童震松 沈卓身(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

摘 要：本文介紹了在金屬封裝中目前正在使用和開發(fā)的金屬材料。這些材料不僅包括金屬封裝的殼體或底座、引線使用的金屬材料，也包括可用于各種封裝的基板、熱沉和散熱片的金屬材料，為適應(yīng)電子封裝發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)開展對(duì)金屬基復(fù)合材料的研究和使用將是非常重要的。

關(guān)鍵詞：金屬封裝；底座；熱沉；散熱片；金屬基復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1681-1070(2005)03-06-10

金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃—金屬封接技術(shù)的一種電子封裝形式。它廣泛用于混合電路的封裝，主要是軍用和定制的專用氣密封裝，在許多領(lǐng)域，尤其是在軍事及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。金屬封裝形式多樣、加工靈活，可以和某些部件(如混合集成的A／D或D／A轉(zhuǎn)換器)融合為一體，適合于低I／O數(shù)的單芯片和多芯片的用途，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件，可以滿足小批量、高可靠性的要求。此外，為解決封裝的散熱問題，各類封裝也大多使用金屬作為熱沉和散熱片。本文主要介紹在金屬封裝中使用和正在開發(fā)的金屬材料，這些材料不僅包括金屬封裝的殼體或底座、引線使用的金屬材料，也包括可用于各種封裝的基板、熱沉和散熱片的金屬材料。

1 傳統(tǒng)金屬封裝材料及其局限性

芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的熱膨脹系數(shù)(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之間。金屬封裝材料為實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片支撐、電連接、熱耗散、機(jī)械和環(huán)境的保護(hù)，應(yīng)具備以下的要求：

①與芯片或陶瓷基板匹配的低熱膨脹系數(shù),減少或避免熱應(yīng)力的產(chǎn)生；
②非常好的導(dǎo)熱性，提供熱耗散；
③非常好的導(dǎo)電性，減少傳輸延遲；
④良好的EMI／RFI屏蔽能力；
⑤較低的密度，足夠的強(qiáng)度和硬度，良好的加工或成形性能；
⑥可鍍覆性、可焊性和耐蝕性，以實(shí)現(xiàn)與芯片、蓋板、印制板的可靠結(jié)合、密封和環(huán)境的保護(hù)；
⑦較低的成本。

傳統(tǒng)金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、鋼、可伐合金以及Cu／W和Cu／Mo等，它們的主要性能如表1所示。

1．1 銅、鋁

純銅也稱之為無氧高導(dǎo)銅(OFHC)，電阻率1．72μΩ·cm，僅次于銀。它的熱導(dǎo)率為401W(m-1K-1)，從傳熱的角度看，作為封裝殼體是非常理想的，可以使用在需要高熱導(dǎo)和／或高電導(dǎo)的封裝里，然而，它的CTE高達(dá)16．5×10-6K-1，可以在剛性粘接的陶瓷基板上造成很大的熱應(yīng)力。為了減少陶瓷基板上的應(yīng)力，設(shè)計(jì)者可以用幾個(gè)較小的基板來代替單一的大基板，分開布線。退火的純銅由于機(jī)械性能差，很少使用。加工硬化的純銅雖然有較高的屈服強(qiáng)度，但在外殼制造或密封時(shí)不高的溫度就會(huì)使它退火軟化，在進(jìn)行機(jī)械沖擊或恒定加速度試驗(yàn)時(shí)造成外殼底部永久變形。

鋁及其合金重量輕、價(jià)格低、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率，在25℃時(shí)為237W(m-1K-1)，是常用的封裝材料，通?？梢宰鳛槲⒉呻娐?MIC)的殼體。但鋁的CTE更高，為23．2×10-6K-1，與Si(4．1×10-6K-1)和GaAs(5.8 ×10-6K-1)相差很大，器件工作日寸的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致失效。雖然設(shè)計(jì)者可以采用類似銅的辦法解決這個(gè)問題，但銅、鋁與芯片、基板嚴(yán)重的熱失配，給封裝的熱設(shè)計(jì)帶來很大困難，影響了它們的廣泛使用。

