大功率密度封裝用粉末冶金材料

大功率密度封裝用粉末冶金熱沉材料安泰科技股份有限公司

集成電路封裝就是將一個具有一定功能的集成電路芯片（包括半導(dǎo)體集成電路芯片、薄膜集成電路基片、混合集成電路芯片）放置在一個與之相應(yīng)的外殼容器中，為芯片提供一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，保護芯片不受或少受外部環(huán)境影響，使集成電路具有穩(wěn)定正常的功能。

塑料封裝材料（酚醛類、環(huán)氧類、聚脂類、有機硅）金屬封裝材料（Cu、可伐、Si/Al、WCu、MoCu、

Cu-Mo-Cu）陶瓷封裝材料（AlN、SiC、BeO）陶瓷金屬封裝材料（SiC/Al)

其他（CVDDiamond、Diamond/Cu、Diamond/Ag））電子封裝材料分類

塑料封裝由于具有成本低和便于自動化生產(chǎn)的優(yōu)點，國際上90％的集成電路都采用塑料封裝，并且隨著塑封材料、封裝結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改善，比例還在不斷擴大。

在功率半導(dǎo)體器件、高集成度微電子器件、微波電子器件、光電器件中，隨著工作頻率和功率密度的不斷提高，對器件的散熱問題提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

Intelhas“hitathermalwall”《紐約時報》－5/17/2004ThermalManagement

－電路設(shè)計－封裝材料選擇（Heatsink)

