封装中的材料

料匹配好
价格昂贵
陶瓷封装 金属底座 与封装环
3. 耐腐蚀性好
1. 机械强度高 1. 与非金属材 差
料匹配好 2.
抗弯强度稍 陶瓷封装 塑料封装
导热性差
1. 导热性能高 1. 机械强度低 塑料封装
2. 电镀性能好 2. 线膨胀系数较
3. 低价
高
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化学特性
吸潮、抗腐蚀，… …
其它
密度、可焊性、毒性，… …
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4
电子封装材料
Solder Bump Underfill
Substrate
Solder Joint
Chip Molding Compound
Wire
Leadframe Solder Joint
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39
42 Alloy
具有与Kovar合金类似性能的框 架材料（封接材料）
采用Ni的添加取代Co 去应力退火 线膨胀系数与Kovar合金相近
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40
铜合金
导电特性好 引入第二相弥散强化，提高强度 常用有Cu-Fe-P，Cu-Cr，CuZn，Cu-Zr等等 机械加工性能好 热膨胀系数与塑料封装匹配
滑石和镁橄榄石
用于厚膜电路 低介电常数 低强度 低价
玻璃、石英、蓝宝石
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55
主要陶瓷基板材料基本性能
内引线键合材料的特性
电性能 热性能 机械性能
参考讲义128-133
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8
金丝键合系统
消费类电子产品中最常用的键合方式 金丝-铝键合区 金丝-镀金键合区 掺杂的金丝 金丝：软 Be，5-10ppm；Cu，30-100ppm
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热
热导率、热膨胀系数、热稳定性、 … …
物理
表面平整度、表面光洁度
化学
化学稳定、低孔隙率、高纯度
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52
氧化铝（Al2O3）陶瓷
良好的介电性能、高的机械强度、 高热稳定性、高化学稳定性
应用最广 90-99% Al2O3 性能与Al2O3含量相关 添加剂 （黑色、紫色、棕色）瓷
阻挡层的应用
TiW
高质量的键合丝
可靠的键合工艺
等离子体清洗
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19
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20
模塑料
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21
模塑的基本工艺
模塑料通常 为热固性塑料
热固性：在 加热固化后不 会再次受热软 化
6
1
常见引线键合材料
引线键合常用于芯片与载体（或基板） 或引线框架之间的互连
常用的引线材料有Au、Al、Cu（包括用于 TAB）、AlSi(1%)丝
键合的模式主要有球焊（金丝）和楔形 焊（铝丝）
金丝用于塑料封装，铝丝用于陶瓷和金 属封装？
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7
电子封装材料相关问题
蔡坚 jamescai@tsinghua.edu.cn
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1
概要
电子封装材料 封装中涉及到的主要材料
内引线材料 模塑料 引线框架材料 芯片粘接材料 封装基板与外壳材料 焊接材料 ……
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35
引线框架材料的要求
热匹配 良好的机械性能 导热性能好 使用过程无相变 材料中杂质少 低价 加工特性和二次性能好
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36
6
常见引线框架材料及应用
材料 Kovar合金 Fe-29Ni17Co
42合金 Fe-42Ni
铜合金
优点
缺点
使用场所
1. 机械强度高 1. 2. 与非金属材
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17
键合丝的要求
表面洁净光滑 长丝、单层、单根密绕 严格包装和储存
10-15°C,20-50%RH
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18
3
提高键合可靠性
无论何种键合，键合表面特性是至关重 要的。
洁净度（等离子体清洗） 表面粗糙度 表面镀层的厚度
热塑性：在 加热塑化后如 果再次受热还 会再次软化
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22
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23
模塑料的基本构成
基体（1030%）
（高分子化合物树脂）
环氧树脂 硅酮树脂 1,2-聚丁二烯酯树 脂
添加剂（6090%）
固化剂 催化剂
33
引线框架的功能
电连接 对内依靠键合实现芯片与外界的信号
连接 依靠焊点与电路板连接
机械支撑和保护 对芯片起到支持 与外壳或模塑料实现保护
散热 散热通道
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34
不同封装的引线框架
陶瓷封装和塑料封装 （没有金属封装？）
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导电率(%IACS) 4
3
65
弹性模量(kg/mm2 ) I1n3s4ti0tu0te of Micr1o5e0le0c0tronics 12000
38
比重（g/cm3 ）
8.17
8.12
8.9
Kovar合金
Kovar合金（4J29）属于定膨胀合金 Co 带材与丝材 去应力退火 线膨胀系数与陶瓷、玻璃匹配
26
性能检测与相关标准
讲义38
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27
模塑料的类型（p.32）
普通型
快速固化型 无后固化型 高热导型 低应力型 低辐射型 低膨胀型 低翘曲型
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28
普通型模塑料
结晶二氧化硅型 热导率高、线膨胀系数大、成本低 分立器件、LSI
熔融二氧化硅型 线膨胀系数小、热导率低、成本较
高 VLSI、大尺寸分立器件
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29
低应力型模塑料
固化过程产生的收缩应力 温度变化时的热应力
热应力导致失效 开裂
温度变化时的热应力 弹性模量 线膨胀系数 玻璃化转变温度
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机械强度、化学性能稳定、导电、导 热、热匹配、低固化温度、可操作性
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46
几种基本的芯片键合类型
银浆粘接技术 低熔点玻璃粘接技术 导电胶粘接技术 环氧树脂粘接技术 共晶焊技术
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47
环氧树脂粘接技术
Printed Circuit Board
Chip
Pin Thru. Hole
Package
(Substrate or leadframe)
Encapsulation
PCB
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5
内引线键合材料
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30
5
考核与命名
讲义40-42
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31
模塑料的发展
模塑料随微电子技术和封装技术 而发展
WHY?
