電子封裝用金屬基復合材料的研究現狀
時間:2005-08-30
微電子技術的飛速發展也同時推動了新型封裝材料的研究和開發。本文綜述了電子封裝用金屬基復合材料的研究和發展狀況，并以A1／SiCp為重點，分析對比了目前國內外的差距，提出了其未來的發展趨勢及方向。
1引言
半導體技術的發展日新月異。自1958年第一塊半導體集成電路問世以來，到目前為止，IC芯片集成度的發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致其發熱率的升高，使得電路的工作溫度不斷上升，從而導致元件失效率的增大。與此同時，電子封裝也不斷向小型化，輕量化和高性能的方向發展，二十世紀九十年代以來，各種高密度封裝技術，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[2]，進一步增大了系統單位體積的發熱率。為滿足上述IC和封裝技術的迅速發展，一方面要求對封裝的結構進行合理的設計；同時，為從根本上改進產品的性能，全力研究和開發具有高熱導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(CTE)，導熱系數(TC)和密度是發展現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要求，并具有合理的封裝工藝性能的材料才能適應半導體技術發展趨勢的要求。傳統的封裝材料很難同時兼顧對上述各種性能的要求，而金屬基復合材料(MMC)則恰恰可以將金屬基體優良的導熱性能和增強體材料低膨脹系數的特陛結合起來[3]，獲得既具有良好的導熱性又可在相當廣的范圍內與多種不同材料的CTE相匹配的復合材料。因此，自上世紀九十年代以來，伴隨著各種高密度封裝技術的出現，電子封裝用MMC也同時得到了大力的發展。1992年4月在美國SANDIEGO舉行的TMS年會上對作為電子封裝用MMC進行了廣泛的討論[4]，一致認為封裝材料是MMC未來發展的重要方向之一。本文則綜述了近十余年來電子封裝用MMC的國內外研究現狀及其未來的發展方向。
2電子封裝用MMC的研究現狀
MMC由基體金屬的增強體兩部分構成。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熱，導電及優良的綜合力學性能所決定的。改變或調整基體成分將在以下兩個方面影響材料的性能，首先表現在對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的復合材料[5]；其次則表現為對基體與增強體界面結合狀況的影響，如通過在Cu中加入適量的Fe將明顯提高基體Cu與作為增強體的碳纖維的界面結合強度，復合材料的CTE也因此得以降低[6]。通過熱處理工藝同樣也會改變基體與增強體的界面結合狀況，進而影響材料的熱性能。Reeves和Tumal等人[8]研究了熱處理對Ti／SiCp和Ti／TiB2p熱性能的影響。結果表明，對Ti／SiCp而言，高溫處理(950T)將使材料TC值下降。分析認為，這是由于熱處理增大了界面反應層的厚度，從而界面熱阻增大，導致熱性能惡化。與Ti／SiCp相比，Ti／TiB2p在材料制備過程的界面反應較為輕微，因此Ti／TiB2p的導熱性能在熱處理的開始階段有所改善，但時間過長，也同樣對材料的熱性能不利。除以上討論的合金元素的加入，界面的結合狀況以外，其它，如殘余應力的大小[9]增強體的形狀，孔洞的存在等因素[10-12]也會在一定程度上影響復合材料的熱性能。
應當指出，通過深入研究上述諸因素對復合材料熱物性的影響，可優化各工藝參數，并據此進一步改善材料的性能。也正是基于這個原因，人們為此作了大量深入且細致的工作。但根據復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體本身的性能指標所決定。對于電子封裝用MMC而言，由于增強體的體積分數通常較高，其本身的性能對材料最終的性能的決定作用將更為突出。
用作復合材料增強體的種類很多，根據形貌可分為長纖維、短纖維、晶須和顆粒四大類。作為電子封裝材料使用時，增強體的選擇應從以下幾個方面衡量：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]。人們為此也選擇了多種不同的復合材料體系，并作了大量的嘗試性研究。表[13,14]列出了幾種典型的復合體系的熱性能指標。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據也同時列于表1中。可見，盡管Cu／W及Cu／Mo的CTE和TC值均較為理想，但密度過高。BeO作為復合材料的增強體，其綜合性明顯優于其它材料，但遺憾的是，BeO是一種有毒物質，其粉塵會對人體造成嚴重傷害，因此各國對BeO產品使用的限制也越來越嚴。金剛石的價格過高，難以實現大規模的應用。對TAl-SiCp體系而言，其發展的主要障礙在于過高的SiC。含量材料很難通過傳統的機加工成型。而對于Al-Si體系而言，為滿足熱性能的要求，也要求具有高硅含量，因此同樣存在材料的成型問題。盡管含硅量較低的Al-Si合金可以通過熔化鑄造成型，但是在感興趣的范圍內(50-90wt％Si)，由于極端粗大的初晶硅相的存在，導致材料極度各向異性，已不再適合電子封裝的應用。發展新的成型工藝，如粉末冶金工藝和噴射成型工藝則是當前的一個發展方向[14]。其它專門開發的，以封裝材料為應用背景的復合體系還有很多。可利用高性能連續碳纖維(如AMOCO公司研制的K1100，其軸向熱導達1100W／(m·K))作為增強體材料[15]。甚至有人將因具有形狀記憶效應而表現出負熱膨脹系數的Ni-Ti合金棒鑲人銅中，即使合金棒的體積分數為35％，材料的徑向CTE也已達4．0ppm／K，TC為264W／(m·K)[16]。
