电子封装材料及其应用

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1、电 子 封 装 材 料 及 其 应 用 目 录 一 、 二 、 三 、四 、电子封装材料的概念电子封装材料的分类电子封装的应用结语 电 子 封 装 电 子 封 装 是 指 对 电 路 芯 片 进 行 包 装 ， 保 护 电 路 芯 片 ， 使其 免 受 外 界 环 境 影 响 的 包 装 。电 子 封 装 材 料 电 子 封 装 材 料 是 用 于 承 载 电 子元 器 件 及 其 相 互 联 线 ， 起 机 械 支持 ， 密 封 环 境 保 护 ， 信 号 传 递 ，散 热 和 屏 蔽 等 作 用 的 基 体 材 料 。一 、 电 子 封 装 材 料 的 概 念 二 、 电 子 封 装 材

2、料 的 分 类 电 子 封装 材 料基 板 布 线 框 架 层 间 介 质密 封 材 料 陶 瓷环 氧 玻 璃金 刚 石 金 属 金 属 基 复合 材 料主 要 包 括 高 密 度 多 层 封 装 基 板 主 要 在 半 导 体 芯 片 与 常 规 PCB （ 印 制 电路 板 ） 之 间 起 电 气 过 渡 作 用 ， 同 时 为 芯 片 提 供 保 护 、 支 撑 、 散 热作 用 。基 体 封 装 基 板 主 要 包 括 三 种 类 型 : 1) 硬 质 BT 树 脂 基 板 ： 硬 质 BT 树 脂 基 板 主 要 由 BT 树 脂 （双 马 来 酰 亚 胺 三 嗪 树 脂 ） 和 玻

3、 纤 布 经 反 应 性 模 压 工 艺 而 制 成 。 2)韧 性 PI(聚 酰 亚 胺 ) 薄 膜 基 板 ： 在 线 路 微 细 化 、 轻 量 化 、薄 型 化 、 高 散 热 性 需 求 的 驱 动 下 ， 主 要 用 于 便 携 式 电 子 产 品 的高 密 度 、 多 I/O 数 的 IC 封 装 。 3） 共 烧 陶 瓷 多 层 基 板 ： 烧 陶 瓷 基 板 包 括 高 温 共 烧 陶 瓷 基 板 （HTCC） 和 低 温 共 烧 基 板 (LTCC)。 和 HTCC 相 比 , LTCC 基 板 的 介电 常 数 较 低 , 适 于 高 速 电 路 ； 烧 结 温 度 低

4、, 可 使 用 导 电 率 高 的导 体 材 料 ； 布 线 密 度 高 ， 且 可 以 在 LTCC 结 构 中 埋 置 元 器 件 。 布 线 导 体 布 线 由 金 属 化 过 程 完 成 。 基 板 金 属 化 是 为 了 把 芯 片 安装 在 基 板 上 和 使 芯 片 与 其 他 元 器 件 相 连 接 。 为 此 ， 要 求 布 线 金属 具 有 低 的 电 阻 率 和 好 的 可 焊 性 ， 而 且 与 基 板 接 合 牢 固 。 金 属化 的 方 法 有 薄 膜 法 和 后 膜 法 。 Al是 半 导 体 集 成 电 路 中 最 常 用 的 薄 膜 导 体 材 料 ， 其 缺

5、 点 是 抗 电 子 迁 移 能力 差 。 Cu导 体 是 近 年 来 多 层 布 线 中 广 泛 应 用 的 材 料 ， Au， Ag， NiCrAu， TiAu， Ti Pt Au等 是 主 要 的 薄 膜 导 体 。 为 降 低 成 本 ， 近 年 来 采 用 Cr Cu Au，Cr Cu Cr， Cu Fe Cu， Ti Cu Ni Au等 做 导 体 薄 膜 。 层 间 介 质 介 质 材 料 在 电 子 封 装 中 起 着 重 要 的 作 用 ， 如 保 护 电 路 、 隔 离绝 缘 和 防 止 信 号 失 真 等 。 它 分 为 有 机 和 无 机 2种 ， 前 者 主 要 为

6、聚 合 物 ， 后 者 为 Si02，Si3N4和 玻 璃 。 多 层 布 线 的 导 体 间 必 须 绝 缘 ， 因 此 ， 要 求 介 质 有高 的 绝 缘 电 阻 ， 低 的 介 电 常 数 ， 膜 层 致 密 。 密 封 材 料 电 子 器 件 和 集 成 电 路 的 密 封 材 料 主 要 是 陶 瓷 和 塑 料 。 最 早 用于 封 装 的 材 料 是 陶 瓷 和 金 属 ， 随 着 电 路 密 度 和 功 能 的 不 断 提 高 ，对 封 装 技 术 提 出 了 更 多 更 高 的 要 求 ， 从 过 去 的 金 属 和 陶 瓷 封 装为 主 转 向 塑 料 封 装 。 至 今

