Lesson 7 电子封装材料.pdf

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1、1电子封装材料电子封装材料陈明祥陈明祥华中科技大学微系统研究中心华中科技大学微系统研究中心2内 容?电子封装与功能电子封装与功能?封装材料封装材料1）金属基封装材料）金属基封装材料2）陶瓷基封装材料）陶瓷基封装材料3）高分子封装材料）高分子封装材料4）复合材料）复合材料3电子封装与功能电子封装与功能?电子封装从芯片到器件或系统的工艺过程?电子封装功能供电与开展散热机械保护.4金属基封装材料金属基封装材料金属基板金属基板金属引线金属引线金属焊料金属焊料金属壳体或底座金属壳体或底座金属热沉（散热片）金属热沉（散热片）5金属基板金属基板 与芯片或陶瓷基板热匹配，减少或避免热应力的产生；与芯片或陶瓷基

2、板热匹配，减少或避免热应力的产生；良好的导热性，提供热耗散；良好的导热性，提供热耗散；良好的导电性，减少传输延迟；良好的导电性，减少传输延迟；良好的EMIRFI屏蔽能力；良好的EMIRFI屏蔽能力；低密度，高强度和硬度，良好加工或成形性能；低密度，高强度和硬度，良好加工或成形性能；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；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；成本低成本低6789铜、铝铜、铝?纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率1.72u纯铜也称之为无氧高导铜(OFHC)，电阻率1.72ucm，仅次于银。

3、热导率高（394W/m.K)，理想的封装壳体材料；CTE高（16.510-6/K)，封装热应力大；为减少陶瓷基板上的应力，可采用几个较小的基板来代替单一大基板，分开布线。cm，仅次于银。热导率高（394W/m.K)，理想的封装壳体材料；CTE高（16.510-6/K)，封装热应力大；为减少陶瓷基板上的应力，可采用几个较小的基板来代替单一大基板，分开布线。?铝及其合金重量轻、价格低、易加工，具有很高的热导率（237W/m.K)，可作为微波集成电路(MIC)壳体。但CTE更高(23.210-6/K)，与Si(4.110-6/K)和GaAs(5.810-6/K)相差很大，热应力大。铝及其合金重量轻、

4、价格低、易加工，具有很高的热导率（237W/m.K)，可作为微波集成电路(MIC)壳体。但CTE更高(23.210-6/K)，与Si(4.110-6/K)和GaAs(5.810-6/K)相差很大，热应力大。?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。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。10Cu/W和和Cu/Mo?为降低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。为降低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/

5、Mo金属-金属复合材料。?具有高导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。且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。具有高导电、导热性能，同时融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。且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。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。11钨、钼钨、钼?W具有与Si和GaAs相近的热膨胀系数，且导热性很好，可用于芯片的基板材料，但由于加工性、可焊性差

6、，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，可用于芯片的基板材料，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。?Mo的CTE为5.3510-6/K/，与可伐和Al2O3非常匹配，它的热导率相当高，为138 W(m-K-1)，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。Mo的CTE为5.3510-6/K/，与可伐和Al2O3非常匹配，它的热导率相当高，为138 W(m-K-1)，常作为气密封

7、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、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。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。12钢与可伐合金钢与可伐合金?10号钢热导率为49.8 W/m.K，大约是可伐合金的三倍，CTE为12.610-6/K，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与低熔点玻璃实现压缩封接；10号钢热导率为49.8 W/m.K，大约是可伐合金的三倍，CTE为12.610-6/K，与陶瓷和半导体的CTE失配，可与低熔点玻

8、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，其热导率较低，如430不锈钢(Fe-18Cr，中国牌号4J18)热导率仅为26.1 W/m.K);不锈钢主要使用在需要耐腐蚀的气密封装里，其热导率较低，如430不锈钢(Fe-18Cr，中国牌号4J18)热导率仅为26.1 W/m.K);?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。可伐合金(Fe-29

9、Ni-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。13新型金属封装材料新型金属封装材料?金属基复合材料(MMC)，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。金属基复合材料(MMC)，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

10、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：与传统金属封装材料相比，它们主要有以下优点：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;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;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；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；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。不少低

