应用于电子封装的材料介绍

2020-09-22 作者: 微电子制造

什么是电子封装(材料)

电子封装是指对电路芯片进行包装,进而保护电路芯片,以免其受到外界环境影响的包装。

电子封装材料是指用于承载电子元器件及其相互联线,起到机械支撑、密封环境保护、信号传递、散热和屏蔽等作用的基体材料。

电子封装材料包含基板、布线、框架、层间介质、密封材料。其中电子封装基片材料作为一种电子元件,主要为电子元器件及其相互联线提供机械承载支撑、气密性保护和促进电气设备的散热。

①基体:高密度多层封装基板主要在半导体芯片与常规PCB(印制电路板)之间起到电气过渡作用,同时为芯片提供保护、支撑、散热作用。主要材料包括陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属、金属基复合材料。
②布线:导体布线由金属化过程完成。基板金属化是为了把芯片安装在基板上并让芯片与其他元器件相连接。
③层间介质:介质材料在电子封装中作用非常重要,包括保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等。
④密封材料:电子器件和集成电路的密封材料主要是陶瓷和塑料。最早用于封装的材料是陶瓷和金属,伴随着电子产品电路密度和功能的逐步提高,对封装技术的要求也越来越高,由此从金属/陶瓷封装进而转向塑料封装。现今环氧树脂系密封材料已占整个电路基板密度材料的90%左右的占有率。
⑤框架(举例一张结构图):

图1.某种抗攻击安全芯片的封装结构©X技术网

作为电子封装材料的一部分,电子封装基片材料应满足以下性能要求:

(1)高的热导率,保证电子元件不受热破坏
(2)与芯片相匹配的线膨胀系数,确保芯片不因热应力而失效
(3)良好的高频特性,满足高速传导需求

此外,电子封装基片还应具有力学性能高、电绝缘性能好、化学性质稳定(对电镀处理液、布线用金属材料的腐蚀而言)和易于加工等特点。当然,在实际应用和大规模工业生产中,价格因素也不容忽视。[1]

 

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常用电子封装材料的研究现状(优劣势对比表)

表1.三类电子封装材料优劣势对比表

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有关陶瓷封装材料的分类

图2.射频模块用LTCC(低温烧结陶瓷)封装壳via京瓷官网

陶瓷封装常为多层陶瓷基片(MLC)。目前已用于实际生产和开发应用的高导热陶瓷基片材料主要包括Al2O3、 AlN、BeO、SiC、BN等。下面逐一介绍:[2]

(1)Al2O3陶瓷基片

氧化铝陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料,优点在于价格低廉,耐热冲击性和电绝缘性较好,制备加工技术成熟,因此广泛应用于电子工业,占陶瓷基片总量的90%,已成为电子工业不可缺少的材料。

(2)AlN陶瓷基片

氮化铝陶瓷基片是一种新型的基片材料,具有优异的电、热性能,与氧化铝相比具有更高的热导率(一般为氧化铝陶瓷的5倍以上),适用于高功率、高引线和大尺寸芯片,并且氮化铝可以材质坚硬,能够在严酷环境条件下照旧工作,因此可以制成很薄的衬底以满足不同封装基片的应用。缺点在于制备工艺复杂,成本高昂,由此限制了其大规模的生产和应用。

(3)BeO陶瓷基片

氧化铍陶瓷基片最显著的特点就是它具有极高的热导率,其导热性能与金属材料非常接近,在现今实用的陶瓷材料中,BeO室温下的热导率最高,同时又是一种良好的绝缘材料。BeO介电常数低、介质损耗小,而且封装工艺适应性强。BeO最大的缺点是具有很强的毒性,在制备时要采取特殊的防护措施,并需要提高的加工温度,这使得BeO基板的成本很高并且会对环境产生较大污染,限制了它的生产和推广应用。

(4)BN陶瓷基片

氮化硼由于具有热传导率高,且导热性能几乎不随温度变化,介电常数小,绝缘性能好等特点,常应用于雷达窗口、大功率晶体管的管座、管壳、散热片以及微波输出窗等。但立方氮化硼价格昂贵,不宜用于生产通常使用的高热导率陶瓷;热膨胀系数与硅不匹配也限制了其应用。

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结语

科技的飞速发展带动了一系列电子产品的更新换代,电子系统及设备也向集成化、微型化、高效可靠等方向发展。电子系统集成度的提高也会导致产品密度升高,进而整个电子元件和系统正式运作时的热量也会增加,例如我们使用的手机/电脑时间过长主板就会发烫。尽管有效降低系统温度有冷冻法、水循环冷却和微型风扇散热等方法,但是都没有办法从产品根本上解决问题,只是作为辅助。若想可持续发展还需要考虑到资源能源消耗和环境影响等问题,并兼顾技术和经济因素,促使电子封装企业的经济效益和社会效益同步协调优化市场格局。因此,研究具有高热导率同时具备良好综合性能的新型绿色封装材料,已经成为今后电子封装材料走可持续发展的重要方向。

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