航空航天用电子封装材料及其发展趋势

陈寰贝，庞学满，胡 进，程 凯

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

当前，电子器件在航空航天领域扮演了极其重要的角色。随着电子器件向着微型化、高度集成化方向快速发展，与之对应的是电子封装正在不断向小型化、高性能、高可靠性方向发展，如采用表面贴装技术、多芯片组件、高密度互连技术、三维封装技术等，这使得电子器件单位体积内的发热量剧增。而单个元件的失效率又与其工作温度呈指数关系，因此对器件的散热与内部热应力提出了更高的要求[1～2]。

对于电子器件封装材料而言，就需要更高的导热率及更好的热膨胀匹配系数。而在航天飞行器领域使用的电子系统中，在满足电子封装材料的其他基本要求的同时，轻质低密度是航空航天电子封装材料必须考虑的问题。据统计，在飞行器上，每1 kg有效负载的成本高达50 000英镑，对于通讯卫星而言成本更高，实际上是“克克计效”的状况[3]。由此可见，要满足航空航天未来的电子封装的发展，封装材料必须满足高热导率、与芯片匹配的热膨胀系数以及轻质低密度的要求[3]。由于高分子材料具有吸潮的特性，其对航空航天用电子器件的可靠性存在巨大隐患，因此一般只能采用金属材料与无机非金属材料。

2 封装材料性能对比

表1为不同芯片与封装材料的密度、热导率和热膨胀系数。可以看到封装常用的Kovar材料由于热导率低，只有17 W（m·K）-1，密度高达8.3 g·cm-3，已经不适用于航空航天的电子器件封装。像一些常用的高热导率封装材料，如W80Cu20、Mo80Cu20 、Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu等，其热导率都超过160 W（m·K）-1，并且拥有与芯片材料Si、GaAs较好的热膨胀系数匹配，但是这些材料的密度过大，使用起来会大幅增加器件的整体重量，对于航空航天来说也不是理想的封装材料。而像Al，由于密度只有2.7 g·cm-3，符合轻质要求，热导率大于221 W（m·K）-1，在航空航天器件中经常应用，但是其热膨胀系数较大，不能与芯片材料很好地匹配，会造成器件的使用寿命偏低。而同时符合高热导率、膨胀系数匹配及轻质低密度要求的材料中，介质材料有BeO、AlN，而在导体材料中有Al/SiC与AlSi。

表1 不同芯片与封装材料的性能参数[4～5]

表2中是最常使用的封装介质材料Al2O3、BeO和AlN物理参数的对比。可以看出，BeO和AlN都拥有与Al2O3相近的介电常数和低介电损耗，这保证了两种材料能够在高频段的电子器件中使用。并且两者拥有更高的使用温度、更低的密度及几倍于Al2O3的热导率。因此，相对于Al2O3，BeO和AlN在航空航天电子器件封装方面拥有明显的优势。

BeO由于这些性能优势已经广泛应用于大功率模块、RF/微波封装、高性能多芯片模块、球栅阵列（BGA）及二极管激光器等各种器件[6～9]。但是BeO是一种有毒物质，生产时需采取防护措施，并需要很高的加工温度，这使得BeO基板成本很高并且会污染环境。目前许多国家已将BeO粉和BeO陶瓷列入禁用材料。对含有BeO 的元件和系统的使用也有诸多限制。例如，一些国家和组织规定了电子制造设备不允许使用任何含有BeO材料的产品，日本和许多欧洲国家对BeO产品的使用限制越来越严格。并且BeO陶瓷加工困难，不能进行多层共烧工艺，限制了其应用[10～11]。

表2 Al2O3、BeO和AlN的性能参数[4～5]