11、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Al基复合材料。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Al基复合材料。14Cu基复合材料（基复合材料（1）?Al2O3弥散强化无氧高导铜，热导率稍有减少，电阻率略有增加，但屈服强度得到明显增加；Al2O3弥散强化无氧高导铜，热导率稍有减少，电阻率略有增加，但屈服强度得到明显增加；?Cuvar（在Cu中加入低膨胀合金Invar(Fe-36Ni）是一种可控制膨胀、高热导的复合材料，CTE仅为0.410-6/K/，但热导率很低，为

12、11W/m.K.由Cu基体提供了导热、导电，由Invar限制了热膨胀。Cuvar（在Cu中加入低膨胀合金Invar(Fe-36Ni）是一种可控制膨胀、高热导的复合材料，CTE仅为0.410-6/K/，但热导率很低，为11W/m.K.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)的替代品，也可以代替传统的W、Mo基热管理材料2。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)的替代品，也可以代替传统的W、Mo基热管理材料2。?但Cu

13、var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15Cu基复合材料（基复合材料（2）?铜-金刚石复合材料称为Dymalloy,具备很好的热物理性能和机械性能(在25-200的热导率为600W/(m-K)左右)，而CTE为5.5-6.510-6/K，可与Si、GaAs的CTE相匹配。该材料已由美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Microsystems公司丌发作为多芯片模块(MCM)基板使

14、用。铜-金刚石复合材料称为Dymalloy,具备很好的热物理性能和机械性能(在25-200的热导率为600W/(m-K)左右)，而CTE为5.5-6.510-6/K，可与Si、GaAs的CTE相匹配。该材料已由美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Microsystems公司丌发作为多芯片模块(MCM)基板使用。16Cu基复合材料（基复合材料（3）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(热导率为640W/m.K-1100W/m.K)，而CVD碳纤维热导率高达2000W(m-1K-1)。可用作封装底座或散热。Cu基复合材料还

15、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(热导率为640W/m.K-1100W/m.K)，而CVD碳纤维热导率高达2000W(m-1K-1)。可用作封装底座或散热。17Cu基复合材料（基复合材料（4）三明治结构的覆Cu材料，是一种CTE可调、热导率可变的叠层复合材料。封装所用的两种主要覆Cu材料为CuInvarCu(CIC)和CuMoCu(CMC)。三明治结构的覆Cu材料，是一种CTE可调、热导率可变的叠层复合材料。封装所用的两种主要覆Cu材料为CuInvarCu(CIC)和CuMoCu(CMC)。18Al基复合材料（基复合材料（1）?铝基复合材料不仅具有比强度

16、、比刚度高的特点，而且导热性能好、CTE可调、密度较低；铝基复合材料不仅具有比强度、比刚度高的特点，而且导热性能好、CTE可调、密度较低；?常用的增强体包括C、B、Si、金刚石、碳化物(如SiC、TiC)、氮化物(如AlN、Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基体合金则可为纯AL，或6061、6063、2024等铝合金等；常用的增强体包括C、B、Si、金刚石、碳化物(如SiC、TiC)、氮化物(如AlN、Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基体合金则可为纯AL，或6061、6063、2024等铝合金等；?AlSiC是一种得到广泛使用的铝基复合材料。AlSiC是一种得到广

17、泛使用的铝基复合材料。19Al基复合材料（基复合材料（2）?Al/SiC复合材料难于加工，且只有在表层都是Al时才能可靠地电镀和钎焊；Al/SiC复合材料难于加工，且只有在表层都是Al时才能可靠地电镀和钎焊；?Al/Si合金是一种电镀和钎焊性能更好的铝基复合材料。喷射成型技术的发展，使得具有更高Si含量的Al/Si合金制造成功。Al/Si合金是一种电镀和钎焊性能更好的铝基复合材料。喷射成型技术的发展，使得具有更高Si含量的Al/Si合金制造成功。?Al/Si合金重量比纯Al轻15，是可伐的13，是Cu/W的1/6。CTE随温度的变化不大，从-50-300变化不超过10，可与氧化铝和GaAs匹配

