第4讲 金属-20080324.pptVIP

§4.3 金属封装材料的现状及发展 金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃—金属封接技术的一种电子封装形式。 广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。 金属封装形式多样、加工灵活。 可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A转换器)融合为一体； 适合于低I／O数的单芯片和多芯片的用途； 也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。 此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。 金属封装工艺流程 主要内容： 介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。 1、传统金属封装材料及其局限性 芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AlN等的热膨胀系数(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护，应具备以下的要求： ①与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数，减少或避免热应力的产生；②非常好的导热性，提供热耗散；③非常好的导电性，减少传输延迟； ④良好的电磁干扰(EMI)／射频干扰 (RFI)屏蔽能力； ⑤较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；⑥可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；⑦较低的成本。 传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，其主要性能如表1所示。 1.1 铜、铝 a)铜 纯铜亦称无氧高导铜(OFHC)； 电阻率：1.72μΩ·cm，仅次银。 热导率为401W(m-1K-1)，传热好，非常理想的封装壳体材料，可用在需要高热导和／或高电导的封装里； CTE高达16.5×10-6K-1，可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。为了减少陶瓷基板上的应力，可以用多个较小的基板代替单一大基板，分开布线。 退火的纯铜由于机械性能差，很少使用。加工硬化的纯铜虽然有较高的屈服强度，但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化，在进行机械冲击或恒定加速度试验时造成外壳底部永久变形。 b)铝 铝及其合金重量轻、价格低、易加工； 具有很高的热导率，在25℃时为237W(m-1K-1)，是常用的封装材料，通常可以作为微波集成电路(MIC)的壳体。 铝的CTE更高，为23.2×10-6K-1，与Si(4.1×10-6K-1)和GaAs(5.8×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的热循环常会产生较大的热应力，导致失效。虽然设计者可以采用类似铜的办法解决这个问题，但铜、铝与芯片、基板严重的热失配，给封装的热设计带来很大困难，影响了它们的广泛使用。 1.2 钨、钼 a)W CTE 类似Si和GaAs； 导热性很好，可用于芯片的支撑材料； 加工性、可焊性差，常需要在表面镀覆其他金属，使工艺变得复杂且可靠性差。 b)Mo CTE：5.35×10-6K-1，与可伐和Al2O3非常匹配； 热导率高：138 W(m-1K-1)，常作为气密封装的底座与可伐的侧墙焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金属封装中。 Mo作为底座的主要缺点：平面度较差，且重结晶后有脆性。 W、Mo价格较为昂贵，不适合大量使用。此外密度较大，不适合航空、航天用途。 1.3 钢 10号钢(优质碳素结构钢，碳质量百分数0.07%~0.14％，屈服点205MPa，抗拉强度335MPa，延伸率31％，断面收缩率55％，塑性好，焊接性好)热导率为49.8W(m-1K-1)，约是可伐合金的三倍，CTE为12.6×10-6K-1，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与软玻璃实现压缩封接。 （软玻璃:PVC透明软板，是一种优质的塑胶复合材料，表面光滑、亮丽透明、无裂缝、无气泡、色泽均匀） 不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，不锈钢的热导率较低，如430不锈钢(Fe-18Cr)热导率仅为26.1 W(m-1K-1)。 1.5 Cu／W和Cu／Mo 将铜与CTE数值较小的物质如Mo、W等复合，可降低Cu的CTE，得到Cu／W及Cu／Mo金属-金属复合材料。 这些材料具有高的导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。 Cu／W及Cu／Mo的CTE可以根据组元相对含量的变化进行调整。 用作封装底座、热沉，还可以用作散热片。国内外已广泛生产并用在大功率微波管、大功率激