金属封装材料的现状及发展(下)

半导体

（续） 2．2 Al基复合材料
由于Al的CTE比Cu还大，为使其CTE与Si、Ge、GaAs等半导体材料相近，常常不得不采用高体积分数的增强体与其复合，添加量甚至高达70％，但如果用作与玻璃相匹配的封装材料，添加量则可以少一些。铝基复合材料不仅具有比强度、比刚度高的特点，而且导热性能好、CTE可调、密度较低。常用的增强体包括C、B、Si、金刚石、碳化物(如SiC、tiC)、氮化物(如AlN、Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基体合金则可为纯AL，或6061、6063、2024等铝合金等。如用硼纤维增强的铝基复合材料，当硼含量为20％时，其X-Y平面的CTE为12．7×1O-6K-1，热导率为180W(m-1K-1)，密度为2．6g cm-3。
Al／SiC是一种在金属封装中口前国外得到广泛使用的铝基复合材料，它山30％-70％的SiC颗粒和铝或铝合金组成。它的CTE可通过改变组分的百分含量进行调节，低SiC含量的Al／SiC复合材料可以冲裁。随着SiC含量的增加，其CTE将从铝的23．2×10-6K-1逐渐下降。小于铝的热导率为237W(m-1K-1)，SiC的热导率为110W(m-1K-1)，因此SiC含量的改变对材料热导率影响不大，含有70％SiC的Al／SiC材料其热导率仍高达170W(m-1K-1)，而CTE大约为7×10-6K-1左右，可以获得良好的热匹配，使得与芯片或基板的结合处应力最小，同时提供厂比可伐合金高山10倍导热能力，因而不需要使用散热片。山于铝和SiC的密度都很小，因而Al／SiC材料的密度也很小，70％SiC的Al／SiC材料的密度仅为2．79g cm-3。这些性能使它成为满足气密封装需要的理想材料，它特别适合于空间应用。例如一个目前正在运行的军事卫星用于微波封装的可伐介金重量超过了23kg，若用A1／SiC代替，重量至少节约13kg以上，即大约60％。Al／SiC的制备工艺比较成熟，同时町以在其上镀Au、Ni等，很容易实现封装材料的焊接[6-11]。法国Egide Xeram公司研制生产了一系列Al／SiC气密性封装外壳，最大外形尺寸达220mm×220mm，已在军用机载电子设备十微波MCM上获得应用。图2为Al／SiC材料在LEO商业通信卫星微波／射频封装上的应用实例。Olin Aegis公司使用Al／SiC复合材料制造的气密封装产品(图3)，能够满足军事和航天规范的全部要求。该公司专利的电镀技术可以使外壳经受400℃工作温度而不会发生镀层起泡和剥落现象。

国外已有多家公司生产Al／SiC复合材料。如Advanced Forming Technology(AFT)公司、Polese公司、AMETEK Specialty Metal Products公司等。美国Thermal Transfer Composites(TTC)公司是利用Primex(MCX-693-MCX-947)和Primex Cast (MCX-1195-MCX-1605)两种技术生产Al／SiC复合材料。Ceramics Process Systems(CPS)公司使用Al／SiC复合材料制造微处理器盖板和散热片有三个牌号的，分别为CPS AlSiC-9，A1SiC-10和AISiC-12，CTE(20-150℃)分别为9×10-6K-1、10×10-6K-1、12×10-6K-1。此外，该公司也用其制造功率基板、绝缘栅双极晶体管(IGBT)底座、微波外壳和载体板。这些公司生产的Al／SiC复合材料的数据如表7所示。
Al／SiC复合材料也存在一些弱点，主要是山于含有大量硬度极高的SiC，难于加工，尽管采用丁净成形技术，但也只在大批量生产上才合算。此外，需要在表层都是Al时才能可靠地电镀和钎焊。因此需要开发一种新的加工、电镀和钎焊性能更好的金属封装材料。Al／Si介金就是这样一种材料，虽然用于封装的含Si40％的Al／Si合金多年前就已商品化，但直到最近几年，山于喷射成型技术的发展，才使得具有更高Si含量的Al／Si合金制造成功。英国Osprey金属公司开发了一系列称之为可控膨胀(CE)介金的Al／Si合金，顾名思义，可控膨胀合金可以通过改变Al(23．6×10-6K-1)与Si(2．2×10-6-4．3×10-6K-1)相对比例得到二者间任何的CTE值。图4表示出20℃的CTE随合金里Si含量的变化。表8列出了Osprey的主要CE合金成分及其性能。

Al／Si合金具有非常好的性能，重量比纯Al轻15％，是呵伐重量的1／3，是Cu／W重量的1／6。CTE随温度的变化不大，从-50℃—300℃变化不超过10％，使得它与氧化铝和GaAs在这个方面匹配。它的弹性模量超过110GPa，具有非常高的比刚度(CE7合金为53GPa cm3g-1而可伐为17GPa cm3g-1，Cu／75W为15GPa cm3g-1)，因此热加工稳定性优良，在加工和使用过程中CE合金仍保持极为平整。致密的Al／70Si(CE7)合金热导率为120W(m-1K-1)，20℃的CTE为6．8×10-6K-1，适合于EMI／RFI屏蔽。另外，巾喷射成形工艺制备的CE合金具有均匀、备向同性的特点和很好的机加工、镀覆、焊接特性。日前，CE合金的主要应用领域有微波／射频外壳、光电外壳、功率器件的基板、高频电路的载体板、散热片和热沉、代替传统Al合金的普通电子封装产品、波导和微波滤波器元件等[12,13]。图5和图6为CE7在封装上的实例。