18、。Al/Si合金重量比纯Al轻15，是可伐的13，是Cu/W的1/6。CTE随温度的变化不大，从-50-300变化不超过10，可与氧化铝和GaAs匹配。?致密的Al/70Si(CE7)合金热导率为120W(m-1K-1)，20的CTE为6.810-6K-1，适合于EMIRFI屏蔽。致密的Al/70Si(CE7)合金热导率为120W(m-1K-1)，20的CTE为6.810-6K-1，适合于EMIRFI屏蔽。?弹性模量超过110GPa，具有非常高的比刚度弹性模量超过110GPa，具有非常高的比刚度?主要应用于微波/射频外壳、光电外壳、功率器件的基板、高频电路的载体板、散热片和热沉、代替传统Al合

19、金的普通电子封装产品、波导和微波滤波器元件等。主要应用于微波/射频外壳、光电外壳、功率器件的基板、高频电路的载体板、散热片和热沉、代替传统Al合金的普通电子封装产品、波导和微波滤波器元件等。20Al基复合材料（基复合材料（3）?Al/石墨是一种石墨纤维增强的铝基复合材料。热导率高达200-230W(m-1K-1)，密度仅为2.40g/cm3。Al/石墨是一种石墨纤维增强的铝基复合材料。热导率高达200-230W(m-1K-1)，密度仅为2.40g/cm3。?主要用于微电子封装、光电子封装、激光二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率半导体、散热片和盖板等.主要用于微电子封装、光电子封装、激光

20、二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率半导体、散热片和盖板等.21Al基复合材料（基复合材料（4）?金刚石增强铝基复合材料，热导率大约为600W(m-1K-1)，CTE可调。室温强度为450MPa，刚度250GPa，大大超过Al/SiC。金刚石增强铝基复合材料，热导率大约为600W(m-1K-1)，CTE可调。室温强度为450MPa，刚度250GPa，大大超过Al/SiC。?Al/Be是由Al和Be组成的合金,但工业上将它视作一种复合材料。热导率为212W(m-1K-1)。由于密度仅2.07g cm-3，可使用在需要低重量的领域。由于含有Be，因此AlBe加工时存在健康风险。此外材料和加工

21、的费用高，AlBe的价格也比普通铝及铝合金至少高一个数量级。除了用于电路卡芯，也已用于底盘和外壳。Al/Be是由Al和Be组成的合金,但工业上将它视作一种复合材料。热导率为212W(m-1K-1)。由于密度仅2.07g cm-3，可使用在需要低重量的领域。由于含有Be，因此AlBe加工时存在健康风险。此外材料和加工的费用高，AlBe的价格也比普通铝及铝合金至少高一个数量级。除了用于电路卡芯，也已用于底盘和外壳。22其他金属基复合材料其他金属基复合材料?Silvar由39Ag与61Invar(Fe，36Ni)组成，是各向同性的控制膨胀复合材料，其CTE为6.510-6/K，热导率为153W/m.

22、K)Silvar由39Ag与61Invar(Fe，36Ni)组成，是各向同性的控制膨胀复合材料，其CTE为6.510-6/K，热导率为153W/m.K)?另一类Silvar由28Ag与72可伐组成，其CTE为710-6K-1，热导率为110W/m.K另一类Silvar由28Ag与72可伐组成，其CTE为710-6K-1，热导率为110W/m.K?它们比Cu/Mo和Cu/W重量轻，可通过轧制、冲裁、模压、锻造和拉拔成型，很容易机加工或电镀，且可进行软钎焊和硬钎焊而无需预先电镀。也容易与Invar和可伐合金激光焊它们比Cu/Mo和Cu/W重量轻，可通过轧制、冲裁、模压、锻造和拉拔成型，很容易机加工

23、或电镀，且可进行软钎焊和硬钎焊而无需预先电镀。也容易与Invar和可伐合金激光焊?典型用途包括微波载体和热沉、固体激光器外壳、微电子外壳基板等典型用途包括微波载体和热沉、固体激光器外壳、微电子外壳基板等23电子封装用导电丝材料电子封装用导电丝材料?机械强度:要求能承受树脂封装时应力的机械强度,具有规定的拉断力和延伸力机械强度:要求能承受树脂封装时应力的机械强度,具有规定的拉断力和延伸力?成球特性好成球特性好?接合性:丝线表面无划疵、脏污、尘埃及其他粘附物,与半导体芯片、引线框架间有足够的接合强度接合性:丝线表面无划疵、脏污、尘埃及其他粘附物,与半导体芯片、引线框架间有足够的接合强度?作业性:随

