鋁硅與鋁碳纖維封裝材料的熱壓制備及性能研究

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1、第一章緒論1.1前言二十一世紀科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其突出的表現(xiàn)就是電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。隨著電子元器件朝著尺寸更小、質(zhì)量更輕、運算速度更快的方向發(fā)展，對電子[1]封裝材料也相應(yīng)地提出了更高的要求。據(jù)文獻報道隨著集成電路集成度的增加，芯片發(fā)熱量成指數(shù)關(guān)系上升，從而使芯片的壽命降低，芯片溫度每升高10℃，GaAs或Si半導(dǎo)體芯片壽命就會縮短三倍。這主要是因為在微電子集成電路及大功率整流器件中，材料間散熱性能不好而導(dǎo)致的。解決這個問題最重要的手段就是使用具有更好性能的新的封裝材料并且改進原有的封裝工藝。[2]微電子系統(tǒng)封裝主要包含三個方面的技術(shù)，首先是電學(xué)

2、方面的，主要涉及到晶體管之間的信號傳輸，也牽扯到各個晶體管和各個元件之間的電力分配。其次是材料方面的，材料方面的問題主要是在信號與電力分配方面正確地使用材料，如：在電力分配時要求材料具有高電導(dǎo)率，器件的散熱需要應(yīng)用高導(dǎo)熱的材料。如果需要降低傳輸噪音的話就需要低電感和高電容的電力分配路線。第三就是機械方面的問題，這個主要體現(xiàn)在機械應(yīng)力的產(chǎn)生與消除的問題。由于不同封裝等級之間的電力分配以及在制造過程中不同性質(zhì)的不同材料的使用必然會在界面中引起熱機械應(yīng)力。這個應(yīng)力不單純產(chǎn)生與IC及系統(tǒng)的封裝過程中，同時也會因氣候因素產(chǎn)生在產(chǎn)品的運輸和儲存過程中。熱機械

3、應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于各種不同材料在界面處的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的。在微電子器件中封裝起保護和支撐半導(dǎo)體芯片及電子電路的作用，同時輔助散失電路工作中產(chǎn)生的熱量。所以作為理想的電子封裝材料必須具備表1-1中基本的性能：[3,4,5,6]表1-1電子封裝材料性能要求Table1-1Theperformancerequirementsforelectronicpackagingmaterials性能作用低的CTE能與半導(dǎo)體芯片材料相匹配，熱膨脹系數(shù)相近不會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，保護芯片高的TE將半導(dǎo)體工作時產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保護芯片，使芯片不因溫度過高而失

4、效良好的氣密性抵御高溫、高濕、輻射、腐蝕等有害環(huán)境對電子器件的影響高的強度和剛度支撐和保護芯片良好的機加工性能利于加工成各種復(fù)雜的形狀輕質(zhì)減輕電子器件的重量，方便攜帶11.2電子封裝材料種類隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的封裝材料也發(fā)生了翻天覆地的變化。而封裝材料的發(fā)展又決定了電子技術(shù)的發(fā)展。兩者是在相互制約而又相互促進中發(fā)展的。[7]目前常用的電子封裝材料主要分為三大類：陶瓷基電子封裝材料、塑料電[6,9,10,11]子封裝材料和金屬基及金屬電子封裝材料。具體性能參數(shù)見表1-2。1.2.1陶瓷基封裝材料[8]陶瓷材料封裝屬于氣密性封裝，這種材料的

5、好處是：1.耐濕性能好；2.機械強度高；3.熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高；4.氣密性好，芯片和電路不受周圍環(huán)境影響；5.在所有基板技術(shù)中陶瓷基板具有最高的布線密度，最好的可靠性和尺寸穩(wěn)定性。所以，陶瓷封裝主要用在航空航天及軍事工程所用的電子產(chǎn)品中。表1-2中的Al2O3、BeO、BN和AlN都屬于陶瓷封裝的范疇。Al2O3陶瓷是作為基片材料在目前市場上應(yīng)用最成熟的，因其價格低廉，耐熱沖擊性和電絕緣性好，還有其制作和加工技術(shù)成熟，所以Al2O3陶瓷使用廣泛，占陶瓷基片材料的90%。當前Al2O3陶瓷基片多數(shù)采用多層基片，含氧化鋁90%-99.5%，氧化鋁

6、含量越高，在燒結(jié)過程中的溫度就要越高，無形中增加了制造成本。AlN陶瓷是一種進近期發(fā)現(xiàn)作為基片較好的材料，主要是因為AlN的電性[12-13]能和熱性能都相對較好，是世界公認成發(fā)展前途的最優(yōu)秀的陶瓷基片材料。AlN與Al2O3相比具有更高的熱導(dǎo)率，更能適用于高功率、高引線以及較大尺寸的芯片；AlN更加優(yōu)秀的性質(zhì)是其線膨脹系數(shù)，其CTE與Si材料相匹配；介電常數(shù)也較低；且AlN比較堅硬，艱苦的環(huán)境也不影響其正常工作，所以AlN可以制成襯底很薄的形狀，來滿足不同的封裝基片應(yīng)用。但是，AlN陶瓷的制備方法及工藝較為復(fù)雜，其制造成本也很高，AlN本身也存

7、在加工和涂裝困難等問題，所以到現(xiàn)在仍不能進行大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。SiC、BN與BeO都具有較好的綜合性能，但由于它們價格昂貴且BeO的材料具有劇毒性，它所引起的健康問題成為限制其應(yīng)用的最大障礙。此外陶瓷都是脆性材料，一旦封裝出現(xiàn)問題容易造成電子器件的重大失效，且對應(yīng)力腐蝕敏感等這些問題都限制了這些材料的生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。1.2.2塑料封裝材料表1-2中環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯都是屬于塑料封裝材料。塑料封裝的密度很小，這就減輕了電子器件的重量，其加工性能較好，且加工成較小的尺寸成本低廉。另外塑料封裝的可靠性較好。因此塑料封裝器件占世界商用芯片封裝市場的9

8、0%以上，不過它們的導(dǎo)熱性能很差，且塑料封裝吸水受熱易膨脹，會導(dǎo)2致塑料封裝器件爆裂。水氣對環(huán)氧樹脂材料的熱力學(xué)性能影響很大，潮氣則會在