－生產(chǎn)工藝選擇－封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計熱沉材料（（HeatsinkMaterials）1、具有高的的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)芯片的高集集成度要求求電子封裝裝日益小型型化，這就就必然帶來來一個問題題：芯片發(fā)發(fā)熱量提高高，電路工工作溫度不不斷上升。。在半導(dǎo)體體器件中，，溫度每升升高18℃，失效的可可能性就增增加2～3倍。因此熱熱沉材料必必須具有高高的導(dǎo)熱性性能，輔助助散發(fā)電路路中產(chǎn)生的的熱量。2、匹配的熱熱膨脹系數(shù)數(shù)匹配即與電電子器件用用陶瓷或其其他介質(zhì)的的膨脹系數(shù)數(shù)的差值小小于10％，這樣可可以降低熱熱阻，提高高工件的穩(wěn)穩(wěn)定性、可可靠性，延延長使用壽壽命。3、氣密性為保證電子子元件工作作的穩(wěn)定性性，高精密密度的電子元元件空腔要要求為高真真空，封裝裝材料任何微量的的漏氣都可可能導(dǎo)致電電子元件的的失效。因此要要求電子封封裝材料具具有很高的的氣密性。在熱沉沉材料中，，高的相對對密度意味味著高的氣密性。。4、一定的機機械強度保護整體封封裝結(jié)構(gòu)，，防止外部部機械性的的破壞。材料成分密度（g/cm3）熱膨脹系數(shù)（10-6/K）熱導(dǎo)率（W/mK）AlSiCAl+(50%-70%)SiC3.006.5-9.0170-200CuWW+(10%-20%)Cu15.6-17.06.5-8.3180-200CuMoMo+(15%-20%)Cu10.007.0-8.0160-170AlSi60%Al+40%Si2.5315.4126KovarFe+Ni8.105.917Cu8.9617.8398Al2.7023.6238Si2.304.2151GaAs5.236.554Al2O33.606.717BeO2.907.6250AlN98%purity3.304.5160-200二、熱沉材材料的制備備工藝傳統(tǒng)Al2O3陶瓷基片生生產(chǎn)工藝原料粉末混混合壓坯成型燒結(jié)圓盤研磨CNC加工行星研磨電鍍Ni、Au高熱導(dǎo)WCu、MoCu、AlN生產(chǎn)工藝AlN陶瓷的燒結(jié)結(jié)非常困難難，采用熱熱壓、熱等等靜壓、SPS燒結(jié)等方法法能夠制備備出高密度度高質(zhì)量的的AlN制品，但這這些工藝成成本高、效效率低，無無法滿足電電子行業(yè)日日益增長的的需求量。。目前常用用的方法是是添加Y2O3、CaO等燒結(jié)助劑劑的常壓燒燒結(jié)。添加劑在高高溫下和AlN顆粒表面的的氧化鋁反反應(yīng)生成低低熔物，產(chǎn)產(chǎn)生液相，，促進了AlN陶瓷的致密密化。液態(tài)態(tài)晶界相的的存在也減減少了AlN晶格中的氧氧缺陷，提提高了AlN陶瓷的熱導(dǎo)導(dǎo)率。采用用這種方法法可制備出出熱導(dǎo)率為為170～220w/m·k的AlN基片。W-Cu、Mo-Cu合金熱沉材材料的制備備W粉與Cu粉直接混合合燒結(jié)。由于W、Mo與Cu幾乎沒有任任何的溶解解度，直接接混粉燒結(jié)結(jié)很難獲得得高致密度度Wcu、MoCu復(fù)合材料。。Ni、Fe燒結(jié)組劑的的添加將極極大降低WCu、MoCu的導(dǎo)熱性。。比較成功功的工藝是是機械合金金化與W/Cu包覆粉末制制備工藝。。一定配比原料粉末臥式高能球磨Ar氣保護超細(xì)WCu合金粉末燒結(jié)優(yōu)點：工藝藝流程相對對簡單。缺點：高能能球磨帶入入雜質(zhì)對導(dǎo)導(dǎo)熱率影響響。W包Cu合金粉末直直接燒結(jié)WO3＋CuO混合高能球磨還原WO3+CuOWO3+Cu（300°C）WO3+CuWO2.9+Cu（380°C）WO2.9+CuWO2.9+WO2.72＋Cu（500°C）WO2.9+WO2.72＋CuWO2+Cu（600°C）WO2+CuWO2+W＋Cu（650°C）WO2+W＋CuW+Cu（over700°C）90WCu混粉直接燒燒結(jié)金相照照片燒結(jié)密度低低，孔隙大大，導(dǎo)熱率率低復(fù)合包覆粉粉末燒結(jié)WCu金相照片其它常用的的制備方法法為熔滲法法，即將W粉、Mo粉壓制成型型后，在一一定溫度下下燒結(jié)得到到所需的骨骨架孔隙度度，再將Cu滲入孔隙中中。其優(yōu)點是用用這種方法法制備的材材料，熱導(dǎo)導(dǎo)率高，氣氣密性好。。缺點：工藝藝過程較復(fù)復(fù)雜，無法法使用MIM工藝制備復(fù)復(fù)雜形狀產(chǎn)產(chǎn)品。W粉末成型預(yù)制件燒結(jié)結(jié)Cu熔融浸滲機械加工電鍍國內(nèi)目前主主要采用的的工藝，由由于各工序序?qū)ψ罱KCu含量均有影影響，對精精確控制W/Cu合金的成分分，即精確確控制熱導(dǎo)導(dǎo)率上有一一定困難。。SiC/Al材料的制備備目前采用的的方法是先先成型SiC顆粒預(yù)制件件，再將Al液熔化后滲滲入合成。。由于SiC和Al的潤濕性差差，Al無法自發(fā)滲滲入，多采采用壓力熔熔滲、基體體金屬合金金化、陶瓷瓷顆粒表面面涂層等方方法改善其其潤濕性。。不同Al含量SiC/Al的CET值原料粉末成型粉坯活性處處理高溫?zé)崽幚砝頋B鋁處理多孔粉坯半成品多孔SiC骨架SiC/Al復(fù)合材料壓力浸滲自浸滲浸滲SiC/Al復(fù)合材料金金相照片PROPERTIESDATA

Series7001200Densityg/cc3.022.77ThermalConductivityW/mK210170ThermalExpansionPPM/oC6.0-8.016.0–18.0ElectricalConductivity%IACS725–27Young'sModulusGpa224100ThermalCapacityJ/ccoC2.222.05國外SiC/Al熱沉產(chǎn)品性性能熱膨脹系數(shù)