24、着丝线长度的加长,要防止卡丝,还要求直径精度要高,表面无卷曲现象作业性:随着丝线长度的加长,要防止卡丝,还要求直径精度要高,表面无卷曲现象?焊接时焊点没有波纹焊接时焊点没有波纹?主要包括金丝、铜丝和铝丝主要包括金丝、铜丝和铝丝24键合金丝（键合金丝（1）?使用最多?纯度为99.99%,线径为18-50m 高纯金合金丝?通常采用球焊楔焊方式键合,并常用于塑料树脂封装?按用途及性能分为普通金丝(Y)、高速金丝(GS)、高温高速金丝(GW)和特殊用途金丝(TS)25键合金丝（键合金丝（2）主要发展方向主要发展方向:(1)(1)通过添加微量元素的复合作用和最佳的合金化元素设计,达到键合金丝的合金化、加

25、工细线化和低成本化以及提高键合强度和在高温振动环境下的使用性能通过添加微量元素的复合作用和最佳的合金化元素设计,达到键合金丝的合金化、加工细线化和低成本化以及提高键合强度和在高温振动环境下的使用性能(2)(2)添加元素主要有5 种:Ca,Y,Sm,Be,Ge,添加元素主要有5 种:Ca,Y,Sm,Be,Ge,(3)(3)添加最佳范围为4.0 10-3%5.0 10-3%;添加最佳范围为4.0 10-3%5.0 10-3%;针对键合金丝细线化、接合性和降低成本问题,开发高性能的Au2Ag,Au2Ni,Au2Sn,Au2Cu 等新型微细合金丝针对键合金丝细线化、接合性和降低成本问题,开发高性能的A

26、u2Ag,Au2Ni,Au2Sn,Au2Cu 等新型微细合金丝26?一般地，金线制造商会在金线中掺杂另外的金属元素，以改变其机械性能。例如，在纯金中及如5-10ppm的铍（Be）,获30-100ppm的通（Cu）,如掺杂后金线的纯度为99.99%,有时也称这样的金线为4N金线。金线的掺杂不仅改变了其机械性能，而且也会改变其电学性能。?通过对2N,3N和4N的金线进行了焊线质量和高温烘烤测试，发现2N和3N的金线能够有效地提高了金属间化合物的热稳定性。?对于20um 2N,3N金线，36um变形后的球径(Mashed ball diameter),其在经受200小时HTB(HighTempera

27、ture Baking)后拉线测试后的失效模式仍为颈部断裂（Neck Break）,而对于4N金线而言，在100小时后，其拉线测试后的失效模式中已包括金属间化合物间分层（IMC Break）27键合铜丝键合铜丝?铜丝键合不但能降低器件制造成本,而且其互连强度比金丝还要好；推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。铜丝键合不但能降低器件制造成本,而且其互连强度比金丝还要好；推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。28键合铝丝?在陶瓷外壳封装的集成电路中,多采用铝丝(含有少量的硅或镁)作为引线材料；在陶瓷外壳封装的集成电路中,多采用铝丝(含有少量的硅或镁)作为引线材料；?铝丝具有良好

28、的导电导热能力和抗蚀性,易于与IC芯片的铝金属化布线形成良好的键合,并且很稳定,也易于拉制成细丝,且价格比金丝便宜得多；铝丝具有良好的导电导热能力和抗蚀性,易于与IC芯片的铝金属化布线形成良好的键合,并且很稳定,也易于拉制成细丝,且价格比金丝便宜得多；?一般采用超声楔焊楔焊键合。一般采用超声楔焊楔焊键合。2930金属焊料?Sn37Pb?Lead free solder?Au80Sn?Au97Si?In48Sn?Active solder31无铅焊料?具体要求：具体要求：(1)毒性要限制在最小程度;(1)毒性要限制在最小程度;(2)熔点要尽量接近目前使用的Sn-Pb 合金熔点(183);(2)熔

