電子封裝材料

1、高硅鋁電子封裝材料及課堂報告總結(jié)摘要關(guān)鍵詞AbstractKeyword目錄第一章 高硅鋁電子封裝材料1.1應(yīng)用背景由于集成電路的集成度迅猛增加，導(dǎo)致了芯片發(fā)熱量急劇上升，使得芯片壽命下降。溫度每升高10,GaAs或Si微波電路壽命就縮短為原來的3倍1,2。這都是由于在微電子集成電路以及大功率整流器件中，材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起的熱應(yīng)力以及散熱性能不佳而導(dǎo)致的熱疲勞所引起的失效，解決該問題的重要手段即是進行合理的封裝。所謂封裝是指支撐和保護半導(dǎo)體芯片和電子電路的基片、底板、外殼,同時還起著輔助散失電路工作中產(chǎn)生的熱量的作用1。用于封裝的材料稱為電子封裝材料，作為理想的電子封裝材料必須滿

2、足以下幾個基本要求3:低的熱膨脹系數(shù),能與Si、GaAs芯片相匹配,以免工作時,兩者熱膨脹系數(shù)差異熱應(yīng)力而使芯片受損；導(dǎo)熱性能好,能及時將半導(dǎo)體工作產(chǎn)生的大量熱量散發(fā)出去,保護芯片不因溫度過高而失效；氣密性好,能抵御高溫、高濕、腐蝕、輻射等有害環(huán)境對電子器件的影響；強度和剛度高,對芯片起到支撐和保護的作用；良好的加工成型和焊接性能,以便于加工成各種復(fù)雜的形狀和封裝；性能可靠,成本低廉；對于應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域及其他便攜式電子器件中的電子封裝材料的密度要求盡可能的小,以減輕器件的重量。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前所用的電子封裝材料的種類很多,常用材料包括陶瓷、環(huán)氧玻璃、金剛石、金屬及金屬基復(fù)合材料等。

3、國內(nèi)外金屬基電子封裝材料和主要性能指標(biāo)如表1-1。表1-1 常用電子封裝材料主要性能指標(biāo)1,4材料密度（）g/cm3導(dǎo)熱率（K）Watts/m·k熱膨脹系數(shù)(CTE) ×106/K比導(dǎo)熱率W·cm3/m·K·gSi2.31354.15.8GaAs5.3395.810.3Al2O33.9206.56.8BeO3.92907.674.4AlN3.32004.560.6Al2.723823.688.1Cu8.9639817.844.4Mo10.21405.013.5從表1-1可以看出，作為芯片用的Si和GaAS材料以及用做基片的Al2O3、BeO等陶

4、瓷材料，其熱膨脹系數(shù)（CTE）值在4×10-6/K到7×10-6/K之間，而具有高導(dǎo)熱系數(shù)的Al和Cu，其CTE值高達20×10-6/K，兩者的不匹配會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而這些熱應(yīng)力正是集成電路和基板產(chǎn)生脆性裂紋的一個主要原因之一。在航空航天飛行器領(lǐng)域使用的電子系統(tǒng)中，滿足電子封裝材料的其他基本要求的同時，輕質(zhì)是首要的問題。對于表1-1中所提到的三類輕質(zhì)低密度電子封裝材料中，氮化鋁的熱膨脹系數(shù)與Si十分接近，且氮化鋁的剛度和密度較低，使其非常適合于電子封裝，然而它存在不能電鍍的問題。BeO的熱膨脹系數(shù)與GaAs相近，也具有良好的熱傳導(dǎo)性等其他優(yōu)良性能，可是，這種材