对于AlN陶瓷，从表2中可以看出AlN导热性远高于Al2O3，但比BeO略低，AlN的热导率随温度变化缓慢，而BeO却随着温度的升高而急速下降。而对于功率器件通常温度为125 ℃或更高，在温度接近100 ℃时，二者的热导率已很接近。温度更高时，AlN的热导率反而优于BeO。从结构上来看，AlN陶瓷可以多层共烧实现封装一体化，并且AlN陶瓷的热膨胀系数又与Si接近，这样各类IC芯片和大功率器件就可以直接附着在AlN基片上而不需加过渡片，简化了工艺并能有效避免由热失配引起的失效，从而提高了电子部件的可靠性。此外，AlN的抗弯强度也明显优于BeO，所以AlN陶瓷封装可以更薄更轻更坚固可靠。最重要的是AlN陶瓷生产过程中无毒害，具有良好的环保优势[12～13]。BeO与AlN具体的可加工性能对比如表3所示。

因此，对于航空航天用电子器件来说，AlN材料是非常有应用前景的封装介质材料。在实际应用中，很多RF器件封装已经由AlN取代了BeO，含有BeO的电源和无线通信系统也将由AlN封装替代[14]。

对于导体材料，如前所述Al/SiC与AlSi材料由于同时满足与芯片良好的热膨胀匹配系数、高热导率及轻质低密度，在航空航天领域将逐步取代分别以Kovar、W-Cu、Mo-Cu为代表的第一、第二代专用电子封装材料，并且Al/SiC与AlSi作为复合金属材料可以通过调节材料内部不同组分的含量，获得不同的性能参数，从而满足不同需求的应用[15]。

表3 BeO与AlN可加工性能对比[14]

如表4所示，AlSi材料可以通过调节内部Al和Si的比例从而获得不同膨胀系数的材料，Al/SiC通过调节Al与SiC颗粒的含量也可使膨胀系数分布在一个较广的变化范围。两种材料正是由于这些性能优势，从而在航空航天方面的应用发展迅速。如CPS公司利用Al/SiC作为底座，陶瓷或玻璃作为绝缘子介质制备封装管壳，相对于之前的CuMo与CuW作为底座的管壳，重量减轻了40%～60%，并且与GaAs有更好的匹配性，热导率也高达200 W（m·K）-1[16]。

Tyco Space采用Osprey CE11牌号的AlSi材料制备的星用K波段放大器相对于之前的Kovar材料制备的样品，密度从8.42 g·cc-1降为2.5 g·cc-1，热导率则从17 W（m·K）-1提高到140 W（m·K）-1。

Ericsson Microwave采用了AlSi材料制备的雷达组件封装外壳，其中盖板采用了Osprey CE11 AlSi材料替代CuMo，密度从10 g·cc-1降为2.5 g·cc-1，而热导率则基本相当，CuMo材料为170 W（m·K）-1，CE13 AlSi材料为160 W（m·K）-1。其腔体材料则采用CE9 AlSi材料替代Kovar材料，腔体密度从8.4 g·cc-1降为2.5 g·cc-1，热导率从17 W（m·K）-1提高到150 W（m·K）-1[17]。

Al/SiC与AlSi虽然在特点与应用上极为相似，但两者之间还是存在着性能差异，如表5所示。Al/SiC材料中由于SiC颗粒属于耐磨材料硬度很高，使得Al/SiC材料拥有较好的强度，但同时也造成了Al/SiC材料加工成型困难。常规的机加工手段如铣削、车削、磨削、线切割与机械钻孔等手段都难以加工，一般需要将Al/SiC材料先成型获得粗坯，再采用特殊的加工手段如电火花线切割、电火花成形、金刚石工具、激光等对Al/SiC封装构件进行各种后续机械加工，以满足使用要求。

表4 不同牌号的Al/SiC、AlSi材料的性能参数[18～19]

由于基体Al合金和SiC粉末的物理性能相差较大，造成了Al/SiC材料的电镀相对困难，并且难以使用激光封焊，需要采用锡焊工艺进行封帽，无形中增加了器件的总重量。相对而言，AlSi材料拥有较好的加工性能，可以进行普通的机械加工。但是其也存在脆性大的缺点，特别是高硅含量的AlSi材料由于随着硅含量的不断增加，初晶硅和共晶硅的组织变得愈加粗大，导致材料韧性、塑性变差，材料更脆。

随着AlSi材料制备技术的提高，如Osprey公司用喷射沉积方法制备高硅铝硅合金，由于喷射沉积方法的特点，整个过程中硅和铝没有排斥作用，不会产生凝固偏析，材料内部组织均匀，有效地降低了材料的脆性，使其能够有较好的机加工性能[20]。

