[发明专利]一种改进的高热导率电子封装材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子封装材料，尤其涉及一种改进的通过快速烧结法并以辅助剂制得的金刚石-硅复合材料。

 

背景技术

现代科学技术的发展对材料的要求日益提高。在电子封装领域，随着电子器件和电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高，开发性能优异，可满足各种要求的电子元器件封装基片已成为当务之急。

电子封装基片材料是一种底座电子元件，用于承载电子元器件及其相互联线，并具有良好电绝缘性的基体。因此封装基片必须和置于其上的元器件在电学性质、物理性质、化学性质方面保持良好的匹配。通常，封装基片应具备如下性质：(1)导热性能良好。导热性是电子封装基片材料的主要性能指标之一。如果封装基片不能及时散热将影响电子设备的寿命和运行状况另外，温度分布不均匀也会导致电子器件噪声大大增加；(2)线膨胀系数匹配(主要与Si和GaAs)。若二者热膨胀系数相差较大，电子器件工作时的快速热循环易引入热应力而导致失效；(3)高频特性良好，即低的介电常数和低的介质损耗。因为在高速传输信号的布线电路上，信号延迟时间与基片材料介电常数平方根成正比。为满足用作高速传输速度器件的要求，要求封装基片材料介电常数低。另外，电子封装基片还应具有机械性能高、电绝缘性能好、化学性质稳定(对电镀处理液、布线用金属材料的腐蚀而言)、易于加工等特点。当然，在实际应用和大规模工业生产中，价格因素也是不可忽视的一个方面。

电子封装基片材料的种类很多，常用材料包括：陶瓷、金属及金属基复合材料、金刚石等。有些材料已经在电子封装上取得了较为成熟的应用。但就前面提到的各种性能要求而言，多数材料都不能满足上述所有要求。

陶瓷材料是电子封装中常用的一种基片材料，其主要优点在于：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，很高的化学稳定性和较好的热导率(λ)，此外，陶瓷材料还具有良好的综合性能，广泛用于混合集成电路(HIC)和多芯片模件(MCM)陶瓷封装常为多层陶瓷基片(MLC)。这种技术开始于1961年JL Park发明的流延工艺专利，而陶瓷封装的创始人被认为是Bernard Schwartz，因他领导的研究室开发并拥有许多有关MLC的封装技术专利。从60年代至今，美、日等发达国家相继研究并推出叠片多层陶瓷基片及封装材料和工艺，陶瓷基片已是当今世界上广泛应用的几种高技术陶瓷之一。目前，已用于实际生产和开发应用的高导热陶瓷基片材料主要包括Al2O3、AlN、SiC、和BeO等。

用于封装基片的金属基复合材料主要为Cu基和Al基复合材料。Cu基复合材料采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒等材料做增强体，得到的纤维增强的低膨胀、高导热Cu基复合材料具有较好的综合性能。例如P130石墨纤维增强Cu基复合材料的面膨胀系数为6.5×10 -6/K，并保持着较高的热导率Cu中还可以加入W、Mo和低膨胀合金(如FeNi合金)等粉末。制作W/Cu或Mo/Cu复合材料时，将Cu渗入到多孔的W、Mo烧结块中，以保持各相的连续性。这种材料的线膨胀系数可以根据组元相对含量的变化进行调整，然而，铜基体材料存在润湿性低、热膨胀系数及密度均较高等问题。铝基复合材料不仅具有比强度、比刚度高等特点，而且导热性能好、线膨胀系数可调、密度较低，作为电子封装元器件的选材，常用的增强体包括C、B、碳化物(如SiC、TiC)、氮化物(如Si3N4)和氧化物(如Al2O3、SiO2)，基体合金则可为纯Al或合金。由于铝合金本身的线膨胀系数较大，为使其线膨胀系数与Si、Ge、GaAs等半导体材料相近，常常不得不采用高体积分数的增强体与其复合，添加量甚至高达70%。

天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的最优异的性质，如高的热导率(2000 W/m·K，25℃) 、低介电常数(5.5)、高电阻率(1016Ω·cm)和击穿场强(1000 kV/ mm) 。从本世纪60 年代起，微电子界开始利用金刚石作为半导体器件封装基片的努力，并将金刚石作为散热材料，用在微波雪崩二极管、Ge IMPATT 和激光器上，成功地改进了它们的输出功率。但是，天然金刚石或高温高压下合成金刚石高昂的价格和尺寸的限制，使这种技术无法大规模推广。较理想的是用金刚石颗粒作为增强体制备复合材料，高纯硅材料具有较低的密度、较高的导热性能和较低的热膨胀系数，硅与金刚石润湿性良好，烧结过程中在硅和金刚石界面处生成碳化硅，降低了界面热阻。因此，目前金刚石/碳化硅复合材料成为电子封装材料研究的热点之一。