1．2 鎢、鉬

Mo的CTE為5．35×10-6K-1，與可伐和Al2O3非常匹配，它的熱導(dǎo)率相當(dāng)高，為138 W(m-K-1)，故常作為氣密封裝的底座與可伐的側(cè)墻焊接在一起，用在很多中、高功率密度的金屬封裝中。Mo作為底座的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于平面度較差，另一個(gè)缺點(diǎn)是在于它重結(jié)晶后的脆性。W具有與Si和GaAs相近的熱膨脹系數(shù)，且導(dǎo)熱性很好，可用于芯片的支撐材料，但由于加工性、可焊性差，常需要在表面鍍覆其他金屬，使工藝變得復(fù)雜且可靠性差。W、Mo價(jià)格較為昂貴，不適合大量使用。此外密度較大，不適合航空、航天用途。

1．3 鋼

10號(hào)鋼熱導(dǎo)率為49．8 W(m-1K-1)，大約是可伐合金的三倍，它的CTE為12．6×10-6K-1，與陶瓷和半導(dǎo)體的CTE失配，可與軟玻璃實(shí)現(xiàn)壓縮封接。不銹鋼主要使用在需要耐腐蝕的氣密封裝里，不銹鋼的熱導(dǎo)率較低，如430不銹鋼(Fe-18Cr，中國(guó)牌號(hào)4J18)熱導(dǎo)率僅為26．1 W(m-1K-1)。

1．4 可伐

可伐合金(Fe-29Ni-17Co，中國(guó)牌號(hào)4J29)的CTE與Si、GaAs以及Al2O3、BeO、AIN的CTE較為接近，具有良好的焊接性、加工性，能與硼硅硬玻璃匹配封接，在低功率密度的金屬封裝中得到最廣泛的使用。但由于其熱導(dǎo)率低，電阻率高，密度也較大，使其廣泛應(yīng)用受到了很大限制。

1．5 Cu／W和Cu／Mo

為了降低Cu的CTE，可以將銅與CTE數(shù)值較小的物質(zhì)如Mo、W等復(fù)合，得到Cu／W及Cu／Mo金屬-金屬?gòu)?fù)合材料。這些材料具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，同時(shí)融合W、Mo的低CTE、高硬度特性。Cu／W及Cu／Mo的CTE可以根據(jù)組元相對(duì)含量的變化進(jìn)行調(diào)整，可以用作封裝底座、熱沉，還可以用作散熱片。國(guó)內(nèi)外已廣泛生產(chǎn)并用在大功率微波管、大功率激光二極管和一些大功率集成電路模塊上。表2和表3分別列出了美國(guó)Ametek公司的Cu／W和Cu／Mo復(fù)合材料的性能。

由于Cu-Mo和Cu-W之間不相溶或浸潤(rùn)性極差，況且二者的熔點(diǎn)相差很大，給材料制備帶來了一些問題；如果制備的Cu／W及Cu／Mo致密程度不高，則氣密性得不到保證，影響封裝性能。另一個(gè)缺點(diǎn)是由于W的百分含量高而導(dǎo)致Cu／W密度太大，增加了封裝重量。但密度大也使Cu／W具有對(duì)空間輻射總劑量(TID)環(huán)境的優(yōu)良屏蔽作用，因?yàn)橐@得同樣的屏蔽作用，使用的鋁厚度需要是Cu／W的16倍。

2 新型的金屬封裝材料及其應(yīng)用

除了Cu／W及Cu／Mo以外，傳統(tǒng)金屬封裝材料都是單一金屬或合金，它們都有某些不足，難以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代封裝的發(fā)展。材料工作者在這些材料基礎(chǔ)上研究和開發(fā)了很多種金屬基復(fù)合材料(MMC)，它們是以金屬(如Mg、Al、Cu、Ti)或金屬間化合物(如TiAl、NiAl)為基體，以顆粒、晶須、短纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)體的一種復(fù)合材料。與傳統(tǒng)金屬封裝材料相比，它們主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

①可以通過改變?cè)鰪?qiáng)體的種類、體積分?jǐn)?shù)、排列方式或改變基體合金，改變材料的熱物理性能，滿足封裝熱耗散的要求，甚至簡(jiǎn)化封裝的設(shè)計(jì);

