金属封装材料的现状及发展(上)

童震松 沈卓身(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083)

摘 要：本文介绍了在金属封装中目前正在使用和开发的金属材料。这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料，为适应电子封装发展的要求，国内开展对金属基复合材料的研究和使用将是非常重要的。

关键词：金属封装；底座；热沉；散热片；金属基复合材料

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070(2005)03-06-10

金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃—金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A转换器)融合为一体，适合于低I／O数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。本文主要介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。

1 传统金属封装材料及其局限性

芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护，应具备以下的要求：

①与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数,减少或避免热应力的产生；
②非常好的导热性，提供热耗散；
③非常好的导电性，减少传输延迟；
④良好的EMI／RFI屏蔽能力；
⑤较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；
⑥可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；
⑦较低的成本。

传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，它们的主要性能如表1所示。

1．1 铜、铝

纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率1．72μΩ·cm，仅次于银。它的热导率为401W(m-1K-1)，从传热的角度看，作为封装壳体是非常理想的，可以使用在需要高热导和／或高电导的封装里，然而，它的CTE高达16．5×10-6K-1，可以在刚性粘接的陶瓷基板上造成很大的热应力。为了减少陶瓷基板上的应力，设计者可以用几个较小的基板来代替单一的大基板，分开布线。退火的纯铜由于机械性能差，很少使用。加工硬化的纯铜虽然有较高的屈服强度，但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化，在进行机械冲击或恒定加速度试验时造成外壳底部永久变形。

铝及其合金重量轻、价格低、易加工，具有很高的热导率，在25℃时为237W(m-1K-1)，是常用的封装材料，通常可以作为微波集成电路(MIC)的壳体。但铝的CTE更高，为23．2×10-6K-1，与Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8 ×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的热循环常会产生较大的热应力，导致失效。虽然设计者可以采用类似铜的办法解决这个问题，但铜、铝与芯片、基板严重的热失配，给封装的热设计带来很大困难，影响了它们的广泛使用。

1．2 钨、钼

Mo的CTE为5．35×10-6K-1，与可伐和Al2O3非常匹配，它的热导率相当高，为138 W(m-K-1)，故常作为气密封装的底座与可伐的侧墙焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金属封装中。Mo作为底座的一个主要缺点在于平面度较差，另一个缺点是在于它重结晶后的脆性。W具有与Si和GaAs相近的热膨胀系数，且导热性很好，可用于芯片的支撑材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面镀覆其他金属，使工艺变得复杂且可靠性差。W、Mo价格较为昂贵，不适合大量使用。此外密度较大，不适合航空、航天用途。

1．3 钢

10号钢热导率为49．8 W(m-1K-1)，大约是可伐合金的三倍，它的CTE为12．6×10-6K-1，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与软玻璃实现压缩封接。不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，不锈钢的热导率较低，如430不锈钢(Fe-18Cr，中国牌号4J18)热导率仅为26．1 W(m-1K-1)。

1．4 可伐

可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中国牌号4J29)的CTE与Si、GaAs以及Al2O3、BeO、AIN的CTE较为接近，具有良好的焊接性、加工性，能与硼硅硬玻璃匹配封接，在低功率密度的金属封装中得到最广泛的使用。但由于其热导率低，电阻率高，密度也较大，使其广泛应用受到了很大限制。

1．5 Cu／W和Cu／Mo

为了降低Cu的CTE，可以将铜与CTE数值较小的物质如Mo、W等复合，得到Cu／W及Cu／Mo金属-金属复合材料。这些材料具有高的导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。Cu／W及Cu／Mo的CTE可以根据组元相对含量的变化进行调整，可以用作封装底座、热沉，还可以用作散热片。国内外已广泛生产并用在大功率微波管、大功率激光二极管和一些大功率集成电路模块上。表2和表3分别列出了美国Ametek公司的Cu／W和Cu／Mo复合材料的性能。