29、点要尽量接近目前使用的Sn-Pb 合金熔点(183);(3)具有优良焊接性能,并且能与现有的焊接工艺相匹配;(3)具有优良焊接性能,并且能与现有的焊接工艺相匹配;(4)价格应不高于现有的焊接材料;(4)价格应不高于现有的焊接材料;(5)具有良好的机械性能和高的信赖性。(5)具有良好的机械性能和高的信赖性。?以Sn 为基，添加Ag、Cu、Sn、Zn、Bi 等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金代Sn37Pb 焊料，其中Pb含量应小于0.1%。以Sn 为基，添加Ag、Cu、Sn、Zn、Bi 等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金代Sn37Pb 焊料，其中Pb含量应小于0.1%。?公认的首选无铅

30、焊料为Sn-Ag-Cu 系。公认的首选无铅焊料为Sn-Ag-Cu 系。3233AuSn共晶焊料（1）34Au-Sn共晶焊料（2）35Au-Si共晶焊料?Au/Si共晶键合液相粘结性好，键合强度高，对界面的粗糙度不很敏感，与铝互联线兼容性好，在芯片键合（Die Bonding）中得到广泛应用；Au/Si共晶键合液相粘结性好，键合强度高，对界面的粗糙度不很敏感，与铝互联线兼容性好，在芯片键合（Die Bonding）中得到广泛应用；?金硅键合过程为：采用溅射、蒸发或电镀方式在硅衬底上镀铬和金膜。然后将用HF清洗的硅帽层置于镀金的硅衬底上，施加一定的压力，并将温度升高到高于金硅共晶点(363C)的某

31、一温度，金/硅相互扩散，在界面形成共晶化合物，当温度继续升高超过共晶点时，形成更多的共晶合金，直到硅或金消耗完为止。金硅键合过程为：采用溅射、蒸发或电镀方式在硅衬底上镀铬和金膜。然后将用HF清洗的硅帽层置于镀金的硅衬底上，施加一定的压力，并将温度升高到高于金硅共晶点(363C)的某一温度，金/硅相互扩散，在界面形成共晶化合物，当温度继续升高超过共晶点时，形成更多的共晶合金，直到硅或金消耗完为止。?由于共晶相中含97以上的金，因此限制因素为衬底上的金，冷却后就形成了共晶键合层。由于共晶相中含97以上的金，因此限制因素为衬底上的金，冷却后就形成了共晶键合层。Binary phase diagram

32、36Uniformity 95%Yield 95%Good Reproducibility5-6 Months Vacuum37SEM of Si/Au Eutectic BondingCross-section of the bond interfaceBroken bond region showingexcellent uniformity38其他共晶焊料?铟锡共晶键合（118C）；?Al/Si共晶；?Au/In共晶（基于等温凝固原理在300C时进行了Au/In 键合）；?Cu-In 和Cu-Sn 键合，采用瞬态液相键合工艺（TLP），由于键合过程中形成了中间相，键合硅片可以承受的工作温

33、度要高于键合工艺温度。39Fundament of active solders(1)?Also called universal solders?Addition of titanium and/or rare earth elements to conventional solder alloy bases?Titanium(Ti),Zirconium(Zr),Hafnium(Hf),lutetium(Lu),Erbium(Er),Cerium(Ce)40Fundament of active solders(2)Although active metal brazing has been

34、 practiced for 20 years,it has emerged in the last 10 years as a critical technique for soldering Rare-earth metals have a stronger affinity for oxygen than most metals and tend to reduce metal oxides via formation of rare-earth oxides It is believed that these active elements lower the energy barri

35、er to the reactions needed to form the layers that are wetted by the molten alloy and protect the principal active elements These active elements migrate to any interface and react with the opposing material surface to remove oxides and transport them into the bulk of the solder as an inert material

36、41?The breaking of this skin is referred to as activation and is done by application of a low level of mechanical shearing action at the interface between the active solder and the substrates,once the thin skin is broken,it allows contact between the bulk solder and the substrate surfaces?Adding rea

37、ctive elements to solders eliminate the need for flux and can achieve wetting and bonding,and it can also eliminate the post joining cleaning and the possible contamination of components resulting from the fluxesFundament of active solders(3)42Fundament of active solders(4)Benefits of active solders

38、:Without flux,free of residual flux contamination Without pre-plating:reduce steps and cost Soldering in air,N2and inert atmosphere Low joining temperature:Dissimilar material joiningLess thermal expansion problemsLittle or no surface oxidation Solder alloys are ductile with shear strengths of over

