陳寰貝,龐學(xué)滿,胡 進(jìn),程 凱
(中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所,南京 210016)
當(dāng)前,電子器件在航空航天領(lǐng)域扮演了極其重要的角色。隨著電子器件向著微型化、高度集成化方向快速發(fā)展,與之對應(yīng)的是電子封裝正在不斷向小型化、高性能、高可靠性方向發(fā)展,如采用表面貼裝技術(shù)、多芯片組件、高密度互連技術(shù)、三維封裝技術(shù)等,這使得電子器件單位體積內(nèi)的發(fā)熱量劇增。而單個(gè)元件的失效率又與其工作溫度呈指數(shù)關(guān)系,因此對器件的散熱與內(nèi)部熱應(yīng)力提出了更高的要求[1~2]。
對于電子器件封裝材料而言,就需要更高的導(dǎo)熱率及更好的熱膨脹匹配系數(shù)。而在航天飛行器領(lǐng)域使用的電子系統(tǒng)中,在滿足電子封裝材料的其他基本要求的同時(shí),輕質(zhì)低密度是航空航天電子封裝材料必須考慮的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),在飛行器上,每1 kg有效負(fù)載的成本高達(dá)50 000英鎊,對于通訊衛(wèi)星而言成本更高,實(shí)際上是“克克計(jì)效”的狀況[3]。由此可見,要滿足航空航天未來的電子封裝的發(fā)展,封裝材料必須滿足高熱導(dǎo)率、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)以及輕質(zhì)低密度的要求[3]。由于高分子材料具有吸潮的特性,其對航空航天用電子器件的可靠性存在巨大隱患,因此一般只能采用金屬材料與無機(jī)非金屬材料。
表1為不同芯片與封裝材料的密度、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)??梢钥吹椒庋b常用的Kovar材料由于熱導(dǎo)率低,只有17 W(m·K)-1,密度高達(dá)8.3 g·cm-3,已經(jīng)不適用于航空航天的電子器件封裝。像一些常用的高熱導(dǎo)率封裝材料,如W80Cu20、Mo80Cu20 、Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu等,其熱導(dǎo)率都超過160 W(m·K)-1,并且擁有與芯片材料Si、GaAs較好的熱膨脹系數(shù)匹配,但是這些材料的密度過大,使用起來會大幅增加器件的整體重量,對于航空航天來說也不是理想的封裝材料。而像Al,由于密度只有2.7 g·cm-3,符合輕質(zhì)要求,熱導(dǎo)率大于221 W(m·K)-1,在航空航天器件中經(jīng)常應(yīng)用,但是其熱膨脹系數(shù)較大,不能與芯片材料很好地匹配,會造成器件的使用壽命偏低。而同時(shí)符合高熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)匹配及輕質(zhì)低密度要求的材料中,介質(zhì)材料有BeO、AlN,而在導(dǎo)體材料中有Al/SiC與AlSi。
表1 不同芯片與封裝材料的性能參數(shù)[4~5]
表2中是最常使用的封裝介質(zhì)材料Al2O3、BeO和AlN物理參數(shù)的對比??梢钥闯?,BeO和AlN都擁有與Al2O3相近的介電常數(shù)和低介電損耗,這保證了兩種材料能夠在高頻段的電子器件中使用。并且兩者擁有更高的使用溫度、更低的密度及幾倍于Al2O3的熱導(dǎo)率。因此,相對于Al2O3,BeO和AlN在航空航天電子器件封裝方面擁有明顯的優(yōu)勢。
BeO由于這些性能優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大功率模塊、RF/微波封裝、高性能多芯片模塊、球柵陣列(BGA)及二極管激光器等各種器件[6~9]。但是BeO是一種有毒物質(zhì),生產(chǎn)時(shí)需采取防護(hù)措施,并需要很高的加工溫度,這使得BeO基板成本很高并且會污染環(huán)境。目前許多國家已將BeO粉和BeO陶瓷列入禁用材料。對含有BeO 的元件和系統(tǒng)的使用也有諸多限制。例如,一些國家和組織規(guī)定了電子制造設(shè)備不允許使用任何含有BeO材料的產(chǎn)品,日本和許多歐洲國家對BeO產(chǎn)品的使用限制越來越嚴(yán)格。并且BeO陶瓷加工困難,不能進(jìn)行多層共燒工藝,限制了其應(yīng)用[10~11]。