由于Cu-Mo和Cu-W之间不相溶或浸润性极差，况且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些问题；如果制备的Cu／W及Cu／Mo致密程度不高，则气密性得不到保证，影响封装性能。另一个缺点是由于W的百分含量高而导致Cu／W密度太大，增加了封装重量。但密度大也使Cu／W具有对空间辐射总剂量(TID)环境的优良屏蔽作用，因为要获得同样的屏蔽作用，使用的铝厚度需要是Cu／W的16倍。

2 新型的金属封装材料及其应用

除了Cu／W及Cu／Mo以外，传统金属封装材料都是单一金属或合金，它们都有某些不足，难以应对现代封装的发展。材料工作者在这些材料基础上研究和开发了很多种金属基复合材料(MMC)，它们是以金属(如Mg、Al、Cu、Ti)或金属间化合物(如TiAl、NiAl)为基体，以颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料。与传统金属封装材料相比，它们主要有以下优点：

①可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式或改变基体合金，改变材料的热物理性能，满足封装热耗散的要求，甚至简化封装的设计;

②材料制造灵活，价格不断降低，特别是可直接成形，避免了昂贵的加工费用和加工造成的材料损耗；

③不少低密度、高性能的金属基复合材料非常适合航空、航天用途。

金属基复合材料的基体材料有很多种，但作为热匹配复合材料用于封装的主要是Cu基和灿基复合材料。

2．1 Cu基复合材料

纯铜具有较低的退火点，它制成的底座出现软化可以导致芯片和／或基板开裂。为了提高铜的退火点，可以在铜中加入少量Al2O3、锆、银、硅。这些物质可以使无氧高导铜的退火点从320℃升高到400℃，而热导率和电导率损失不大。国内外都有Al2O3弥散强化无氧高导铜产品，如美国SCM金属制品公司的Glidcop含有99．7％的铜和0．3％弥散分布的Al2O3。加入Al2O3后，热导率稍有减少，为365W(m-1K-1)，电阻率略有增加，为1．85μΩ·cm，但屈服强度得到明显增加。这种材料已在金属封装中得到广泛使用，如美国Sinclair公司在功率器件的金属封装中使用Glidcop代替无氧高导铜作为底座。美国Sencitron公司在TO-254气密金属封装中使用陶瓷绝缘子与Glidcop引线封接。在Glidcop基础上，SCM公司还将它与其他低膨胀材料，如可伐、Fe-42Ni、W或Mo进一步结合形成CTE较低、却保持高电导率的高强度复合材料。如Glidcop与50％可伐的复合材料屈服强度为760MPa，CTE为10×10-6K-1， 电导率为30％IACS。Glidcop与25％Mo的复合材料屈服强度为690MPa，CTE为12×10-6K-1，电导率为70％IACS[1]。

20世纪90年代，美国Texas Instruments公司开发出一种称之为Cuvar的可控制膨胀、高热导的复合材料，它是在Cu中加入低膨胀合金Invar(Fe-36Ni，中国牌号4J36)，CTE仅为0．4×10-6K-1，但热导率很低，为11W(m-1K-1)的粉末，由Cu基体提供了导热、导电，由Invar限制了热膨胀。Cuvar的加工性很好，容易镀Cu、Ni、Au、Ag，是传统低膨胀合金可伐和42合金(Fe-42Ni，中国牌号4J42)的替代品，也可以代替传统的W、Mo基热管理材料[2]。但Cuvar材料受微量杂质的影响较大，Invar和Cu在烧结过程中的互相扩散对复合材料的导电、导热和热膨胀性能有一定影响。

Cu基复合材料还可以采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒、AlN颗粒等材料做增强体。如碳纤维(经高温处理可转化为石墨纤维)CTE在-1×10-6—2×10-6K-1，具有很高的弹性模量和轴向热导率，P120、P130碳纤维轴向的热导率分别为640W(m-1K-1)和1100W(m-1K-1)，而用CVD方法生产的碳纤维其热导率高达2000W(m-1K-1)。因而用碳纤维(石墨纤维)增强的铜基复合材料在高功率密度应用领域很有吸引力。与铜复合的材料沿碳纤维长度方向CTE为-0．5×10-6K-1，热导率600-750W(m-1K-1)，而垂直于碳纤维长度方向的CTE为8×10-6K-1,热导率为51-59W(m-1K-1)，比沿纤维长度方向的热导率至少低一个数量级。所以用作封装的底座或散热片时，这种复合材料把热量带到下一级时，并不十分有效，但是在散热方面是极为有效的。这与纤维本身的各向异性有关，纤维取向以及纤维体积分数都会影响复合材料的性能[3]。可以采用纤维网状排列、螺旋排列、倾斜网状排列等方法或使用非连续的碳纤维(随机取向的纤维，长度大约10弘m)作为增强体解决这一问题。表4为Metal Matrix Cast Composites(MMCC)公司石墨纤维增强的铜基复合材料性能。

