电子封装材料的研究与应用

张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所 河南洛阳 471023



电子封装材料的研究与应用

张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所 河南洛阳 471023

对电子封装材料的分类、制备方法和主要性能要求进行了概述，从陶瓷基封装材料、环氧树脂封装材料、金属基封装材料、金属基复合封装材料四方面对电子封装材料进行了介绍，并对电子封装材料的应用与发展趋势进行了展望。

电子封装材料； 研究； 应用； 综述

随着现代电子信息技术的提高，电子产品已向小型化、便携化、多功能化方向发展，同时，电子封装的材料、技术和工艺也与电子产品的设计和制造一起,共同推动着信息化社会的发展。电子封装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料，最早用于封装的材料是陶瓷和金属，随着电路密度和功能的不断提高，对封装技术提出了更多更高的要求，同时也促进了封装材料的发展。

1 电子封装材料概述

1.1 电子封装材料分类

电子封装材料分类有多种,一般可以按照封装结构、形式和材料组成来分。从封装结构分,电子封装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料；从封装形式分,可分为气密封装和实体封装；从材料组成分,可分为金属基、塑料基和陶瓷基封装材料[1]。

目前,电子封装复合材料主要有四大类： ① PMC复合材料,即聚合基复合材料；② MMC复合材料,即金属基复合材料；③ CCC复合材料,也称碳/碳复合材料；④ CMC复合材料,即陶瓷基复合材料。四大类材料中,金属基复合材料是研究最早、理论描述最为完善的一类复合材料。

1.2 制备方法

高体分SiC/Al复合材料具有优异的机械和热物理性能，使其在电子封装领域具有巨大的潜力。近20年来，研究人员对其制备技术进行了积极的探索，开发了若干种高体分SiC/Al复合材料制备方法。目前比较成熟的工艺有搅拌铸造、粉末冶金、液相浸渗、喷射沉积等。

SiCp/Cu电子封装材料有望成为继SiCp/Al后的新一代电子封装材料，开展SiCp/Cu电子封装材料的研究具有十分重要的理论和实际意义。

目前，SiCp/Cu电子封装材料的制备方法主要有粉末冶金法、放电等离子烧结法、无压浸渗法、压力浸渗法和反应熔渗法等，见表1。

表1 SiCp/Cu电子封装材料的制备方法[2]

1.3 主要性能要求

(1) 塑料封装材料。塑料封装具有价格低、质量轻、绝缘性能好等优点，所使用的材料主要是热固性塑料，包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类，其中以环氧树脂应用最为广泛。

(2) 陶瓷封装材料。陶瓷封装属于气密性封装，陶瓷封装材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。陶瓷封装的优点是耐湿性好、机械强度高、热膨胀系数小和热导率高，Al2O3陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷封装材料，以其价格低廉、耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和加工技术成熟而被广泛应用。

(3) 金属封装材料。金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点，传统的金属封装材料有Cu、Al、Mo、W、Kovar、Invar以及W/Cu和Mo/Cu合金。

(4) 金属基复合封装材料。金属基复合材料的基体通常选择Al、Mg、Cu或者它们的合金。这些纯金属或合金具备良好的导热导电性能、良好的可加工性能及焊接性能，同时它们的密度也很低(如Al和Mg)。增强体应具有较低的热膨胀系数(CTE)、高的导热系数、良好的化学稳定性、较低的成本，同时增强体应该与金属基体有较好的润湿性，包括Cu基复合封装材料、Al基复合封装材料、碳纤维增强镁基复合材料。

目前，集成电路正朝小型化、高密度组装化、低成本、高性能和高可靠性方向发展，对基板、布线材料、密封材料、层间介质材料提出了更高要求，需开发出性能好、低成本的电子封装材料，这对金属基电子封装复合材料的发展提供了巨大的空间。通过改变金属基复合材料中增强体的形状、大小、体积分数，寻找一种不仅与基板的导热性能相匹配，又具有良好力学性能，而且制造方法经济适用的电子封装材料，是研究金属基电子封装复合材料的发展方向，几种常用封装材料性能指标见表2。

表2 几种常用封装材料性能指标[3]

2 电子封装材料研究现状

2.1 陶瓷基封装材料

陶瓷基封装材料是一种常用的电子封装材料,相对于塑料基和金属基,其优势在于： ① 低介电常数,高频性能好;② 绝缘性好、可靠性高;③ 强度高,热稳定性好;④ 热膨胀系数低,热导率高;⑤ 气密性好,化学性能稳定;⑥ 耐湿性好,不易产生微裂现象。

微电子技术要求器件封装具有密集、轻薄、快速、成本低和散热快的特点，陶瓷封装基本上能满足以上要求,但是成本较高,适用于高级微电子器件的封装,如航空航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的封装；在移动通信、家用电器、汽车等领域也有着广泛应用。