高纯度 低应力 低辐射
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32
引线框架材料
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引线键合区
几何尺寸、表面涂敷、引线扭曲、平整 度、共面性
芯片粘接区
几何尺寸、表面涂敷、粗糙度
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44
芯片粘接材料
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45
芯片粘接的基本概念
Chip Attachment/Bonding，通常采用粘 接技术实现管芯（IC Chip）与底座 （Chip Carrier）的连接
Al-OFHC Cu Al-Ag plated LF Al-Ni
>75um Al can be used for power devices.
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16
Cl-的影响 “白毛”
Al(OH)3 + Cl- Al(OH)2 + OHAl + 4Cl- Al(Cl)42AlCl4- + 6H2O 2Al(OH)3 + 6H+ + 8Cl-
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41
引线框架的成型
冲压型 蚀刻型
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42
7
表面处理
表面电镀 Ni/Au Ag Sn or Solder
铜引线的预氧化
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43
引线框架的质量标准
9
引线键合的优缺点
优点 细间距，高速自动键合，高导电， 铝键合区 缺点 金属间化合物 Kirkendall效应 电流限制
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10
Au-Al金属间化合物
300°C以上的使用环境，容易发现“紫斑”； 125°C，可能产生一系列的金属间化合物。
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填充剂（SiO2） 阻燃剂 脱模剂
染色剂
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24
4
树脂特性
讲义27
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25
主要生产厂家
日本
住友 日东 日立化成
美国
Plaskon Hysol(Cookson)
中国
中科院化学所
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53
其它陶瓷基板材料
氧化铍（BeO）
热导率8倍于氧化铝，用于功率器件 贵 毒
氮化铝（AlN）
高热导率，用于替代氧化铍 与Si相近的热膨胀系数 低价（与氧化铍比较）
54
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9
其它陶瓷基板材料
37
引线框架材料的主要物理性能
4J29
4J42
194 Alloy
抗弯强度(kg/mm2 ) 53
软化温度(°C)
---
65
45
650
400
熔点(°C)
1450
1427
1090
线膨胀系数(10-6 / 4.5-5.5 °C,20-350°C)
导热系数(W/cm°C) 0.19
4.4-5.6 0.15
16.3 2.63
工艺简单、成本低廉 适合于大规模生产，质量上已经接 近Au-Si共晶焊水平 可以分为两类：
导电、导热胶—“导电胶” 导热、电绝缘胶
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48
8
导电胶粘接技术
环氧 树脂
粘接剂
金属粉 粒
（银） 减少欧姆接 触
改善导热性
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2
封装材料的范围
能源、环境、材料、信息 微电子的发展 微电子封装材料 同时涉及系统组装的材料
简单的分类：金属、陶瓷、塑料
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3
电子封装材料的性能
电特性 绝缘性质、击穿、表面电阻，… …
热特性 玻璃化转化温度、热导率、热膨胀系数，… …
机械特性
扬氏模量、泊松比、刚度、强度，… …
Cu3Au，AuCu，Au3Cu：200-350°C
Au-Ag
无金属间化合物产生
Au-Au
最好的键合 高温应用
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15
Байду номын сангаас
铝（硅铝）丝键合系统
Pure aluminum is too soft. So alloyed with 1% Si or 1% Mg to provide a solid-solution strengthening mechanism.
49
固化条件
一般固化温度在150°C左右，固化 时间约1hr
固化前：“导电胶”不导电 固化后：溶剂挥发、银粉相互紧密接触形成 导电链
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50
封装基板与外壳材料
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51
基板材料的性能
电
介电常数、功耗、电阻、… …
11
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12
2
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Kirkendall效应
异种金属之间的互扩散 不同的扩散速度
温度、结构、… …
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14
金丝与其他介面的键合
Au-Cu