《電子封裝、微機(jī)電與微系統(tǒng)》課件第3章

第三章封裝材料3.1陶瓷3.2金屬3.3塑料3.4復(fù)合材料3.5焊接材料3.6基板材料

3.1陶瓷

Al2O3(氧化鋁)陶瓷是目前應(yīng)用最成熟的陶瓷封裝材料，其熱膨脹系數(shù)(6.7×10-6/K)接近硅(4.2×10-6/K)的熱膨脹系數(shù)，價(jià)格低廉，耐熱沖擊性、電絕緣性都比較好，制作和加工技術(shù)成熟，使用廣泛。但是，Al2O3熱導(dǎo)率相對(duì)較低，限制了它在大功率集成電路中的應(yīng)用。

AlN(氮化鋁)陶瓷的導(dǎo)熱性能好，其理論導(dǎo)熱系數(shù)為320W/(m·K)，實(shí)際產(chǎn)品接近250W/(m·K)，是氧化鋁的5～7倍；熱膨脹系數(shù)小，與硅的熱膨脹系數(shù)非常接近，比氧化鋁約低一半。AlN絕緣性好，電阻率大，介電常數(shù)和介電損耗小，無(wú)毒，且有良好的溫度穩(wěn)定性，其綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于氧化鋁，是LSI、VLSI基板和封裝的理想材料，也可用于大功率晶體管、開(kāi)關(guān)電源基板以及電力器件。

3.2金屬

金屬材料中，鋁的熱導(dǎo)率很高、重量輕、價(jià)格低、加工容易，是最常用的封裝材料。但鋁的熱膨脹系數(shù)(23.6×10-6/K)與硅(4.2×10-6/K)和GaAs(5.8×10-6/K)的

相差較大，器件工作時(shí)的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致器件性能失效。銅材也存在類似的問(wèn)題。

3.3塑料

常見(jiàn)塑料一般分為兩大類，即熱塑性塑料和熱固性

塑料。

3.4復(fù)合材料

作為導(dǎo)熱性電子材料，金屬材料能滿足導(dǎo)熱性要求，但它的導(dǎo)電性限制了它的使用范圍；無(wú)機(jī)非金屬晶體同時(shí)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和絕緣性，是理想的導(dǎo)熱性電子材料，但制備困難、成本高；聚合物成型方便，易于生產(chǎn)，介電性好，但導(dǎo)熱性差。

3.5焊接材料

1.?Sn-Pb

Sn-Pb系焊料是使用最廣泛的軟釬焊料，圖3-1所示為Sn-Pb系二元相圖。Sn-Pb配比不同時(shí)，性能會(huì)有很大變化，其中Sn63/Pb37共晶焊料可由液相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唷?/p>

Sn-Pb系焊料的優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)較低，浸潤(rùn)性能、導(dǎo)電性能和加工性能較好，成本低，是應(yīng)用最多的焊料。圖3-1Sn-Pb系二元相圖

2.Sn-In

Sn-In二元共晶合金成分為Sn-52In，共晶溫度為118℃。兩相均是金屬間化合物相。在20℃～60℃之間，Sn-52In釬料的剪切強(qiáng)度低于Sn-Pb釬料，這是因?yàn)镾n-In共晶的熔點(diǎn)(118℃)遠(yuǎn)低于Sn-Pb共晶的熔點(diǎn)(183℃)。Sn和In均可與Cu反應(yīng)生成金屬間化合物。界面反應(yīng)中，Sn和Cu可反應(yīng)生成Cu6Sn5和Cu3Sn。

3.?Sn-Bi

Sn-Bi二元合金的共晶成分為Sn-58Bi，共晶溫度為139℃。室溫下平衡相為Bi相及含約4wt%Bi的Sn的固溶體。由于在共晶組織中，Sn在Bi中的固溶度很小，因此Bi相為純Bi。Bi在Sn中最大固溶度約為21wt%。當(dāng)合金冷卻時(shí)，Bi在Sn相上析出。在適合冷卻條件下，共晶Sn-Bi微觀組織是片層狀的結(jié)構(gòu)。

4.?Sn-9Zn

Sn-Zn二元合金的共晶成分為Sn-9Zn，共晶溫度為199℃，十分接近Sn-Pb共晶合金。共晶組織由兩相組成：體心四方的Sn基體相和含有不到19wt%Sn的密排六方Zn的固溶體?？炖鋾r(shí)該合金凝固后微觀組織顯示出大晶粒，并且具有分布十分均勻的兩相共晶區(qū)。

5.?Sn-3.5Ag

Sn-Ag二元合金的共晶成分為Sn-3.5Ag，共晶溫度為221℃。添加1%Zn，可消除β-Sn的粗大枝晶，使Ag3Sn分布均勻。

6.?Sn-0.7Cu

Sn-Cu二元合金的共晶成分為Sn-0.7Cu，共晶溫度為227℃。凝固反應(yīng)時(shí)，Cu形成顆粒狀或棒狀的Cu6Sn5，金屬間化合物彌散分布在樹(shù)枝狀R-Sn的基體上。在波峰焊過(guò)程中，Sn-0.7Cu共晶合金展示了替代Sn-Pb釬料的優(yōu)良的潛力。由于該合金Sn的含量較高，因此具有Sn晶須生長(zhǎng)和灰錫轉(zhuǎn)變的傾向。目前還不清楚Cu的加入對(duì)Sn的晶須生長(zhǎng)和α-Sn轉(zhuǎn)變的影響。

3.6基板材料

1.?DBC陶瓷基板

常用的陶瓷基板為Al2O3基板和AlN基板。陶瓷基板導(dǎo)熱率高、熱膨脹系