39、70MPa Limited capillarity prevents extensive running of alloys into adjacent areas Hermetic seals Reworkable43Fundament of active solders(5)Effects of addition of RE elements on soldering44?Between Metals/Ceramics/glass?Between Composites?Between SemiconductorsProcesses&Applications(1)45?Direct bond

40、ing to ceramicsNo pre-metallization stepsClean interfacesDuctile/tough joints?Direct wettingGood joint strengthExcellent interfacesNo substrate prep.?High bonding qualityStrong,hermetic,ductile and reworkableProcesses&Applications(2)Metal to ceramicElectronic applications-heat sinks-substrates-packa

41、ging-interconnects-heat spreaders-insulators-feed-thrus-power elec.-shieldingAl-Fin to Copper Heat Sink46陶瓷封装材料陶瓷封装材料陶瓷基片材料主要包括Al2O3、AlN、SiC和BeO等hybridchiphybridchipCVD diamond47陶瓷封装材料?高的绝缘性能和优异的高频特性高的绝缘性能和优异的高频特性?具有和元器件相近的线膨胀率具有和元器件相近的线膨胀率?很高的化学稳定性和较好的热导率很高的化学稳定性和较好的热导率()()?陶瓷材料还具有良好的综合性能陶瓷材料还具有良好的

42、综合性能48氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷?Al2O3 陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料Al2O3 陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料?价格低廉，耐热冲击性和电绝缘性较好，制作和加工技术成熟，使用广泛,占陶瓷基片材料的90价格低廉，耐热冲击性和电绝缘性较好，制作和加工技术成熟，使用广泛,占陶瓷基片材料的90?Al2O3 陶瓷基片大多采用多层基片,含氧化铝90%99.5%,氧化铝含量越高,性能越好，但烧结温度越高,制造成本也高Al2O3 陶瓷基片大多采用多层基片,含氧化铝90%99.5%,氧化铝含量越高,性能越好，但烧结温度越高,制造成本也高?为降低烧成温度，在Al2O3 陶瓷中掺入低熔玻璃以降低烧结温

43、度和减小介电常数,因而可用Ag、Ag-Pd 等金属导体共烧MLC为降低烧成温度，在Al2O3 陶瓷中掺入低熔玻璃以降低烧结温度和减小介电常数,因而可用Ag、Ag-Pd 等金属导体共烧MLC?Al2O3 陶瓷热导率相对较低,限制了它在大功率集成电路中的应用Al2O3 陶瓷热导率相对较低,限制了它在大功率集成电路中的应用49AlN 陶瓷陶瓷?AlN 陶瓷具有优异的电性能和热性能,是最有发展前途的高导热陶瓷基片；?AlN 热导率高(一般为Al2O3 陶瓷的5 倍以上),适用于高功率、高引线和大尺寸芯片;?AlN热膨胀系数与Si 材料匹配;?介电常数低（1MHz下约为810）；?AlN 材质坚硬,可制

44、成很薄的衬底,以满足不同封装基片的应用；?AlN 陶瓷的制备工艺复杂,成本高,故至今仍未能进行大规模的生产和应用。50其他陶瓷材料其他陶瓷材料?BN具有较好的综合性能,但作为基片材料,它没有突出的优点,而且价格昂贵,目前处于研究和推广中；BN具有较好的综合性能,但作为基片材料,它没有突出的优点,而且价格昂贵,目前处于研究和推广中；?BeO陶瓷具有较高的热导率,但是其毒性和高生产成本,限制了它的生产和应用推广，在航空电子、卫星通讯中,为了追求高导热和理想高频特性,有时也采用BeO 陶瓷基片；BeO陶瓷具有较高的热导率,但是其毒性和高生产成本,限制了它的生产和应用推广，在航空电子、卫星通讯中,为了

