電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀
時(shí)間:2005-08-30
微電子技術(shù)的飛速發(fā)展也同時(shí)推動(dòng)了新型封裝材料的研究和開(kāi)發(fā)。本文綜述了電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究和發(fā)展?fàn)顩r，并以A1／SiCp為重點(diǎn)，分析對(duì)比了目前國(guó)內(nèi)外的差距，提出了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及方向。
1引言
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展日新月異。自1958年第一塊半導(dǎo)體集成電路問(wèn)世以來(lái)，到目前為止，IC芯片集成度的發(fā)展仍基本遵循著著名的Moore定律[1]。芯片集成度的提高必然導(dǎo)致其發(fā)熱率的升高，使得電路的工作溫度不斷上升，從而導(dǎo)致元件失效率的增大。與此同時(shí)，電子封裝也不斷向小型化，輕量化和高性能的方向發(fā)展，二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，各種高密度封裝技術(shù)，如芯片尺寸封裝(CSP)，多芯片組件(MCM)及單極集成組件(SLIM)等的不斷涌現(xiàn)[2]，進(jìn)一步增大了系統(tǒng)單位體積的發(fā)熱率。為滿(mǎn)足上述IC和封裝技術(shù)的迅速發(fā)展，一方面要求對(duì)封裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；同時(shí)，為從根本上改進(jìn)產(chǎn)品的性能，全力研究和開(kāi)發(fā)具有高熱導(dǎo)及良好綜合陛能的新型封裝材料顯得尤為重要。
熱膨脹系數(shù)(CTE)，導(dǎo)熱系數(shù)(TC)和密度是發(fā)展現(xiàn)代電子封裝材料所必須考慮的三大基本要素，只有能夠充分兼顧這三項(xiàng)要求，并具有合理的封裝工藝性能的材料才能適應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的要求。傳統(tǒng)的封裝材料很難同時(shí)兼顧對(duì)上述各種性能的要求，而金屬基復(fù)合材料(MMC)則恰恰可以將金屬基體優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和增強(qiáng)體材料低膨脹系數(shù)的特陛結(jié)合起來(lái)[3]，獲得既具有良好的導(dǎo)熱性又可在相當(dāng)廣的范圍內(nèi)與多種不同材料的CTE相匹配的復(fù)合材料。因此，自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，伴隨著各種高密度封裝技術(shù)的出現(xiàn)，電子封裝用MMC也同時(shí)得到了大力的發(fā)展。1992年4月在美國(guó)SANDIEGO舉行的TMS年會(huì)上對(duì)作為電子封裝用MMC進(jìn)行了廣泛的討論[4]，一致認(rèn)為封裝材料是MMC未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。本文則綜述了近十余年來(lái)電子封裝用MMC的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其未來(lái)的發(fā)展方向。
2電子封裝用MMC的研究現(xiàn)狀
MMC由基體金屬的增強(qiáng)體兩部分構(gòu)成。目前電子封裝用MMC的基體仍以A1、Cu、Mg及工程中常用的鋁合金、銅合金及鎂合金為主，這主要是由其良好的導(dǎo)熱，導(dǎo)電及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能所決定的。改變或調(diào)整基體成分將在以下兩個(gè)方面影響材料的性能，首先表現(xiàn)在對(duì)基體材料本身熱物性的影響，例如隨鋁中含硅量的升高，鋁合金本身的CTE也隨之降低，從而更有利于獲得具有低CTE的復(fù)合材料[5]；其次則表現(xiàn)為對(duì)基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合狀況的影響，如通過(guò)在Cu中加入適量的Fe將明顯提高基體Cu與作為增強(qiáng)體的碳纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度，復(fù)合材料的CTE也因此得以降低[6]。通過(guò)熱處理工藝同樣也會(huì)改變基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合狀況，進(jìn)而影響材料的熱性能。Reeves和Tumal等人[8]研究了熱處理對(duì)Ti／SiCp和Ti／TiB2p熱性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)Ti／SiCp而言，高溫處理(950T)將使材料TC值下降。分析認(rèn)為，這是由于熱處理增大了界面反應(yīng)層的厚度，從而界面熱阻增大，導(dǎo)致熱性能惡化。與Ti／SiCp相比，Ti／TiB2p在材料制備過(guò)程的界面反應(yīng)較為輕微，因此Ti／TiB2p的導(dǎo)熱性能在熱處理的開(kāi)始階段有所改善，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也同樣對(duì)材料的熱性能不利。除以上討論的合金元素的加入，界面的結(jié)合狀況以外，其它，如殘余應(yīng)力的大小[9]增強(qiáng)體的形狀，孔洞的存在等因素[10-12]也會(huì)在一定程度上影響復(fù)合材料的熱性能。