美国、日本等国相继开发出多层陶瓷基片,使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷，目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、AlN、BeO、SiC和莫来石等。

2.2 环氧树脂封装材料

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，由于其分子结构中含有活泼的环氧基团,能与胺、酸酐、咪唑、酚醛树脂等发生交联反应,形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。这种聚合物结构中含有大量的羟基、醚键、氨基等极性基团,从而赋予材料许多优异的性能,比如优良的黏着性、机械性、绝缘性、耐腐蚀性和低收缩性,成本比较低，配方灵活多变，易成型，生产效率高等,使其广泛应用于电子器件、集成电路和发光二极管(LED)的封装。

环氧树脂中加入纳米材料是一种行之有效的改性方法。纳米材料的表面非配对原子多,与环氧树脂发生物理或化学结合的可能性大,增强了粒子与基体的界面结合,因而可承担一定的载荷,具有增强、增韧的可能,过精细控制无机超微粒子在环氧树脂中的分散与复合,能以很少的无机粒子体积含量,在一个相当大的范围内有效地改善复合材料的综合性能,增强、增韧、抗老化,且不影响材料的加工特性。因此,如能采用有效的方法解决纳米材料在环氧基体中的分散问题,将有可能制备出强度好、韧性高、耐热的高性能封装材料。

环氧模塑料(EMC)是由酚醛环氧树脂、苯酚树脂和填料(SiO2)、脱模剂、固化剂、染料等组成,具有优良的黏结性、优异的电绝缘性、强度高、耐热性和耐化学腐蚀性好、吸水率低、成型工艺性好等特点,以EMC为主的塑料封装占到封装行业的90%以上。

随着科技的进步，电子产品的小型化和轻型化，使环氧电子封装材料成为环氧树脂的一个重要应用领域。目前，环氧电子封装材料除了广泛应用于电子器件制造业外，还是航空航天、汽车、电器等元部件灌封中不可或缺的重要绝缘封装材料。

当前,伴随着电子产品高密度高性能的要求，出现了许多新的发展形式,电子封装的概念已从传统的器件转为系统,即在封装的信号传递、支撑载体、热传导、芯片保护等传统功能的基础上进一步扩展,利用薄膜、厚膜工艺以及嵌入工艺，将系统的信号传输电路及大部分有源、无源元件进行集成,并与芯片的高密度封装和元器件外贴工艺相结合,从而实现对系统的封装集成,达到真正的高密度封装。封装面向系统在国际上已成为该领域的制高点,各大公司都在投入巨资进行开发。高分子材料的发展将为封装技术的革命提供更多可选择的新型材料,特别是塑料共混改性技术的发展,一系列高性能、新功能、低成本新材料大量涌现。将反应性挤出增容技术、分子原位复合技术、反应性挤出合成技术等新技术应用于封装材料的研究,必将大大推动封装技术的进步和发展。高分子材料的改性新技术与面向系统的封装相结合,有可能导致封装技术的新革命[4]。

2.3 金属基封装材料

金属基封装材料较早应用到电子封装中,因其热导率和强度较高，加工性能较好,至今仍在研究、开发和推广中，但是传统金属基封装材料的热膨胀系数不匹配、密度大等缺点妨碍了其广泛应用。

传统金属基封装材料已不能满足要求,所以新型金属基封装材料要具有合适的热膨胀系数、轻质高强、高导热性能。目前研究重点为Si/Al合金、SiC/Al合金、Cu/C纤维封装材料、Cu/ZrW208(TiNi)负热膨胀材料等。目前传统的金属及金属基封装材料主要有Al、Cu、Mo、W、Kovar、Invar和W-Cu等。

针对高硅铝合金复合材料，欧盟率先启动了BRITE/EURAM研发项目，在Osprey Metal公司、Alcatel Space公司和GEC-Marconi公司的通力合作下，采用喷射沉积技术及后续加工技术，研制出了CE系列(Controlled Expansion线热膨胀系数可控)高硅铝基电子封装材料[5]。

Diamond/Cu复合材料具有作为电子封装材料所需要的优良性能,并且根据具体的使用需要,能通过调整复合材料中Diamond和Cu的比例,设计其最终的热导率和热膨胀系数的范围,而Diamond/Cu复合材料已成为了国内外电子封装领域研究的重点。

Diamond/Al复合材料作为第四代电子封装材料，具有高热导率、低热膨胀系数和低密度等优良性能，成为研究重点，美国、日本和英国等发达国家已开始将Diamond/Cu、Diamond/Al等第四代封装材料应用在军用便携计算机、高性能服务器、航空航天电子设备、光电子系统及离子显示器等领域。对于Diamond/Al复合材料的研究，国外起步较早，主要集中在美国、日本和瑞士等发达国家，研究成果也较多，其制备过程中要解决的主要问题是保证Diamond颗粒与基体具有良好的界面结合，目前其制备方法主要有挤压铸造法、浸渗法和放电等离子烧结法等。