基于相对较好的机加工性能与更低的密度，在航空航天电子封装领域AlSi比Al/SiC可能更有优势一些。

表5 Al/SiC与AlSi性能对比

3 结束语

航空航天事业快速发展，对于航空航天用电子器件提出了体积更小、集成化更高、质量更轻的要求，AlN、Al/SiC与AlSi材料由于其高热导率、与芯片材料良好的热膨胀匹配性能、轻质低密度等特性，必定在航空航天用电子封装材料中拥有非常广阔的应用前景。

[1] 李婷婷，彭超群，王日初，王小锋，刘兵. 电子封装陶瓷基片材料的研究进展[J]. 中国有色金属学报，2010，（20）：1365-1374.

[2] 熊德赣，程辉，刘希从，赵恂，鲍小恒，杨盛良，堵永国. AlSiC电子封装材料及构件研究进展[J]. 材料导报，2006，（20）：111-115.

[3] 张伟，杨伏良，甘卫平，刘泓. 电子封装用高硅铝合金热膨胀性能的研究[J]. 材料导报，2006，（20）：348-350.

[4] 田民波，梁彤翔，何卫. 电子封装和封装材料[J]. 半导体情报，1995，（32）：42-61.

[5] 甘卫平，陈招科，杨伏良，周兆峰. 高硅铝合金轻质电子封装材料研究现状及进展[J]. 材料导报，2004，（18）.

[6] Larson S E, J Slaby. Comparison of various substrate technologies under steady state and transient conditions[C]. in Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 2004. ITHERM'04. The Ninth Intersociety Conference on. 2004.

[7] Vaed K, J Florkey, S A Akbar, M J Madou, J J Lannutti,S S Cahill. An additive micromolding approach for the development of micromachined ceramic substrates for RF applications [J]. Microelectromechanical Systems, Journal of, 2004,（13）：514-525.

[8] Li X, H Ma, G Zuo, W Liu, Y Zheng, J Li, S Li, X Jia.Low-temperature sintering of high-density aluminium nitride ceramics without additives at high pressure [J].Scripta materialia, 2007,（56）：1015-1018.

[9] 张兆生，卢振亚，陈志武. 电子封装用陶瓷基片材料的研究进展[J]. 材料导报，2008，（22）：16-20.

[10] 张海坡，阮建明. 电子封装材料及其技术发展状况[J].粉末冶金材料科学与工程，2003，（8）：216-223.

[11] 汤涛，张旭，许仲梓. 电子封装材料的研究现状及趋势[J]. 南京工业大学学报，2010，（32）：105-110.

[12] 郑小红，胡明，周国柱. 新型电子封装材料的研究现状及展望[J]. 佳木斯大学学报，2005，（23）：460-464.

[13] 燕东明，高晓菊，刘国玺，常永威，乔光利，牟晓明，赵斌. 高热导率氮化铝陶瓷研究进展[J]. 硅酸盐通报，2011，（30）：602-607.

[14] 李秀清. AlN陶瓷封装的研究现状[J]. 半导体情报，1999，（36）：13-20.

[15] 何新波，任树彬，曲选辉，郭志猛. 电子封装用高导热金属基复合材料的研究[J]. 真空电子技术，2010，（04）：1-4.

[16] Advanced Space and Defense Microelectronic Devices Enabled by Ultra-Lightweight Osprey CE Alloys [EB/OL]. www.alsic.com.

[17] CPS AlSiC Hermetic Packaging [EB/OL]. www.ospreymetals.com.

[18] 龙乐. 电子封装中的铝碳化硅及其应用[J]. 电子与封装，2006，6（6）：16-20.

[19] 解立川，彭超群，王日初，王小锋，蔡志勇，刘兵.高硅铝合金电子封装材料研究进展[J]. 中国有色金属学报，2012，（22）：2578-2587.

[20] 王敬欣，张永安. 应用于电子封装的新型硅铝合金的研究与开发[J]. 材料导报，2001，（15）：18-20.