6.5～9.5×10-6/K之間任意可調(diào)導(dǎo)熱率

170～200W/mK電阻率

30～50μΩ·cm抗彎強度

350～500MPa彈性模量

200～230GPa密度

2.95～3.00g/cm3尺寸范圍

3×3×0.5mm3～100×60×10mm3尺寸精度

±0.05mm表面粗糙度

1.6～3.2μm鍍層厚度

3～10μm鍍層質(zhì)量

400℃空氣烤15min，鍍層無起泡、起皮或變色現(xiàn)象國內(nèi)報道SiC/Al材料性能超高熱導(dǎo)熱熱沉材料CVD金剛石薄膜膜金剛石熔點點高達(dá)3000oC以上，抗氧氧化能力強強，天然IIa型金剛石晶晶體室溫下下熱導(dǎo)率為為2000W/mk，是是已已知知物物質(zhì)質(zhì)中中最最高高的的，，為為Cu的5倍。?；瘜W(xué)學(xué)氣氣相相沉沉積積（（CVD)金剛剛石石為為多多晶晶結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，膜膜內(nèi)內(nèi)存存在在大大量量雜雜質(zhì)質(zhì)與與缺缺陷陷，，其其導(dǎo)導(dǎo)熱熱性性能能一一般般達(dá)達(dá)不不到到天天然然金金剛剛石石的的水水平平。。金剛剛石石熱熱沉沉是是解解決決迅迅猛猛發(fā)發(fā)展展的的芯芯片片散散熱熱問問題題的的理理想想材材料料。。熱絲絲CVD制備備金金剛剛石石薄薄膜膜的的基基本本原原理理是是將將含含碳碳?xì)鈿庠丛矗ǎㄈ缛缂准淄橥椋┖秃蜌錃錃鈿庠谠跓魺艚z絲產(chǎn)產(chǎn)生生的的高高溫溫（（2000oC以上上））作作用用下下分分解解離離化化后后產(chǎn)產(chǎn)生生含含碳碳基基團團和和原原子子氫氫等等，，他他們們的的相相互互作作用用促促使使構(gòu)構(gòu)成成金金剛剛石石的的SP3雜化化碳碳－－碳碳鍵鍵的的形形成成，，從從而而在在基基體體（（溫溫度度600-1000oC）表表面面沉沉積積金金剛剛石石薄薄膜膜。。顆粒粒增增強強型型金金剛剛石石/金屬屬基基復(fù)復(fù)合合熱熱沉沉材材料料金剛剛石石顆顆粒粒/SiC熱沉沉材材料料金剛剛石石顆顆粒粒增增強強Cu基熱熱沉沉材材料料金剛剛石石顆顆粒粒增增強強Al基熱熱沉沉材材料料總結(jié)結(jié)高熱熱導(dǎo)導(dǎo)封封裝裝材材料料對對于于高高頻頻率率、、高高功功率率密密度度的的IC器件件的的性性能能、、可可靠靠性性有有至至關(guān)關(guān)重重要要的的作作用用。。通過過材材料料的的改改進進，，可可以以省省去去高高功功率率密密度度集集成成電電路路需需要要的的散散熱熱管管（（針針））、、風(fēng)風(fēng)扇扇、、冷冷卻卻液液等等裝裝置置。。高熱熱導(dǎo)導(dǎo)封封裝裝材材料料向向著著更更高高的的熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率、、更更輕輕的的重重量量、、更更低低的的成成本本方方向向發(fā)發(fā)展展，，在在無無線線通通訊訊、、高高集集成成度度微微電電子子產(chǎn)產(chǎn)品品、、便便攜攜式式電電子子產(chǎn)產(chǎn)品品、、相相控控陣陣列列雷雷達(dá)達(dá)等等軍軍事事電電子子器器件件、、航航天天航航天天等等領(lǐng)領(lǐng)域域有有非非常常廣廣闊闊的的應(yīng)應(yīng)用用前前景景。。國外外第第二二代代WCu、MoCu、Cu/Mo/Cu、AlN、SiC/Al等新新型型高高導(dǎo)導(dǎo)熱熱封封裝裝材材料料已已可可以以規(guī)規(guī)模模化化生生產(chǎn)產(chǎn)，，通通過過生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝的的不不斷斷改改進進，，產(chǎn)產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量量的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性不不斷斷提提高高、、產(chǎn)產(chǎn)品品價價格格不不斷斷降降低低，，已已達(dá)達(dá)到到工工業(yè)業(yè)化化使使用用水水平平。。熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率大大于于500W/mK的第第三三代代顆顆粒粒增增強強型型金金剛剛石石熱熱沉沉材材料料已已有有產(chǎn)產(chǎn)品品生生產(chǎn)產(chǎn)，，熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率大大于于1000W/mK的CVD金剛剛石石薄薄膜膜熱熱沉沉材材料料的的研研究究正正在在進進行行中中，，已已能能在在試試驗驗室室合合成成。。國內(nèi)內(nèi)目目前前還還沒沒有有可可以以批批量量化化生生產(chǎn)產(chǎn)第第二二代代高高熱熱導(dǎo)導(dǎo)封封裝裝材材料料的的單單