5、料由于劇毒，不符合現(xiàn)代材料研究中對環(huán)境友好性的要求，因而限制了它的應(yīng)用。為滿足現(xiàn)代航空航天電子封裝的需要，急需尋找一種新型輕質(zhì)電子封裝材料，而高硅鋁合金以及金屬基復(fù)合材料電子封裝正好復(fù)合這一要求，作為新型輕質(zhì)電子封裝材料，高硅鋁合金以及金屬基復(fù)合電子封裝材料有著十分誘人的應(yīng)用前景，代表了新型輕質(zhì)封裝材料的發(fā)展方向。1.3高硅鋁合金電子封裝材料高硅鋁合金電子封裝材料由于具有質(zhì)量輕（密度小于2.7g/cm3）、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)性能良好、以及高的強度和剛度，與金、銀、銅、鎳可鍍，與基材可焊,易于精密機加工、無毒等優(yōu)越性能5-7,符合電子封裝技術(shù)朝小型化、輕量化、高密度組裝化方向發(fā)展的要求。另外,

6、鋁硅在地球上含量都相當(dāng)豐富,硅粉的制備工藝成熟,成本低廉,所以鋁硅合金材料成為一種潛在的具有廣闊應(yīng)用前景的電子封裝材料,受到越來越多人的重視,特別是在航空航天領(lǐng)域。高硅鋁合金封裝材料作為輕質(zhì)電子封裝材料,其優(yōu)點突出表現(xiàn)在,一是通過改變合金成分可實現(xiàn)材料物理性能設(shè)計；二是該類材料是飛行器用質(zhì)量最輕的金屬基電子封裝材料,兼有優(yōu)異的綜合性能；三是可實現(xiàn)低成本要求。表1-2 硅和鋁單質(zhì)的性能元素AlSi熔點（）6601410比熱容（J/kg·K）0.9050.713密度（g/cm3）2.72.3熱膨脹系數(shù)（×10-6/K）（室溫）23.64.1導(dǎo)熱率（W/m·K）（室溫）

7、237148由表1-2可見，利用硅和鋁的單質(zhì)配制的合金密度在2.32.7g/cm3之間，熱膨脹系數(shù)CTE在4.511×10-6/K之間，而導(dǎo)熱率大于100W/m·K。故用這兩種膽汁材料，通過改變規(guī)律成分的配比，就可以制備出能滿足航空航天電子封裝材料所要求的高硅鋁合金。1.3.1鑄造高硅鋁合金熔煉鑄造方法是指被大多數(shù)合金材料所使用的最廣泛的一種方法，其設(shè)備簡單、成本低，可實現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。熔鑄法制備高硅鋁合金材料主要有變質(zhì)鑄造法和特種鑄造等方法。對于高硅鋁合金材料，其性能在很大程度上與初晶硅、共晶硅的大小、形態(tài)及分布有關(guān),若其尺寸粗大，則所獲材料性能就差8,9。所以，細(xì)化

8、初晶硅和共晶硅晶粒尺寸就成了鑄造鋁硅合金的研究重點。利用鑄造法生產(chǎn)高硅鋁合金其硅含量最高達到30%，而且其鑄態(tài)顯微組織主要由粗大的、孤立的、多面化的和高縱橫比的一次Si晶體組成，這會導(dǎo)致材料內(nèi)部的各向異性，極不利于合金的綜合性能和可加工性，所以，對于制造綜合性能要求比較嚴(yán)格的電子封裝材料，是不太可行的方法。因此，特殊的鑄造方法如擠壓鑄造、攪拌鑄造、氣體壓力滲透鑄造、無壓滲透鑄造等又成了人們關(guān)注的重點1。對于用鑄造法制備的高硅鋁合金，經(jīng)細(xì)化變質(zhì)后，其機械強度比細(xì)化變質(zhì)前提高45%左右，力學(xué)性能一般為160Mpa左右，不過整體力學(xué)性能還是比較低。因此，高硅鋁合金應(yīng)用受到很大限制。1.3.2粉末冶金