應(yīng)當(dāng)指出，通過(guò)深入研究上述諸因素對(duì)復(fù)合材料熱物性的影響，可優(yōu)化各工藝參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)一步改善材料的性能。也正是基于這個(gè)原因，人們?yōu)榇俗髁舜罅可钊肭壹?xì)致的工作。但根據(jù)復(fù)合材料性能的混合法則，一旦基體金屬確定后，MMC的性能將主要由增強(qiáng)體本身的性能指標(biāo)所決定。對(duì)于電子封裝用MMC而言，由于增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通常較高，其本身的性能對(duì)材料最終的性能的決定作用將更為突出。
用作復(fù)合材料增強(qiáng)體的種類(lèi)很多，根據(jù)形貌可分為長(zhǎng)纖維、短纖維、晶須和顆粒四大類(lèi)。作為電子封裝材料使用時(shí)，增強(qiáng)體的選擇應(yīng)從以下幾個(gè)方面衡量：低的CTE和高的TC；與基體材料具有良好的相容性；密度小且成本低[13]。人們?yōu)榇艘策x擇了多種不同的復(fù)合材料體系，并作了大量的嘗試性研究。表[13,14]列出了幾種典型的復(fù)合體系的熱性能指標(biāo)。為方便比較，作為芯片用材料的Si和GaAs以及用作基片的A1203，BeO和A1N等陶瓷材料的性能數(shù)據(jù)也同時(shí)列于表1中。可見(jiàn)，盡管Cu／W及Cu／Mo的CTE和TC值均較為理想，但密度過(guò)高。BeO作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其綜合性明顯優(yōu)于其它材料，但遺憾的是，BeO是一種有毒物質(zhì)，其粉塵會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害，因此各國(guó)對(duì)BeO產(chǎn)品使用的限制也越來(lái)越嚴(yán)。金剛石的價(jià)格過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。對(duì)TAl-SiCp體系而言，其發(fā)展的主要障礙在于過(guò)高的SiC。含量材料很難通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)加工成型。而對(duì)于A(yíng)l-Si體系而言，為滿(mǎn)足熱性能的要求，也要求具有高硅含量，因此同樣存在材料的成型問(wèn)題。盡管含硅量較低的Al-Si合金可以通過(guò)熔化鑄造成型，但是在感興趣的范圍內(nèi)(50-90wt％Si)，由于極端粗大的初晶硅相的存在，導(dǎo)致材料極度各向異性，已不再適合電子封裝的應(yīng)用。發(fā)展新的成型工藝，如粉末冶金工藝和噴射成型工藝則是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展方向[14]。其它專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，以封裝材料為應(yīng)用背景的復(fù)合體系還有很多。可利用高性能連續(xù)碳纖維(如AMOCO公司研制的K1100，其軸向熱導(dǎo)達(dá)1100W／(m·K))作為增強(qiáng)體材料[15]。甚至有人將因具有形狀記憶效應(yīng)而表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹系數(shù)的Ni-Ti合金棒鑲?cè)算~中，即使合金棒的體積分?jǐn)?shù)為35％，材料的徑向CTE也已達(dá)4．0ppm／K，TC為264W／(m·K)[16]。
選擇不同的復(fù)合材料體系，研制新型的電子封裝材料用MMC也是研究的另一個(gè)重要方向，但十余年的研究表明，很難找到一種各項(xiàng)性能指標(biāo)均十分理想的復(fù)合材料體系。因此對(duì)某一體系，需明確其發(fā)展的突破口，有針對(duì)性的加以研究。
3電子封裝用A1/SiCp的研究及發(fā)展方向
在各種封裝用MMC中，最先引起人們的注意并得到大力發(fā)展的是Al／SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料[5,17-19]。這一方面是由于SiCp本身具有優(yōu)良的物理性能：CTE4．OppnVK，彎度3．2g／cm3隨純度和微結(jié)構(gòu)的不同，其TC位于80-200W／(m·K)之間，高純SiC甚至達(dá)400W／(m·K)p"；另一方面則是因?yàn)镾iC。作為磨料的市場(chǎng)已非常成熟，價(jià)格較低的緣故。前已述及，由于在實(shí)際使用過(guò)程中，封裝用MMC將與半導(dǎo)體芯片或陶瓷基板直接接觸，這就要求兩者的CT冕盡可能的匹配。對(duì)AI／SiCp而言，為滿(mǎn)足這一性能要求，SiC。的體積分?jǐn)?shù)均需在55-75％這一范圍。常規(guī)的復(fù)合材料制備工藝，如攪拌鑄造法和粉末冶金法已不再適用于電子封裝用A1／SiCp，同時(shí)對(duì)于異形部件而言，也很難用傳統(tǒng)的機(jī)加工成型，更談不上規(guī)?；纳a(chǎn)了。只有發(fā)展凈成型工藝才能有效地解決這一問(wèn)題。因此，可以說(shuō)成型問(wèn)題即是AI／SiCp在電子封裝領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的突破口。
