金属基电子封装材料进展.pdf

第24卷第2期
兵器材料科学与工程
Vo1 24 No 2
2001年3月
ORDNANCE MATER AAL SC TENCE AND ENGNEER NG
M ar 2001
金属基电子封装材料进展
刘正春干志法姜国圣
(中南人学)
摘要:対照几种传统的金属基电子封装材料,较诈细地阐述了W-CuMo- Cu Sic/A1等新型封装材料的性能特
点、制造方、应用背景以及存在的间题。介绍了金属基电子封裴材料的最新发展動,指出国际上近年来的研究
与开发主要集中在净成型技术、新材料体系採索以及材料的集成化应用等方面。最后,文章对金属基电子封装材料
的发展趋势进行了展望,作者认为,未来的金属基电子封装材料将朝着高性能、低成本、轮量化和集成化的方向发
展。
关键词电子时装复合材料:膨胀系数,热导卒
中图分类号:TF1257,TG139文献标识码A文章编号:1004-244X(2001)02-004906
金属基电子封装材料具有强度高、导电导热性
表1 Si Gaas及几种传统封装材料的性能4l?
能女等优点。因此,它们与陶瓷基、树脂基封装材料
热导率
密度
一样,一是电子工稞帅所肯睬的热沉和支承材料.
ppm/K
W/Gm?K)
泛地应用于功率电子器件(如整流管、晶闸管、
41
卒模坎、激光极管、微波管等)和微电」器件(如计
GAA s
算机CPU、DSP心片)中,在微波通讯自动控制、电
0 4
源转换、航空航人等领域发挥着重要作用?9
Kovar
作为一种理想的电子封装材料,必须满足这么
44
193
儿个基木要求一是材料的导热性能要好,能够将
MO
50
102
半导体心片在工作时所产生:的热量及吋地散发出
400
ム;に是材料的热膨胀系数CTE)要与si或GaAs
A
等心片相匹配,以避免芯片的热应力损坏坛三是材料
环氧树脂
0 3
要有足够的强度和刚度.对心片起到支承和保护的
hvar、 Kovar的加工性能良好,具有较低的热
作用四是材料的成本要尽可能低,以满足大规模商膨胀系数但导热性能很差Mo和W的热膨胀系
业化应用的要求。代某些特殊的场合,还要求材料的数较低,导热性能远高」hvar和Kvar,而且强度
密度亼可能地小(主要是指航空航天设备和移动计和硬度很高、所以Mo和w在电力半导体行业得
算通信设备),或者要求材料具有电磁屏蔽和射频到了普遍的应用。但是,Mo和Ww价格品贵,加工困
屏蔽的特性。
难,可焊性差,密度大,况且导热性能比纯Cu要低
传统的电子封装材料
得多、这就阻得了其进一步应用。Cu和A1的导热导
电性能很好,可是热膨胀系数过大,容易产作热应力
传统的金属基电了封装材料,包括?瓦合金问题。
(hvar)、可伐合金( Kovar)、W、Mo、AkCu等,这地
材料叮以部分的满足上面所提到的要求,然而,它们
新型电子封装材料
你然存在许多不尽人意之处。表1列出了几种常规
现代电∫技术的飞速发展,使得电子元器件能
电子材料的性能。
够具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容
收稿H期:2000-06-02
资勘项目:国家高新T程重点资助项目
作者简介:刘正春,中南大学材料科学与『程系,长沙,410083
O1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseallrightsreservedhttp://www.cnki.net
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兵器材料科学与T.程
第24卷
量。然而,更高集成度和更快的运行速度会涉及到更
奥地利的攀时( PLAN SEE)公可、美国的
严重的散热题。解決题的办法是采用更好的封 POL ESE公司、H本的住友金属公司都用粉木冷金
装材料。」是,各种新型的封装材料不断涌现出来,的方法制得了w-Cu和Mo-Cu复合材料,并且实
其中,复个材料是发展的主流。复个材料可以得到用现了商业化生?W-Cu和Mo-cu复个材料同日
其它方法不可能得到的独特性能,所以,用」电子封融合了w、Mo的低膨胀高便度特性和Cu的高导
装的的金属基复合材料(简称MMC)一直是国外许热导电特性,表面可涂使Ni等镀层,从而具有‖常
多人公司和研究机构的热点课题。
良好的综性能。表3列H了常用的儿种w-Cu和
21铜基复合材料
MoCu封装材料的性能。
在因瓦个金板上双面覆以纯铜,制成Cu/h
表3WCu和MoCu封装材料的卞要性能
var/Cu复合板(简称CC),就兼备了Cu的高导热
密度
热导率
导电特性和因瓦合金的低膨胀特性与电磁屏蔽特
ppm/K
性。美国的得州仪器公司( Texas Instrum ents Co_)
W 90cu10
17.0
5.6~65
140170
最早并发了层状的CC复合材料,应用在F15战斗
W 85cu15
164
63-70
160~190
机的电了设备上8。德国的KYS公司将CC用在
W 80cu20
l56
7.~91
l80210
固态继电器中做功率模块的过桥(如图1所示)。
M o85cul5
100
65-71
l50~170
160
六角螺
Mo70cu30
97
7.6~&5
170200
CIC过柝
无组铜导电带
表数据出长沙华电了材料有限公司提供。
大砫片接焊接
日前,这炳种复合材料主要用做人功率微波管、
健合的铜底板
CB T42 AL Ny
人功率激光二极管以及某些人功率集成电路模块的
热沉( heat sink)。例如,“市斯盾”系统的AN/SPY
?1CC在固紫电器中做过桥
相控阵雷达,就采用W-Cu作为雷达徵波管的热
美国的AMAX公司和 Cli ax Specialty M et-。图2是一个w-15cu用做微波管热的实例2。
als公可?利用热轧复合的方法,:产出了CuMo
Cu复个材料(简称MC),并中请了相关
利s?。CMC的结构与CC一样,是三明治结构,
芯材为金属Mo,双面覆以尤氧铜或弥散强化尤氧
铜。(MC的膨胀系数同样具有可设计性,而使度、热
导率即比CC要高得多。因此,它经常应用在一些
比较重要的场个,用作热沉、引线框架和多层印刷线
图2人功率脉沖微波管的w-Cu热
路板(PCB)的低膨胀层与导热通道。表2是(MC和
PLAN SEE公司的w-Cu材料采用熔渗法
CC的性能比较。MC已应用在B2隐形轰炸札和造",即往多孔W坏块中渗入熔融的金属纨Cu,其
其它先进飞行j器的电子元件中
品的导热性能优良,W-15cu的热导率达到了
以上两种材料都具有的缺点是:(1)密度较人176W/m?K)。美国 POL ESE公司则采用FSS
(2)山于Cu的屈服而容易导致迟滯现象Q5m的超粉和高粉混仚,加入少量Co进
(hystere