9、高硅鋁合金快速凝固高硅鋁合金的制備主要有兩種方法,即快速凝固粉末冶金方法和噴射沉積法?？焖倌谭勰┮苯鸬年P(guān)鍵工序是霧化制粉和粉坯熱擠壓或熱鍛,最常用的霧化制粉方法是超音速氣體霧化法。它是利用一種特殊的高壓氣體噴嘴產(chǎn)生高速高頻脈沖氣流沖擊金屬液流,直接把它粉碎成細(xì)小、均勻熔滴,經(jīng)強制氣體對流冷卻凝固成細(xì)小粉末,這種制粉方法特點是粉末顆粒細(xì)小均勻,形狀相對規(guī)整,近似球形,粉末收得率高。熱擠壓熱鍛是通過壓頭沖頭對預(yù)壓粉末產(chǎn)生靜水壓力沖擊力,使粉末發(fā)生移動,填充間隙,粉末在熱和力的作用下發(fā)生變形,相互間產(chǎn)生滑動,靠磨擦破碎顆粒間界面,通過咬合粘結(jié)而結(jié)合在一起?？刂品叟鳠釘D壓熱鍛的主要工藝參數(shù)有加熱溫度

10、,壓力沖擊力,擠壓比鍛壓比及模具結(jié)構(gòu)等。此外,用于制備快速凝固一合金的方法還有平面流鑄造法、熔體旋淬法、等離子表面噴涂沉積法等。粉末冶金方法,有其固有優(yōu)點制造溫度低于熔模鑄造法,因高溫引起的界面反應(yīng)少,可在同一機件不同位置加入不同的數(shù)量和品種的增強物,以得到不同的性能而且用這種方法制備的材料可一次成形,少切削加工。但其缺點也很明顯,其工藝復(fù)雜,導(dǎo)致成本較高,粉末易氧化、壓型不致密,難以滿足電子封裝氣密性要求。尤為重要的是,所制備的材料第二相含量不能太高10。日本從八十年代開始就一直對多元快速凝固高硅鋁合金的性能進行研究表明采用快速凝固技術(shù)制備高硅鋁合金具有高強度、高耐熱性、良好的耐磨性及低的熱

11、膨脹系數(shù)。1.3.3噴射沉積高硅鋁合金以噴射成形制備鋼鐵材料軋輥技術(shù)為基礎(chǔ)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在雙工位噴射成形霧化技術(shù)趨于成熟的條件下，提出了進行雙金屬( Al-12% Si和Al-50% Si)復(fù)合板一步法噴射成形的概念，即采用雙工位霧化噴射系統(tǒng)，同時噴射2種不同成分的合金，通過調(diào)節(jié)2個霧化器噴射合金的成分和霧化錐的疊加面積，可一步式制備具有成分梯度的功能材料，其原理示意圖如圖4所示。德國不萊梅大學(xué)的崔成松也以鋼為對象進行了相似的研究，通過模擬和實驗研究了不同碳含量的2種合金的一步式噴射成形，分析了不同噴射工藝對成分梯度的影響11,如圖5所示。圖1-1 梯度板坯雙工位噴射成形示意圖11第二章 計

12、算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解2.1計算機發(fā)展簡介計算機（computer）俗稱電腦，是一種用于高速計算的電子計算機器，可以進行數(shù)值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。1946年美國誕生世界上第一臺電子計算機“ENIAC”，由此開啟了計算機迅猛發(fā)展的時代。1946年至1958年，為第一代電子管計算機，體積較大，功耗高，可靠性差，運算速度慢，為之后計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第二代晶體管計算機應(yīng)用了操作系統(tǒng)高級語言以及編譯程序，較第一代計算機有較大的提高。第三代集成電路數(shù)字機采用小規(guī)模集成電路，運算速度有所提升，可靠性有所提高。而第四代則為