7、， 环 氧 树 脂 系 密 封 材 料 占 整 个 电 路 基板 密 封 材 料 的 90 左 右 树 脂 密 封 材 料 的 组 成 为 环 氧 树 脂 (基 料 树 脂 及 固 化 剂 )、 填 料(二 氧 化 硅 )、 固 化 促 进 剂 、 偶 联 剂 (用 于 提 高 与 填 料 间 的 润 湿 性和 粘 结 性 )、 阻 燃 剂 、 饶 性 赋 予 剂 、 着 色 剂 、 离 子 捕 捉 剂 (腐 蚀性 离 子 的 固 化 )和 脱 模 剂 等 。 目 前 ， 国 外 80 90 半 导 体 器件 密 封 材 料 (日 本 几 乎 全 部 )为 环 氧 树 脂 封 装 材 料 ，

8、具 有 广 阔 的发 展 前 景 。 三 、 电 子 封 装 工 艺 电 子 封 装 结 构 的 三 个 层 次 3.电 子 封 装 材 料 研 究 现 状3.1 陶 瓷 基 封 装 材 料3.2 塑 料 基 封 装 材 料3.3 金 属 基 封 装 材 料3.4 三 种 类 型 封 装 材 料 对 比3.5 绿 色 电 子 封 装 材 料 3.1 陶 瓷 基 封 装 材 料a.优 势 与 劣 势 ：优 势 ： 1)低 介 电 常 数 ,高 频 性 能 好 2)绝 缘 性 好 、 可 靠 性 高 3)强 度 高 , 热 稳 定 性 好 4)低 热 膨 胀 系 数 , 高 热 导 率 5)气 密

9、 性 好 ,化 学 性 能 稳 定 6)耐 湿 性 好 , 不 易 产 生 微 裂 现 象劣 势 ： 成 本 较 高 ， 适 用 于 高 级 微 电 子 器 件 的 封 装 （ 航 空 航 天 及 军 事 领 域 ） Al2O3陶 瓷 基 片 由 于 原 料 丰 富 、 强 度 、 硬 度 高 、 绝 缘 性 、 化 学 稳 定 性 、 与 金属 附 着 性 良 好 ， 是 目 前 应 用 最 成 熟 的 陶 瓷 基 封 装 材 料 。 但 是 Al2O3热 膨 胀 系 数 和介 电 常 数 比 Si高 ， 热 导 率 不 够 高 ， 限 制 了 其 在 高 频 ， 高 功 率 ， 超 大 规

10、 模 集 成 封 装领 域 的 应 用 。 AlN具 有 优 良 的 电 性 能 和 热 性 能 ， 适 用 于 高 功 率 ， 多 引 线 和 大 尺 寸 封 装 。 但 是AlN存 在 烧 结 温 度 高 ， 制 备 工 艺 复 杂 ， 成 本 高 等 缺 点 ， 限 制 了 其 大 规 模 生 产 和 使 用 。 SiC 陶 瓷 的 热 导 率 很 高 ， 热 膨 胀 系 数 较 低 ， 电 绝 缘 性 能 良 好 ， 强 度 高 。 但 是 SiC介 电 常 数 太 高 ， 限 制 了 高 频 应 用 ， 仅 适 用 于 低 频 封 装 。 3.2 塑 料 基 封 装 材 料a.优 势

11、 与 劣 势 ： 塑 料 基 封 装 材 料 成 本 低 、 工 艺 简 单 、 在 电子 封 装 材 料 中 用 量 最 大 、 发 展 最 快 。 它 是 实现 电 子 产 品 小 型 化 、 轻 量 化 和 低 成 本 的 一 类重 要 封 装 材 料 。 但 是 塑 料 基 封 装 材 料 存 在 热 膨 胀 系 数 （ 与Si） 不 匹 配 ， 热 导 率 低 ， 介 电 损 耗 高 ， 脆 性 大等 不 足 。 b.常 用 塑 料 基 封 装 材 料 环 氧 模 塑 料 （ EMC)具 有 优 良 的 粘 结 性 、 优 异 的 电 绝 缘 性 、 强 度 高 、耐 热 性 和 耐

