱導率，并且與硅的TCE匹配采用銅金屬化工藝。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.4典型陶瓷基板第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.4典型陶瓷基板材料金剛石采用化學氣相沉積（CVD）生長。直接作為涂層沉積在難熔金屬、氧化物、氮化物上，具有非常高的熱導率，主要用于功率器件的封裝。但其比熱容較低，作為散熱片與熱沉材料一起工作效果較好。第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝4.4典型陶瓷基板第4章微電路與多芯片模塊的材料與工藝

4.4典型陶瓷基板材料氮化硼具有明顯的各向異性，在熱壓的BN法線方向熱導率很高，TCE很低，可作為基板材料使用。目前無法實現(xiàn)金屬化。第4章微電路與