Al／石墨是一种巾石墨纤维增强的铝基复合材料。山MMCC公司生产的石墨纤维含量达到40％的MetGraf 4-230，在20℃-300℃其X和Y平面的CTE为3．0×10-6—5．0×10-6K-1，热导率高达230W(m-1K-1)在Z方向CTE为24×10-6K-1，其热导奉降到120W(m-1K-1)，密度仅为2．40gcm-3。石墨纤维含量达到30％的MetGraf 7-200，在20℃-300℃其X和Y平面的CTE为6．5×10-6-9．5×10-6K-1，热导率高达200W(m-1K-1)。在Z方向CTE为24×10-6K-1，其热导率降到125W(m-1K-1)。密度为2．45gcm-3)。它们主要用于微电子封装、光电子封装、激光二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率半导体、散热片和盖板等(图7)，主要性能如表9所示[14]。

美国MER(Materials and Electrochemical Research)公司把片状石墨加入到铝合金里，制成Al／非连续碳-石墨复合材料GFAl-1，在室温下其X和Y平面的CTE为4．5×10-6-5．0×10-6K-1，热导率高达650W(m-1K-1)。在Z方向热导率为80-110W(m-1K-1)。强度1OOMPa，X和Y平面的刚度大于90-100GPa，密度仅为2．1gcm-3，很容易加工。

早期研究的金刚石增强的铝基复合材料热导率并不比铝合金好，是颗粒与基体之间传热较差的结果。
最近经过工艺的改进，这种材料性能有了很大提高。MER公司开发的金刚石增强的铝基复合材料，是在铝合金里含有体积分数直到70％的工业金刚石颗粒，DAI-1具有几乎各向同性的热导率，大约为600W(m-1K-1)，体积分数45％-50％的金刚石增强铝基复合材料DAI-3的CTE为7．5×10-6K-1，能通过增加金刚石的尺寸和数量将CTE进一步调整到5×10-6K-1-7．5×10-6K-1。室温下这种复合材料强度大约为450MPa，刚度大于250GPa，大大超过Al／SiC。
Al／Be是由Al和Be组成的合金。但是，工业上将它视作一种复合材料。由Brush Wellman公司以商品名AlBeMet生产的Al/Be复合材料，可以是含有Be的重量百分比20-75的薄板、板、棒或管。在室温下，AlBeMet AM162(A1／38Be)的CTE为13．2×10-6K-1，热导率为212W(m-1K-1)。由于密度仅2．07g cm-3，可使用在需要低重量的领域。由于含有Be，因此Al／Be加工时存在健康风险。此外材料和加工的费用高，Al／Be的价格也比普通铝及铝合金至少高一个数量级。除了用于电路卡芯，也已用于底盘和外壳。
2．3 其他金属基复合材料
Silvar是Texas Instruments公司开发的由银和铁合金组成的银基复合材料。一类Silvar是由39％的Ag与61％的Invar(Fe，36Ni)组成，是各向同性的控制膨胀复合材料，其CTE为6．5×10-6K-1，热导率为153W(m-1K-1)。另一类Silvar由28％Ag与72％的可伐组成，其CTE为7×10-6K-1，热导率为110W(m-1K-1)。它们比Cu／Mo和Cu／W重量轻，Silvar可用多种方法制备，它可以通过轧制、冲裁、模压、锻造和拉拔成型。很容易机加工或电镀，且可进行软钎焊和硬钎焊而无需预先电镀。也容易与Invar和可伐合金激光焊。典型的用途包括微波载体和热沉、固体激光器外壳、微电子外壳基板等。如Mini-Systems公司把它用作多芯片GaAs微波外壳，解决了在温度循环后包括400℃老炼后芯片面临的开裂问题。Polese公司已取得专利许可(US 5 050 040和5 039 335)生产，表10是这种材料的主要性能指标。

BeO是一种硬度高、强度高、导热优良的氧化物，加入到Be中形成铍基复合材料(表11)。其中Be／60BeO的CTE为6．1×10-6K-1，与GaAs(5．8×10-6K-1)的接近，其热导率达到240W(m-1K-1)，密度为2．55gcm-3。上面还可以方便地镀Ni、Au、Cu、Sn等镀层，是微波和混合集成电路理想的封装材料。然而Be和Be0均为有毒物质，它的CTE随温度的升高要比氧化铝快得多，在硬、软钎焊后容易造成很大的失配应力，此外价格高，所以Be／BeO的应用受到很大程度的限制。其他的金属基复合材料还有Al／Invar及Mo-Gr-Mo等。

3 结论
随着电子封装朝着高性能、低成本、低密度和集成化方向的发展，对金属封装材料提出越来越高的要求，金属基复合材料将为此发挥着越来越重要的作用，因此，国内对金属基复合材料的研究和使用将是今后的重点和热点之一。

本文摘自《电子与封装》

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