選擇不同的復合材料體系，研制新型的電子封裝材料用MMC也是研究的另一個重要方向，但十余年的研究表明，很難找到一種各項性能指標均十分理想的復合材料體系。因此對某一體系，需明確其發展的突破口，有針對性的加以研究。
3電子封裝用A1/SiCp的研究及發展方向
在各種封裝用MMC中，最先引起人們的注意并得到大力發展的是Al／SiC顆粒增強復合材料[5,17-19]。這一方面是由于SiCp本身具有優良的物理性能：CTE4．OppnVK，彎度3．2g／cm3隨純度和微結構的不同，其TC位于80-200W／(m·K)之間，高純SiC甚至達400W／(m·K)p"；另一方面則是因為SiC。作為磨料的市場已非常成熟，價格較低的緣故。前已述及，由于在實際使用過程中，封裝用MMC將與半導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AI／SiCp而言，為滿足這一性能要求，SiC。的體積分數均需在55-75％這一范圍。常規的復合材料制備工藝，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，同時對于異形部件而言，也很難用傳統的機加工成型，更談不上規模化的生產了。只有發展凈成型工藝才能有效地解決這一問題。因此，可以說成型問題即是AI／SiCp在電子封裝領域得以廣泛應用的突破口。
自二十世紀九十年代以來，美國的一些公司即已開始著手發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均已實現了這一目標，并實現了規模化生產[21]。英國的GEC-Marconic Research Center也曾專門立項對其進行研究[22]。可簡單地將復合材料的凈成型分為素坯的凈成型及金屬與素坯的復合兩個階段，而前者則是能否最終實現MMC一次成型的關鍵。素坯的成型基本上采用陶瓷素坯的工藝，且為滿足異形部件生產的要求，基本上采用濕法成型工藝。CPS采用QuickSetTM工藝來實現素坯的成型[23]QuickSetTM實際上是一種陶瓷素坯成型工藝的改進。SiC漿料的固化采用溫度誘導法，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溶劑蒸汽壓的環境中使用使其迅速揮發。利用該工藝，SiCp的體積分數可控制在60-70％，邑產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。PCC Composite主要則通過加入有機粘接劑來實現SiCp漿料的固化，因此在壓滲之前需對素坯進行高溫脫脂處理，因而容易造成素坯的分層及開裂，進而影響最終產品的質量。
國內目前從事電子封裝用AI／SiCp的研制與開發工作的有北京航空材料研究院和上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室等少數幾家單位。從產品的性能上看，相同SiCp體積分數的材料，CTE和密度已完全達到國外產品的指標，只是TC值偏低(1 30-1 80W／(w，K))。分析認為，其主要原因在于所使用SiCp增強全導熱性能上的差異所致。熱物性中，CTE對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。目前國內基本上直接使用作為磨料的SiCp作為復合材料的增強體，TC偏低，從而導致復合材料的導熱性的下降。從素坯的制備工藝看，北京航空材料研究院也采用有機粘接劑來實現SiC坯體的成型，當然同樣也存在排粘的問題。金屬與坯體的復合則采用無壓浸滲的工藝來實現。上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室則借鑒陶瓷素坯的膠態成型工藝，針對復合材料用素坯的特點，以水作為介質，通過加人少量無機粘接劑實現漿料的固化，并通過后續的壓滲工藝成型[24-25]，且已實現了封裝用Al／SiCp的近凈成型，目前仍在漿料的固化以及產品的尺寸精度的控制上作深入的研究。
4結束語
MMC由于其獨特的性能優勢引起了人們的廣泛關注，并伴隨電子封裝技術的迅速發展而不斷發展。而其中AVSiC。復合材料由于性能和成本上的優勢已成為現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中更是具有明顯的優勢。該種材料在國外已經實現了批量生產，但目前仍屬禁止出口產品之列。與國外相比，國內的研究及生產水平尚存在一定的差距，但發展方向明確，經過一段時間的研究，定將會在產品的成型和性能上取得進一步的發展。與此同時，國內的材料研制者和封裝設計者應加強相互的聯系與交流，以相互促進，共同推進我國電子封裝技術的發展。