自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，美國(guó)的一些公司即已開(kāi)始著手發(fā)展直接用于電子封裝Al／SiCv的一次成型工藝。目前Ceramics Process Systems Corp．(CPS)，PCC Composites以及Lanxide Electronic Component均已實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)[21]。英國(guó)的GEC-Marconic Research Center也曾專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)對(duì)其進(jìn)行研究[22]?？珊?jiǎn)單地將復(fù)合材料的凈成型分為素坯的凈成型及金屬與素坯的復(fù)合兩個(gè)階段，而前者則是能否最終實(shí)現(xiàn)MMC一次成型的關(guān)鍵。素坯的成型基本上采用陶瓷素坯的工藝，且為滿(mǎn)足異形部件生產(chǎn)的要求，基本上采用濕法成型工藝。CPS采用QuickSetTM工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)素坯的成型[23]QuickSetTM實(shí)際上是一種陶瓷素坯成型工藝的改進(jìn)。SiC漿料的固化采用溫度誘導(dǎo)法，即是將制備好的漿料注模后迅速冷致一定的溫度，隨后將固化的漿料置于低于有機(jī)溶劑蒸汽壓的環(huán)境中使用使其迅速揮發(fā)。利用該工藝，SiCp的體積分?jǐn)?shù)可控制在60-70％，邑產(chǎn)品具有很高的尺寸精度，不足之處在于該工藝較為繁瑣，且周期較長(zhǎng)。PCC Composite主要?jiǎng)t通過(guò)加入有機(jī)粘接劑來(lái)實(shí)現(xiàn)SiCp漿料的固化，因此在壓滲之前需對(duì)素坯進(jìn)行高溫脫脂處理，因而容易造成素坯的分層及開(kāi)裂，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
國(guó)內(nèi)目前從事電子封裝用AI／SiCp的研制與開(kāi)發(fā)工作的有北京航空材料研究院和上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等少數(shù)幾家單位。從產(chǎn)品的性能上看，相同SiCp體積分?jǐn)?shù)的材料，CTE和密度已完全達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的指標(biāo)，只是TC值偏低(1 30-1 80W／(w，K))。分析認(rèn)為，其主要原因在于所使用SiCp增強(qiáng)全導(dǎo)熱性能上的差異所致。熱物性中，CTE對(duì)材料的成分并不敏感，但TC的大小卻與所使用的原材料密切相關(guān)。目前國(guó)內(nèi)基本上直接使用作為磨料的SiCp作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，TC偏低，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)熱性的下降。從素坯的制備工藝看，北京航空材料研究院也采用有機(jī)粘接劑來(lái)實(shí)現(xiàn)SiC坯體的成型，當(dāng)然同樣也存在排粘的問(wèn)題。金屬與坯體的復(fù)合則采用無(wú)壓浸滲的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室則借鑒陶瓷素坯的膠態(tài)成型工藝，針對(duì)復(fù)合材料用素坯的特點(diǎn)，以水作為介質(zhì)，通過(guò)加人少量無(wú)機(jī)粘接劑實(shí)現(xiàn)漿料的固化，并通過(guò)后續(xù)的壓滲工藝成型[24-25]，且已實(shí)現(xiàn)了封裝用Al／SiCp的近凈成型，目前仍在漿料的固化以及產(chǎn)品的尺寸精度的控制上作深入的研究。
4結(jié)束語(yǔ)
MMC由于其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)引起了人們的廣泛關(guān)注，并伴隨電子封裝技術(shù)的迅速發(fā)展而不斷發(fā)展。而其中AVSiC。復(fù)合材料由于性能和成本上的優(yōu)勢(shì)已成為現(xiàn)代微電子元器件的理想封裝材料，特別在高密度封裝、軍事及航空航天工業(yè)中更是具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該種材料在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，但目前仍屬禁止出口產(chǎn)品之列。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的研究及生產(chǎn)水平尚存在一定的差距，但發(fā)展方向明確，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究，定將會(huì)在產(chǎn)品的成型和性能上取得進(jìn)一步的發(fā)展。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的材料研制者和封裝設(shè)計(jì)者應(yīng)加強(qiáng)相互的聯(lián)系與交流，以相互促進(jìn)，共同推進(jìn)我國(guó)電子封裝技術(shù)的發(fā)展。