13、如今大規(guī)模集成電路機，硬件方面及邏輯元件采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計入微型計算機新時代。2.2計算機硬件結(jié)構(gòu)及作用計算機由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件包括電源，主板，內(nèi)存，CPU，硬盤，網(wǎng)卡，顯卡，聲卡等部分。電源是電腦中不可缺少的供電設(shè)備，它的作用是將220V交流電轉(zhuǎn)換為電腦中使用的5V、12V、3.3V直流電，其性能的好壞，直接影響到其他設(shè)備工作的穩(wěn)定性，進而會影響整機的穩(wěn)定性。主板(圖2-1)是電腦中各個部件工作的一個平臺，它把電腦的各個部件緊密連接在一起，各個部件通過主板進行數(shù)據(jù)傳輸。也就是說，電腦中重要的“交通樞紐”都在主板上，它工作的穩(wěn)定性影響著整機工作的穩(wěn)定性。圖2

14、-1主板圖2-2 CPUCPU（圖2-2）即中央處理器，是一臺計算機的運算核心和控制核心。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。CPU由運算器、控制器、寄存器、高速緩存及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。作為整個系統(tǒng)的核心，CPU也是整個系統(tǒng)最高的執(zhí)行單元，因此CPU已成為決定電腦性能的核心部件。圖2-3內(nèi)存（圖2-3）又叫內(nèi)部存儲器或者是隨機存儲器（RAM），分為DDR內(nèi)存和SDRAM內(nèi)存，但是SDRAM由于容量低，存儲速度慢，穩(wěn)定性差，已經(jīng)被DDR淘汰了。內(nèi)存屬于電子式存儲設(shè)備，它由電路板和芯片組成，特點是體積小，速度快，有電可存，無電清空，即電腦在開機狀態(tài)時內(nèi)

15、存中可存儲數(shù)據(jù)，關(guān)機后將自動清空其中的所有數(shù)據(jù)。硬盤屬于外部存儲器，機械硬盤由金屬磁片制成，而磁片有記憶功能，所以儲到磁片上的數(shù)據(jù)，不論在開機，還是關(guān)機，都不會丟失。聲卡是組成多媒體電腦必不可少的一個硬件設(shè)備，其作用是當(dāng)發(fā)出播放命令后，聲卡將電腦中的聲音數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號送到音箱上發(fā)出聲音。顯卡在工作時與顯示器配合輸出圖形、文字，作用是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，是“人機對話”的重要設(shè)備之一。網(wǎng)卡是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)路組件，是局域網(wǎng)中連接計算機和傳輸介質(zhì)的接口，不僅能實現(xiàn)與局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)之

16、間的物理連接和電信號匹配，還涉及幀的發(fā)送與接收、幀的封裝與拆封、介質(zhì)訪問控制、數(shù)據(jù)的編碼與解碼以及數(shù)據(jù)緩存的功能等。網(wǎng)卡的作用是充當(dāng)電腦與網(wǎng)線之間的橋梁，它是用來建立局域網(wǎng)并連接到Internet的重要設(shè)備之一。2.3計算機內(nèi)存條結(jié)構(gòu)分析實驗對內(nèi)存條進行切割，取其中兩部分內(nèi)存芯片，鑲樣，是芯片橫截面和剖面處于同一平面，經(jīng)過200#、800#、1500#、2000#砂紙打磨，拋光。在顯微鏡下對樣品進行分析。2.3.1印刷電路板印刷電路板（又稱為PCB板），內(nèi)部有金屬布線，一般分為單面板，雙面板以及多面板。單面板使得金屬布線只能集中在一面上，使得設(shè)計線路上有許多嚴(yán)格設(shè)計，布線之間不能交叉必須繞獨自

17、的路徑。雙面板和多面板則可以解決單面板布線交錯的難點，更適合用于復(fù)雜的電路上。PCB板可以大大減少布線和裝配的差錯，提高了自動化水平和生產(chǎn)勞動率。如圖2-4，此PCB板為6層結(jié)構(gòu)，其設(shè)計較4面板電氣性能更加突出，內(nèi)部金屬布線用于傳導(dǎo)電信號。 圖2-4 PCB板（50倍） 圖2-5 芯片（50倍） 2.3.2芯片芯片即內(nèi)含集成電路的硅片，一般由硅晶圓切割、涂膜、刻蝕等過程制備而成，用于存儲數(shù)據(jù)。如圖2-5，在切割或打磨過程中，受到應(yīng)力作用，導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋，對芯片造成一定程度的破壞。2.3.3引線與引線框架引線框架（見圖2-6）作為集成電路的芯片載體，是一種借助于鍵合材料（金絲、鋁絲、銅絲）實現(xiàn)芯