45、追求高导热和理想高频特性,有时也采用BeO 陶瓷基片；?SiC陶瓷具有高强度和高热导率,但其电阻率和绝缘耐压值较低,介电常数偏大,不宜作为封装基片材料。SiC陶瓷具有高强度和高热导率,但其电阻率和绝缘耐压值较低,介电常数偏大,不宜作为封装基片材料。51低温烧结陶瓷低温烧结陶瓷?LTCC-M是一种金属基多层低温烧结陶瓷（multilayer Low Temperature Co-Fired Ceramic on Metal）5253LED 封装基板?硅、金属（如铝，铜），陶瓷（如硅、金属（如铝，铜），陶瓷（如Al2O3、AlN、SiC)、塑料（、塑料（PCB）和复合材料（）和复合材料（AlSiC

46、、LTCC、DBC）等。）等。?AlSiC金属基复合材料：热导率高，金属基复合材料：热导率高，CTE可调等可调等?低温共烧陶瓷基板低温共烧陶瓷基板(LTCC-M)?DBC覆铜陶瓷基板覆铜陶瓷基板电路层（铜）电路层（铜）绝缘层绝缘层陶瓷基板陶瓷基板54MCPCB(Metal-cored PCB)MCPCB缺点：缺点：1.热导率低：常见的热导率低：常见的MCPCB结构为结构为1mm Al（150-230W/mK）/75um dieletric（2.2W/mK）/70um Cu（400W/mK），由于中间的绝缘层热导率太低，导致），由于中间的绝缘层热导率太低，导致MCPCB的导热能力差的导热能力差2

47、.CTE不匹配：不匹配：Al 和和Cu与大部分与大部分LED衬底的衬底的CTE都不匹配，若采用都不匹配，若采用CoB的封装方案，就会导致裂缝、脱层的问题的封装方案，就会导致裂缝、脱层的问题3.容许工艺温度范围：容许工艺温度范围：1501001008070耐有机溶剂耐有机溶剂+/-+-72反应类型基本化学反应类型按固化机理分：缩合反应：A+B=C+D加成反应：A+B=C以包装方式分：单组分：A,B在一个包装内双组分：A,B分开包装73缩合固化反应系统特性缩合反应单组分缩合反应单组分：湿气固化?有副产物产生?可室温固化，也可热加速固化(80C以下)?开启后较短的可使用时间?适于薄层固化?完全固化时

48、间较长?不可在密闭的环境中使用?反应可逆加成反应单组分加成反应单组分：?加热固化?固化速度不受湿度变化影响?无副产物和热量产生?可深度固化?催化剂易中毒?可用于密闭的环境中?良好的无底涂粘接?收缩率很小，微不足道?反应不可逆?以白金为触媒74缩合反应双组分：缩合反应双组分：湿气可加速固化?有副产物产生?可深度固化?室温固化?不能在密闭环境中使用加成反应双组分加成反应双组分?无需湿气?无副产物和热量产生?可深度固化?可室温或加热加速固化?可产生催化剂中毒现象?可在密闭环境中使用有机硅产品分类有 机 硅 产品分类与应用有 机 硅 产品分类与应用?粘接/密封剂?灌封材料?敷型涂料?预成型垫片?导热材

49、料?其他产品76主要应用?开关电源 AC-DC DC-DC开关电源 AC-DC DC-DC?显像管CRT(CPT/CDT)-管基胶、契子胶和阳极帽胶显像管CRT(CPT/CDT)-管基胶、契子胶和阳极帽胶?回扫变压器（灌封/粘接）回扫变压器（灌封/粘接）?脉冲变压器-线圈涂布/灌封脉冲变压器-线圈涂布/灌封?电视机/显示器-粘接剂电视机/显示器-粘接剂?液晶显示模块-粘接剂/敷形涂料液晶显示模块-粘接剂/敷形涂料?接触面板-粘接剂接触面板-粘接剂?等离子显示器-粘接剂/敷形涂料等离子显示器-粘接剂/敷形涂料?电池装配电池装配77主要应用?家用电器-粘接剂/灌封胶/敷形涂料/导热胶家用电器-粘接剂/灌封胶/敷形涂料/导热胶?前车灯/防雾灯-粘接剂前车灯/防雾灯-粘接剂?发光二极管-灌封/不反光灌封，敷形涂料发光二极管-灌封/不反光灌封，敷形涂料?背光源-灌封/粘接背光源-灌封/粘接?印刷电路板-敷形涂料印刷电路板-敷形涂料?点火模块-灌封点火模块-灌封