12、 化 学 腐 蚀 性 好 、 吸 水 率 低 ， 成 型 工 艺 性 好 等 特 点 。 环 氧 塑 封料 目 前 存 在 热 导 率 不 够 高 ， 介 电 常 数 、 介 电 损 耗 过 高 等 问 题 急 需 解 决 。可 通 过 添 加 无 机 填 料 来 改 善 热 导 和 介 电 性 质 。 有 机 硅 封 装 材 料 ： 硅 橡 胶 具 有 较 好 的 耐 热 老 化 、 耐 紫 外 线 老 化 、 绝缘 性 能 ， 主 要 应 用 在 半 导 体 芯 片 涂 层 和 LED封 装 胶 上 。 将 复 合 硅 树 脂 和有 机 硅 油 混 合 , 在 催 化 剂 条 件 下 发

13、生 加 成 反 应 , 得 到 无 色 透 明 的 有 机 硅 封装 材 料 。 环 氧 树 脂 作 为 透 镜 材 料 时 ,耐 老 化 性 能 明 显 不 足 ,与 内 封 装 材 料界 面 不 相 容 ,使 LED的 寿 命 急 剧 降 低 。 硅 橡 胶 则 表 现 出 与 内 封 装 材 料 良 好 的 界 面 相 容 性 和 耐 老 化 性 能 . 聚 酰 亚 胺 封 装 ： 聚 酰 亚 胺 可 耐 350450 的 高 温 、 绝缘 性 好 、 介 电 性 能 优 良 、 抗 有 机 溶 剂 和 潮 气 的 浸 湿 等优 点 ， 主 要 用 于 芯 片 的 钝 化 层 、 应 力

14、 缓 冲 和 保 护 涂 层 、层 间 介 电 材 料 、 液 晶 取 向 膜 等 ,特 别 用 于 柔 性 线 路 板 的基 材 。 3.3金 属 基 封 装 材 料a.优 势 与 劣 势 ： 金 属 基 封 装 材 料 较 早 应 用 到 电 子 封 装 中 , 因 其 热导 率 和 强 度 较 高 、 加 工 性 能 较 好 ， 至 今 仍 在 研 究 、 开发 和 推 广 。 但 是 传 统 金 属 基 封 装 材 料 的 热 膨 胀 系 数 不 匹 配 ,密度 大 等 缺 点 妨 碍 其 广 泛 应 用 。 b.常 用 金 属 基 电 子 封 装 材 料传 统 金 属 基 封 装 材

15、 料 ：Al： 热 导 率 高 、 密 度 低 、 成 本 低 、 易 加 工 ， 应 用 最 广泛 。 但 Al的 热 膨 胀 系 数 与 Si等 差 异 较 大 ， 器 件 常 因 较大 的 热 应 力 而 失 效 ， Cu也 是 如 此 。W、 Mo： 热 膨 胀 系 数 与 Si相 近 ， 热 导 率 较 高 ， 常 用 于半 导 体 Si片 的 支 撑 材 料 。 但 W、 Mo与 Si的 浸 润 性 差 、 焊 接 性 差 。 另 外 W、 Mo、 Cu的 密 度 较 大 ,不 宜 航 空 航天 使 用 ； W、 Mo成 本 高 ， 不 宜 大 量 使 用 。 新 型 金 属 基

16、封 装 材 料 ：Si/Al合 金 ： 利 用 喷 射 成 形 技 术 制 备 出 Si质 量 分 数 为 70%的 Si2Al合 金 ， 其 热膨 胀 系 数 为 (6-8) 10- 6K- 1热 导 率 大 于 100W/(mK)密 度 为 2.4-2.5g/cm3, 可 用 于 微 波 线 路 、 光 电 转 换 器 和 集 成 线 路 的 封 装 等 。 提 高 Si含 量 ,可 降 低 热 膨 胀 系 数 和 合 金 密 度 ,但 增 加 了 气 孔 率 ,降 低了 热 导 率 和 抗 弯 强 度 。 Si含 量 相 同 时 ,Si颗 粒 较 大 的 合 金 的 热 导 率 和热 膨

17、 胀 系 数 较 高 , Si颗 粒 较 小 的 合 金 的 抗 弯 强 度 较 高 。 Al/Si2合 金 应用 前 景 广 阔 。 Cu/C纤 维 封 装 ： C纤 维 的 纵 向 热 导 率 高 （ 1000W/(mk)） ， 热 膨 胀 系 数 很 小 （ -1.6 10-6K-1因 ） ， 此 Cu/C纤 维 封 装 材 料 具 有 优 异 的 热 性 能 。 对 于 Cu/C纤 维 封 装 材料 ， 其 具 有 明 显 的 各 向 异 性 ， 沿 着 C纤 维 方 向 的 热 导 率 远 高 于 横 向 分 布 的 热导 率 。 Cu与 C的 润 湿 性 差 ,固 态 和 液 态