②材料制造靈活，價(jià)格不斷降低，特別是可直接成形，避免了昂貴的加工費(fèi)用和加工造成的材料損耗；

③不少低密度、高性能的金屬基復(fù)合材料非常適合航空、航天用途。

金屬基復(fù)合材料的基體材料有很多種，但作為熱匹配復(fù)合材料用于封裝的主要是Cu基和燦基復(fù)合材料。

2．1 Cu基復(fù)合材料

純銅具有較低的退火點(diǎn)，它制成的底座出現(xiàn)軟化可以導(dǎo)致芯片和／或基板開裂。為了提高銅的退火點(diǎn)，可以在銅中加入少量Al2O3、鋯、銀、硅。這些物質(zhì)可以使無氧高導(dǎo)銅的退火點(diǎn)從320℃升高到400℃，而熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率損失不大。國(guó)內(nèi)外都有Al2O3彌散強(qiáng)化無氧高導(dǎo)銅產(chǎn)品，如美國(guó)SCM金屬制品公司的Glidcop含有99．7％的銅和0．3％彌散分布的Al2O3。加入Al2O3后，熱導(dǎo)率稍有減少，為365W(m-1K-1)，電阻率略有增加，為1．85μΩ·cm，但屈服強(qiáng)度得到明顯增加。這種材料已在金屬封裝中得到廣泛使用，如美國(guó)Sinclair公司在功率器件的金屬封裝中使用Glidcop代替無氧高導(dǎo)銅作為底座。美國(guó)Sencitron公司在TO-254氣密金屬封裝中使用陶瓷絕緣子與Glidcop引線封接。在Glidcop基礎(chǔ)上，SCM公司還將它與其他低膨脹材料，如可伐、Fe-42Ni、W或Mo進(jìn)一步結(jié)合形成CTE較低、卻保持高電導(dǎo)率的高強(qiáng)度復(fù)合材料。如Glidcop與50％可伐的復(fù)合材料屈服強(qiáng)度為760MPa，CTE為10×10-6K-1， 電導(dǎo)率為30％IACS。Glidcop與25％Mo的復(fù)合材料屈服強(qiáng)度為690MPa，CTE為12×10-6K-1，電導(dǎo)率為70％IACS[1]。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)Texas Instruments公司開發(fā)出一種稱之為Cuvar的可控制膨脹、高熱導(dǎo)的復(fù)合材料，它是在Cu中加入低膨脹合金Invar(Fe-36Ni，中國(guó)牌號(hào)4J36)，CTE僅為0．4×10-6K-1，但熱導(dǎo)率很低，為11W(m-1K-1)的粉末，由Cu基體提供了導(dǎo)熱、導(dǎo)電，由Invar限制了熱膨脹。Cuvar的加工性很好，容易鍍Cu、Ni、Au、Ag，是傳統(tǒng)低膨脹合金可伐和42合金(Fe-42Ni，中國(guó)牌號(hào)4J42)的替代品，也可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的W、Mo基熱管理材料[2]。但Cuvar材料受微量雜質(zhì)的影響較大，Invar和Cu在燒結(jié)過程中的互相擴(kuò)散對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和熱膨脹性能有一定影響。

Cu基復(fù)合材料還可以采用C纖維、B纖維等、SiC顆粒、AlN顆粒等材料做增強(qiáng)體。如碳纖維(經(jīng)高溫處理可轉(zhuǎn)化為石墨纖維)CTE在-1×10-6—2×10-6K-1，具有很高的彈性模量和軸向熱導(dǎo)率，P120、P130碳纖維軸向的熱導(dǎo)率分別為640W(m-1K-1)和1100W(m-1K-1)，而用CVD方法生產(chǎn)的碳纖維其熱導(dǎo)率高達(dá)2000W(m-1K-1)。因而用碳纖維(石墨纖維)增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料在高功率密度應(yīng)用領(lǐng)域很有吸引力。與銅復(fù)合的材料沿碳纖維長(zhǎng)度方向CTE為-0．5×10-6K-1，熱導(dǎo)率600-750W(m-1K-1)，而垂直于碳纖維長(zhǎng)度方向的CTE為8×10-6K-1,熱導(dǎo)率為51-59W(m-1K-1)，比沿纖維長(zhǎng)度方向的熱導(dǎo)率至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以用作封裝的底座或散熱片時(shí)，這種復(fù)合材料把熱量帶到下一級(jí)時(shí)，并不十分有效，但是在散熱方面是極為有效的。這與纖維本身的各向異性有關(guān)，纖維取向以及纖維體積分?jǐn)?shù)都會(huì)影響復(fù)合材料的性能[3]。可以采用纖維網(wǎng)狀排列、螺旋排列、傾斜網(wǎng)狀排列等方法或使用非連續(xù)的碳纖維(隨機(jī)取向的纖維，長(zhǎng)度大約10弘m)作為增強(qiáng)體解決這一問題。表4為Metal Matrix Cast Composites(MMCC)公司石墨纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料性能。