国外的Diamond/Cu复合材料的研究主要集中在美国、日本、欧洲。2002年，日本SEI公司制备出Diamond/Metal Composite for Heat Sink(DMCH)金刚石/铜复合材料，其主要性能见表3。

表3 SEI公司Diamond/Cu复合材料的主要性能[6]

2.4 电子封装用金属基复合材料

从性能方面来看，传统材料如以Al、Cu、Kovar、Invar、Mo-Cu等为代表的第一代和第二代封装材料，已无法满足航空航天新领域及高集成电子器件对封装材料综合性能的高要求。而以高导热碳材料(Diamond、碳纤维、热解石墨、碳纳米管、石墨烯)、SiC颗粒、Si颗粒为增强体，与Al、Cu、Ag等金属复合得到的金属基复合材料(Metal Matrix Composites， MMC)，具有高热导率、轻质、低热膨胀系数等优良的热物理性能，是高性能组件封装壳体的优选材料，正成为国内外相关领域的研究热点。

金属基电子封装复合材料的基体主要为Cu和Al,按增强体和材料结构的不同可分为颗粒增强型、纤维增强型和平面复合型。颗粒增强型和纤维增强型是金属基电子封装复合材料的重要形式,它们发展较早,如今广泛应用于封装领域。

Cu基复合材料充分发挥了基体Cu的高导电、导热特性，以及复合层的高强度、高硬度、低热膨胀系数的特性,因而具有良好的综合性能。就目前来看,Cu基电子封装材料以复合的特点来分,主要有颗粒增强型、纤维复合型、平面复合型三大类[8]。

Al基复合材料不仅比强度、比刚度高,而且导热性能好、线热膨胀系数可调、密度较低,作为电子封装元器件的选材,具有很大的开发应用潜力。常用的增强体包括C、B、碳化物(SiC,TiC)、氮化物(AlN,Si3N4)和氧化物(A12O3,SiO2);基体合金则可为纯Al,或6061、6063、2024合金等。由于Al合金本身的线热膨胀系数较大,为使其线热膨胀系数与Si、Ge、GaAs等半导体材料相近,常须采用高体积分数的增强体与其复合,添加量甚至高达70%,但若用作与玻璃匹配的封装材料,添加量则可以少些。物理性能的可控性,使Al基复合材料不仅能在结构上支持电子元件,而且保护其免于恶劣环境的影响并散热,显示出明显的优势。美国铝产品公司自1980年起致力于Al基复合材料的研究,并成功地将体积分数(SiCp)为70%、73%的Al基复合材料用于半导体的封装,提高了封装的可靠性和散热能力。国内多家单位和高校也开展了对Al基复合材料的研究。

碳纤维增强Mg基复合材料与Mg合金相比，基体合金除具有的低密度、高热传导性、高电导性、良好的阻尼减振性、优良的电磁屏蔽特性和易加工等性能外，还克服了Mg合金尺寸稳定性差、热膨胀系数高、蠕变抗力小等缺点。在航空航天、电子封装、汽车工业及军工制造等高精密器械等领域，具有广阔的应用前景。由于Mg及其合金的熔点较低(650℃左右)，C/Mg复合材料通常采用液态法来制备，如真空压力浸渗、模压铸造、真空吸铸和浇铸等。在制备过程中，存在的最大困难就是液态Mg不能润湿碳纤维，不能形成良好的界面结合。因此，液态Mg和碳纤维在界面处的物理和化学行为将极大地影响复合材料的性能。

3 电子封装材料的应用

随着航空航天领域的迅速发展，所应用的电子器件不断微型化、高度集成化，并且可靠性要求越来越高，其电子封装材料具有更高的热导率及与芯片热膨胀系数的匹配性，还要求其电子封装材料具有更低的密度。BeO、AlN、Al/SiC与AlSi由于具有高热导率、低密度及与芯片材料良好的热膨胀匹配性，非常符合航空航天用电子封装材料的发展趋势，并已经逐步取代常用的一些封装材料，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。

由于塑料封装半导体芯片的材料成本低，又适合于大规模自动化生产，近年来无论晶体管或集成电路都已越来越多地采用塑料封装，陶瓷和金属封装正在迅速减少。现在，整个半导体器件90%以上都采用塑料封装，而塑料封装材料中90%以上是环氧塑封料，这说明环氧塑封料已成为半导体工业发展的重要支柱之一[9]。

