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【材制｜視角】電子封裝材料的選擇與應(yīng)用

2023-03-31 20:26 作者:青春材制 0人讀過 | 我要投稿

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2023-03-31

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?????微電子技術(shù)和電子計算機(jī)的發(fā)展浪潮中，芯片制造等相關(guān)行業(yè)隨之蓬勃發(fā)展。作為芯片的包裝，電子封裝材料的開發(fā)與應(yīng)用顯得至關(guān)重要，因為它不僅是電路芯片的保護(hù)層，也是芯片與外界交流的載體。如果想要芯片發(fā)揮其最佳功效，電子封裝材料的選擇是必不可少的。

1.電子封裝材料的概念

　　電子封裝是指對電路芯片進(jìn)行包裝，進(jìn)而保護(hù)電路芯片，以免其受到外界環(huán)境的包裝；電子封裝材料則是指用于承載電子元器件極其相互聯(lián)線，起到機(jī)械支撐，密封環(huán)境保護(hù)，信號傳遞，散熱和屏蔽等作用的基本材料。

　　電子封裝材料種類多樣，一般可按照封裝結(jié)構(gòu)、形式和材料組成進(jìn)行分類。從封裝結(jié)構(gòu)分，電子封裝材料主要包括基板、布線、框架、層間介質(zhì)和密封材料；從封裝形式分, 可分為氣密封裝和實體封裝；從材料組成分，可分為金屬基、塑料基和陶瓷基封裝材料。

　　作為電子封裝的材料，它首先應(yīng)滿足：

　　1. 高的導(dǎo)熱性，保證電子原件不受熱破壞。

　　2. 與芯片相匹配的線膨脹系數(shù)，確保芯片不因熱應(yīng)力而失效。

　　3. 良好的高頻特性，滿足高速傳導(dǎo)的需要。

　　除此以外，力學(xué)性能，電絕緣性能，化學(xué)性能等等都應(yīng)該被考慮在內(nèi)。

圖2 芯片通過內(nèi)部導(dǎo)線
（圖中黑色外殼里的黃色線路）與金屬引腳（銀白色）和電路板連接

2.電子封裝材料的主流

　　目前，電子封裝復(fù)合材料主要有四大類：(1) PMC復(fù)合材料，即聚合基復(fù)合材料；(2) MMC復(fù)合材料，即金屬基復(fù)合材料；(3) CCC復(fù)合材料，也稱碳/碳復(fù)合材料；(4) CMC復(fù)合材料，即陶瓷基復(fù)合材料。

　　四大類材料中，金屬基復(fù)合材料是研究最早、理論描述最為完善的一類復(fù)合材料。

　　各種材料的主要性能和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

　　1. 塑料封裝材料。塑料有價格低，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，塑封裝所使用的材料主要是熱固型塑料，包括酚醛類、聚酯類、環(huán)氧類和有機(jī)硅類，其中以環(huán)氧樹脂應(yīng)用最為廣泛。但是塑料封裝材料如環(huán)氧材料，氣密性不好，對濕度敏感，易導(dǎo)致塑料封裝材料吸收的水受熱膨脹，使器件爆裂。且多數(shù)塑料封裝晶體管含鉛，帶有一定的毒性。

　　2. 陶瓷封裝材料。陶瓷封裝材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。陶瓷封裝的優(yōu)點(diǎn)是耐濕性好、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小和熱導(dǎo)率高。但由于性能、環(huán)保、成本的原因，Al2O3、BeO難以滿足現(xiàn)在人們的需求，而AlN又因為其成本和難以加工成復(fù)雜造型的缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。

　　3. 金屬基復(fù)合材料。電子封裝常用的金屬基復(fù)合材料主要是微觀強(qiáng)化型金屬基復(fù)合材料，按增強(qiáng)物類型可分為：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、層板金屬基復(fù)合材料。增強(qiáng)體應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù) (CTE) 、高的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的成本，同時增強(qiáng)體應(yīng)該與金屬基體有較好的潤濕性，并且由于其制備技術(shù)已經(jīng)較為成熟，是現(xiàn)在可以滿足大部分需求的封裝材料。

　　4. 金屬封裝。金屬封裝材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、散熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但多數(shù)金屬封裝都屬于實體封裝，而實體封裝對封裝材料要求較高，必須致密、抗潮，與管芯材料粘附和熱匹配良好，而且在高溫、低氣壓下不應(yīng)產(chǎn)生有害氣體。這對加工技術(shù)提出了很高的要求。?

3.電子封裝的未來前景

　　由于電子器件不斷微型化、高度集成化，并對其可靠性有了更高的要求，電子封裝材料應(yīng)具有更高的熱導(dǎo)率，芯片熱膨脹系數(shù)的匹配性，以及更低的密度。

　　雖然在可預(yù)見的時間里，電子封裝材料主要還是以塑料基為主，但是單一基體的各種封裝材料無法滿足各方面性能的綜合要求，必將向多相復(fù)合化方向發(fā)展。其中，金屬基復(fù)合材料具備無可比擬的性能和成本優(yōu)勢，有全面滿足上述要求的潛力，是電子封裝材料主要的開發(fā)方向之一。