銅-金剛石復(fù)合材料被稱之為Dymalloy[4]。這種復(fù)合材料具備很好的熱物理性能和機(jī)械性能，試驗(yàn)表明金剛石的體積分?jǐn)?shù)為55％左右時(shí)，在25-200℃的熱導(dǎo)率為600W(m-1K-1)左右，比銅還要高，而它的CTE為5．48×10-6-6．5×10-6K-1，可與Si、GaAs的CTE相匹配。這種材料已由美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與Sun Microsystems公司丌發(fā)作為多芯片模塊(MCM)的基板使用。2002年6月口本Somitomo Electric Industries(SEl)公司也開發(fā)出銅—金剛石復(fù)合材料，取名為Diamond-Metal-Composite for Heat Sink(DMCH)，主要性能如表5所示。

有效降低Cu的CTE辦法還可加入CTE為負(fù)值的陶瓷顆?！猌rW5O8、ZrV2O7或者是Ni-Ti形狀記憶合金[5]。如ZrW5O8、ZrV2O7的CTE為-11×10-6K-1，Ni-Ti合金的CTE更低達(dá)-200×10-6K-1。這樣，在基體中加入較少體積分?jǐn)?shù)的負(fù)膨脹系數(shù)材料就可以獲得能與Si、GaAs的CTE相匹配的復(fù)合材料，而Cu的高熱導(dǎo)率基本不受影響。該類復(fù)合材料的缺點(diǎn)是陶瓷顆粒的生產(chǎn)成本高，陶瓷材料容易與金屬基體發(fā)生不良的界面反應(yīng)。

通過將高CTE的Cu高壓軋制到低CTE的金屬或合金基體材料上，然后退火形成固溶連接，可以制備出呈三明治結(jié)構(gòu)的覆Cu材料，這是一種CTE可調(diào)、熱導(dǎo)率可變的疊層復(fù)合材料。封裝中所用的兩種主要包覆Cu材料為Cu／Invar／Cu(CIC)和Cu／Mo／Cu(CMC)。這些材料的性能列于表6中。

CIC在Z方向熱導(dǎo)率較低，這與夾心的Invar熱導(dǎo)率低有關(guān)。CIC具有良好的塑性、沖裁性以及EMI／RFI屏蔽性，除了用于印制板外，還可用于固體繼電器封裝、功率模塊封裝及氣密封裝的底座等。CMC可沖裁，無磁性，界面接合強(qiáng)，可承受反復(fù)850℃熱沖擊。由于其CTE可調(diào)整，故能與可伐合金側(cè)墻可靠地焊接。CMC復(fù)合材料已用來制作微波／射頻外殼、微米波外殼，功率晶體管、MCM的底座，光纖外殼、光電元件基板，激光二極管、蓋板、熱沉和散熱片等。

在Cu／Mo基礎(chǔ)上，Polese公司開發(fā)了Cu／Mo-Cu／Cu材料，以滿足對(duì)可控CTE、高熱導(dǎo)和高電導(dǎo)的需要。2003年7月第一種厚度比為1-4—1的Cu／Mo-Cu／Cu上市，其25-400cC的熱導(dǎo)率為300W(m-1K-1)，CTE為7．0×10-6-8．5 ×10-6K-1，密度為9．45gcm-3?？捎糜谖⒉ㄝd體和熱沉、微電子封裝底座、GaAs器件安裝和SMP導(dǎo)體。

此外，美國(guó)的Polymetallurgical和Anomet等公司還生產(chǎn)了用于玻璃與金屬封接的銅芯引線，如圖1所示。銅芯外邊可以是52合金(Fe-50Ni，中國(guó)牌號(hào)4J50)、可伐合金(Fe-29Ni-17Co)、42-6合金(Fe-42Ni-6Cr，

中國(guó)牌號(hào)4J6)和446不銹鋼(Fe-24Cr)等膨脹材料。二者之間完全冶金結(jié)合，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、韌性和氣密性，既提供了銅的高導(dǎo)電能力，又提供了膨脹材料與玻璃氣密封接能力。銅芯與低膨脹合金半徑可以是任何比值，標(biāo)準(zhǔn)比值是2：1和3：1。在比值為3：1時(shí)，銅芯引線的導(dǎo)電率為14％IACS，即電阻率為12μΩ·cm。(未完)