环氧塑封料有两个趋势，一个是要无铅化，要承受260℃无铅工艺条件的考验；另一个就是要从非环保向环保过渡，要无溴、无锑等。目前，面对全球范围内日益高涨的环境保护需求，发展具有自主知识产权的新一代环氧塑封料产品具有十分重要的理论与现实意义，只有不断开发和改进环氧塑封料，才能满足半导体器件的可靠性。同时，应积极探索新型塑封料，以满足超薄、微型化、高性能化、多功能化、低成本化以及环保封装的要求。

封装技术在不断向高集成度、高封装密度、小尺寸的方向发展,除了传统的环氧塑封料性能不断更新之外,还需要一系列高性能的先进封装材料。PI树脂、液体环氧封装材料、高性能黏接材料。新型高功能封装材料,如PI树脂、BCB树脂、BT树脂、液体包封胶、导电胶、导热胶等正蓬勃发展[10]。

自20世纪80年代末以来，SiCp/Al复合材料在美国、日本等发达国家得到广泛研究开发，并首先被美国军方应用于机载有源相控阵雷达的GaAs毫米波微波集成电路收/发组件(MMIC—T/R module)封装外壳中，不仅提高了T/R组件性能，而且大大减轻了质量，明显降低了机载和空基系统的成本。SiCp/Al复合材料作为轻质电子封装及热控元件还在一系列先进航空航天器中获得了应用。如： F-18大黄蜂战斗机、欧洲台风战斗机、EA-6B徘徊者预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器，摩托罗拉铱星、火星探路者和卡西尼深空探测器等航天器。在F-22猛禽战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统中，替代包Cu的Al和包Cu的Invar合金作为印刷电路板板芯，取得了减重70%的显著效果。这种材料还被用作F-22战斗机的电子元器件基座及外壳等热控结构等。经过十多年的开发和研究，SiCp/Al复合材料已广泛应用于多种军用和民用功率模块的基板、功率放大器的热沉、微处器封盖及散热板、空冷和液冷冷却板、载体、封装基板等。

高体分SiC颗粒增强Al(SiCp/Al)是第三代电子封装材料的代表，在发达国家已进入实用阶段。从20世纪开始，美国休斯公司、西屋公司为机载预警雷达开发,使用了该材料，成功改进了美军机载电子系统的效能。随后，它又作为新型轻质电子封装及热控材料在一系列为世人所瞩目的先进航空航天器上获得了正式应用。

在未来相当长的时间内,电子封装材料仍以塑料基为主。发展方向为： ① 超大规模集成化、微型化、高性能化和低成本化;② 满足BGA、CSP、MCM等先进新型封装形式的新型环氧模塑料;③ 无卤、锑元素,绿色环保,适用于无铅焊料工艺的高温260℃ 回流焊要求;④ 开发高纯度、低黏度、多官能团、低吸水率、低应力、耐热性好的环氧树脂。新型环氧模塑料将走俏市场,有机硅类或PI类很有发展前景。

在军事、航空航天和高端民用电子器件等领域,陶瓷基封装材料将向多层化方向发展,低温共烧陶瓷具有广阔的前景。多层陶瓷封装的发展重点是可靠性好、柔性大、成本低，高导热、高密封的AlN开发潜力巨大,应在添加物的选择与加入量、烧结温度、粉料粒度、氧含量控制等关键技术上进行重点突破。

单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求，只有金属基复合材料才能全面满足以上要求。由于电子封装用金属基复合材料具有无可比拟的性能和成本优势,必然具有广阔的应用天地。未来的金属基封装材料将朝着高性能、低成本、低密度和集成化的方向发展，轻质、高导热和CTE匹配的Si/Al、SiC/Al合金将有很好的前景。

随着微电子封装技术朝多芯片组件(MCM)和表面贴装技术(SMT)发展,传统封装材料已不能满足高密度封装要求,必须发展新型复合材料,电子封装材料将向多相复合化方向发展。

4 结束语

现在的集成电路向小型化、高密度组装化、低成本、高性能和高可靠性发展，这对基板、布线材料、密封材料、层间介质材料提出了更高的要求，需要性能好、低成本的电子封装材料。电子封装的概念也已从传统的面向器件转为面向系统,封装材料无铅化、高性能化已成为必然趋势。这些变化必将对电子封装业,甚至整个电子制造业的繁荣进步产生积极且深远的影响。

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(编辑： 丁 罡)

The classification, preparation method and main performance requirements of electronic packaging materials were summarized. The electronic packaging materials were introduced from four aspects： ceramic-based packaging materials, epoxy resin packaging materials, metal-based packaging materials and metal-based composite packaging materials. The application and development trend of electronic packaging materials were prospected.

Electronic Packaging Material； Research； Application； Overview

2016年11月

张文毓(1968— )，女，高级工程师，主要从事情报研究工作， E-mail： zwy68218@163.com

TM201.3

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