铜-金刚石复合材料被称之为Dymalloy[4]。这种复合材料具备很好的热物理性能和机械性能，试验表明金刚石的体积分数为55％左右时，在25-200℃的热导率为600W(m-1K-1)左右，比铜还要高，而它的CTE为5．48×10-6-6．5×10-6K-1，可与Si、GaAs的CTE相匹配。这种材料已由美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Microsystems公司丌发作为多芯片模块(MCM)的基板使用。2002年6月口本Somitomo Electric Industries(SEl)公司也开发出铜—金刚石复合材料，取名为Diamond-Metal-Composite for Heat Sink(DMCH)，主要性能如表5所示。

有效降低Cu的CTE办法还可加入CTE为负值的陶瓷颗粒——ZrW5O8、ZrV2O7或者是Ni-Ti形状记忆合金[5]。如ZrW5O8、ZrV2O7的CTE为-11×10-6K-1，Ni-Ti合金的CTE更低达-200×10-6K-1。这样，在基体中加入较少体积分数的负膨胀系数材料就可以获得能与Si、GaAs的CTE相匹配的复合材料，而Cu的高热导率基本不受影响。该类复合材料的缺点是陶瓷颗粒的生产成本高，陶瓷材料容易与金属基体发生不良的界面反应。

通过将高CTE的Cu高压轧制到低CTE的金属或合金基体材料上，然后退火形成固溶连接，可以制备出呈三明治结构的覆Cu材料，这是一种CTE可调、热导率可变的叠层复合材料。封装中所用的两种主要包覆Cu材料为Cu／Invar／Cu(CIC)和Cu／Mo／Cu(CMC)。这些材料的性能列于表6中。

CIC在Z方向热导率较低，这与夹心的Invar热导率低有关。CIC具有良好的塑性、冲裁性以及EMI／RFI屏蔽性，除了用于印制板外，还可用于固体继电器封装、功率模块封装及气密封装的底座等。CMC可冲裁，无磁性，界面接合强，可承受反复850℃热冲击。由于其CTE可调整，故能与可伐合金侧墙可靠地焊接。CMC复合材料已用来制作微波／射频外壳、微米波外壳，功率晶体管、MCM的底座，光纤外壳、光电元件基板，激光二极管、盖板、热沉和散热片等。

在Cu／Mo基础上，Polese公司开发了Cu／Mo-Cu／Cu材料，以满足对可控CTE、高热导和高电导的需要。2003年7月第一种厚度比为1-4—1的Cu／Mo-Cu／Cu上市，其25-400cC的热导率为300W(m-1K-1)，CTE为7．0×10-6-8．5 ×10-6K-1，密度为9．45gcm-3。可用于微波载体和热沉、微电子封装底座、GaAs器件安装和SMP导体。

此外，美国的Polymetallurgical和Anomet等公司还生产了用于玻璃与金属封接的铜芯引线，如图1所示。铜芯外边可以是52合金(Fe-50Ni，中国牌号4J50)、可伐合金(Fe-29Ni-17Co)、42-6合金(Fe-42Ni-6Cr，

中国牌号4J6)和446不锈钢(Fe-24Cr)等膨胀材料。二者之间完全冶金结合，具有良好的机械强度、韧性和气密性，既提供了铜的高导电能力，又提供了膨胀材料与玻璃气密封接能力。铜芯与低膨胀合金半径可以是任何比值，标准比值是2：1和3：1。在比值为3：1时，铜芯引线的导电率为14％IACS，即电阻率为12μΩ·cm。(未完)