18、片內(nèi)部電路引出端與外引線的電氣連接，形成電氣回路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它起到了和外部導(dǎo)線連接的橋梁作用，絕大部分的半導(dǎo)體集成塊中都需要使用引線框架。引線（圖2-7）有金絲、鋁絲、銅絲，一般多數(shù)用金絲作為引線，金絲引線耗金量較小，導(dǎo)電性較為良好，不易氧化，傳輸信號不易被干擾。 （a）引線框架（8倍） （b）引線框架（50倍）圖2-6 引線框架圖2-7 引線2.3.4引腳如圖2-8，此內(nèi)存引腳大約在0.4mm左右，由通過軟釬焊焊接在PCB板的焊盤上，與PCB板內(nèi)的金屬布線形成導(dǎo)電通路，傳導(dǎo)電信號進出芯片。 （a）引腳（8倍） （b）引腳（50倍）圖2-8 引腳2.4本章小結(jié)圖2-9 內(nèi)存芯片簡圖如圖2-9

19、，為內(nèi)存芯片簡圖，得出以下結(jié)論：1內(nèi)存芯片主要由硅芯片，引線，引線框架，引腳等部位構(gòu)成。2硅芯片通過引線及引線框架連接外部電路。3引腳通過焊接在PCB板的焊盤部位，再通過PCB板內(nèi)部金屬布線形成通路。第三章 軟硬水檢測及硬水軟化3.1水的硬度水的硬度指水中鈣、鎂離子的總濃度，其中包括碳酸鹽硬度（即通過加熱能以碳酸鹽形式沉淀下來的鈣、鎂離子，故又叫暫時硬度）和非碳酸鹽硬度（即加熱后不能沉淀下來的那部分鈣、鎂離子，又稱永久硬度）。3.2軟硬水檢測軟硬水定性檢測方法一般用肥皂水法，即肥皂水泡沫較少有大量浮渣的為硬水，而形成大量泡沫幾乎不產(chǎn)生浮渣的為軟水。軟硬水定量檢測方法一般采用EDTA滴定法。3.

20、3硬水軟化方法硬水軟化方法有煮沸、蒸餾法、離子交換法、電滲析法、磁化法等。其中實驗室較多采用蒸餾法，而工業(yè)中大多采用離子交換法。3.4離子交換法離子交換法即利用離子交換劑中的可交換基團與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種方法。離子交換法軟化硬水的基本原理為當(dāng)水中的鈣鎂離子含量高時，離子交換樹脂可以釋放出鈉離子，功能基團與鈣鎂離子結(jié)合，這樣水中的鈣鎂離子含量降低，水的硬度下降，硬水就變?yōu)檐浰?。而?dāng)樹脂上的大量功能基團與鈣鎂離子結(jié)合后，樹脂的軟化能力下降，可以用氯化鈉溶液流過樹脂，此時溶液中的鈉離子含量高，功能基團會釋放出鈣鎂離子而與鈉離子結(jié)合，這樣樹脂就恢復(fù)了交換能力，這個過程叫作“再生”。影響離子交換速度的主要因素為樹脂的顆粒粒度和待軟化水的流速以及樹脂再生速度。3.5本章小結(jié)本章主要介紹水的硬度基本定義，軟硬水定性定量檢測方法以及常用的硬水軟化方法，最后簡單介紹了離子交換法進行硬水軟化的基本原理。參考文獻1 周賢良,吳江暉,張建云,等. 電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀J. 南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2001,15(1):11.