18、时 的 溶 解 度 小 ,且 不 发 生 化 学 反 应 。 因此 ,Cu/C 纤 维 封 装 材 料 的 界 面 结 合 是 以 机 械 结 合 为 主 的 物 理 结 合 , 界 面 结 合较 弱 。 所 以 ， Cu/C纤 维 封 装 材 料 制 备 过 程 中 需 要 首 先 解 决 两 组 元 之 间 的 相溶 性 问 题 ,以 实 现 界 面 的 良 好 结 合 。 此 外 ,C纤 维 价 格 昂 贵 ， 而 且 Cu/C纤 维 封装 材 料 还 存 在 热 膨 胀 滞 后 的 问 题 。 3.4三 种 类 型 封 装 材 料 对 比 塑 料 基 封 装 材 料 的 密 度 较 小

19、 ,介 电 性 能 较 好 ,热 导 率不 高 , 热 膨 胀 系 数 不 匹 配 ,但 成 本 较 低 ,可 满 足 一 般 的 封 装技 术 要 求 。 金 属 基 封 装 材 料 的 热 导 率 较 高 ,但 热 膨 胀 系 数 不 匹 配 , 成 本 较 高 。 陶 瓷 基 封 装 材 料 的 密 度 较 小 ,热 导 率 较 高 ,热 膨 胀 系 数匹 配 ,是 一 种 综 合 性 能 较 好 的 封 装 方 式 3.5 绿 色 电 子 封 装 材 料 绿 色 电 子 封 装 是 指 在 电 子 产 品 整 个 封 装 过 程 中 ， 必 须 考 虑 资 源能 源 消 耗 和 环 境

20、 影 响 等 问 题 ， 并 兼 顾 技 术 和 经 济 因 素 ， 使 得 电 子 封装 企 业 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 达 到 协 调 优 化 的 电 子 封 装 理 念 。 目 前研 究 比 较 多 的 绿 色 电 子 封 装 是 封 装 材 料 的 无 铅 无 卤 化 问 题 。 绿 色 电 子 封 装 要 求 封 装 材 料 ， 包 括 互 连 材 料 (如 无 铅 焊 料 和 焊 膏等 )和 被 连 接 材 料 (如 印 刷 电 路 板 、 电 子 元 器 件 等 )以 及 连 接 后 清 洗 所用 的 清 洗 剂 等 ， 均 不 得 使 用 含 铅 及 含 卤 素

21、 材 料 。 结 语在 未 来 相 当 长 时 间 内 ,电 子 封 装 材 料 仍 以 塑 料 基 为 主 。 发 展 方 向 为 ： 1.)超 大 规 模 集 成 化 、 微 型 化 、 高 性 能 化 和 低 成 本 化 。 2.)满 足 球 栅 阵 列 (BGA)、 芯 片 级 (CSP)、 多 芯 片 组 件 （ MCM） 等先 进 新 型 封 装 形 式 的 新 型 环 氧 模 塑 料 。 3.)无 卤 、 锑 元 素 ,绿 色 环 保 ,适 用 于 无 铅 焊 料 工 艺 的 高 温 260 回 流焊 要 求 。 4.)开 发 高 纯 度 、 低 黏 度 、 多 官 能 团 、

22、低 吸 水 率 、 低 应 力 、 耐 热 性好 的 环 氧 树 脂 .新 型 环 氧 模 塑 料 将 走 俏 市 场 ,有 机 硅 类 或 聚 酰 亚 胺 类很 有 发 展 前 景 在 军 事 、 航 空 航 天 和 高 端 民 用 电 子 器 件 等 领 域 ,陶 瓷 基封 装 材 料 将 向 多 层 化 方 向 发 展 ,低 温 共 烧 陶 瓷 具 有 广 阔 的 前景 ， 多 层 陶 瓷 封 装 的 发 展 重 点 是 可 靠 性 好 ,柔 性 大 、 成 本 低 。高 导 热 、 高 密 封 的 AlN发 展 潜 力 巨 大 ,应 在 添 加 物 的 选 择 与加 入 量 、 烧 结 温 度 、 粉 料 粒 度 、 氧 含 量 控 制 等 关 键 技 术 上重 点 突 破 。 未 来 的 金 属 基 封 装 材 料 将 朝 着 高 性 能 、 低 成 本 、 低 密度 和 集 成 化 的 方 向 发 展 。 轻 质 、 高 导 热 和 CTE匹 配 的 Si/Al、SiC/Al合 金 将 有 很 好 的 前 景 。