表2 Al2O3、BeO和AlN的性能參數(shù)[4~5]
對于AlN陶瓷,從表2中可以看出AlN導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于Al2O3,但比BeO略低,AlN的熱導(dǎo)率隨溫度變化緩慢,而BeO卻隨著溫度的升高而急速下降。而對于功率器件通常溫度為125 ℃或更高,在溫度接近100 ℃時(shí),二者的熱導(dǎo)率已很接近。溫度更高時(shí),AlN的熱導(dǎo)率反而優(yōu)于BeO。從結(jié)構(gòu)上來看,AlN陶瓷可以多層共燒實(shí)現(xiàn)封裝一體化,并且AlN陶瓷的熱膨脹系數(shù)又與Si接近,這樣各類IC芯片和大功率器件就可以直接附著在AlN基片上而不需加過渡片,簡化了工藝并能有效避免由熱失配引起的失效,從而提高了電子部件的可靠性。此外,AlN的抗彎強(qiáng)度也明顯優(yōu)于BeO,所以AlN陶瓷封裝可以更薄更輕更堅(jiān)固可靠。最重要的是AlN陶瓷生產(chǎn)過程中無毒害,具有良好的環(huán)保優(yōu)勢[12~13]。BeO與AlN具體的可加工性能對比如表3所示。
因此,對于航空航天用電子器件來說,AlN材料是非常有應(yīng)用前景的封裝介質(zhì)材料。在實(shí)際應(yīng)用中,很多RF器件封裝已經(jīng)由AlN取代了BeO,含有BeO的電源和無線通信系統(tǒng)也將由AlN封裝替代[14]。
對于導(dǎo)體材料,如前所述Al/SiC與AlSi材料由于同時(shí)滿足與芯片良好的熱膨脹匹配系數(shù)、高熱導(dǎo)率及輕質(zhì)低密度,在航空航天領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈謩e以Kovar、W-Cu、Mo-Cu為代表的第一、第二代專用電子封裝材料,并且Al/SiC與AlSi作為復(fù)合金屬材料可以通過調(diào)節(jié)材料內(nèi)部不同組分的含量,獲得不同的性能參數(shù),從而滿足不同需求的應(yīng)用[15]。
表3 BeO與AlN可加工性能對比[14]
如表4所示,AlSi材料可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)部Al和Si的比例從而獲得不同膨脹系數(shù)的材料,Al/SiC通過調(diào)節(jié)Al與SiC顆粒的含量也可使膨脹系數(shù)分布在一個(gè)較廣的變化范圍。兩種材料正是由于這些性能優(yōu)勢,從而在航空航天方面的應(yīng)用發(fā)展迅速。如CPS公司利用Al/SiC作為底座,陶瓷或玻璃作為絕緣子介質(zhì)制備封裝管殼,相對于之前的CuMo與CuW作為底座的管殼,重量減輕了40%~60%,并且與GaAs有更好的匹配性,熱導(dǎo)率也高達(dá)200 W(m·K)-1[16]。
Tyco Space采用Osprey CE11牌號的AlSi材料制備的星用K波段放大器相對于之前的Kovar材料制備的樣品,密度從8.42 g·cc-1降為2.5 g·cc-1,熱導(dǎo)率則從17 W(m·K)-1提高到140 W(m·K)-1。
Ericsson Microwave采用了AlSi材料制備的雷達(dá)組件封裝外殼,其中蓋板采用了Osprey CE11 AlSi材料替代CuMo,密度從10 g·cc-1降為2.5 g·cc-1,而熱導(dǎo)率則基本相當(dāng),CuMo材料為170 W(m·K)-1,CE13 AlSi材料為160 W(m·K)-1。其腔體材料則采用CE9 AlSi材料替代Kovar材料,腔體密度從8.4 g·cc-1降為2.5 g·cc-1,熱導(dǎo)率從17 W(m·K)-1提高到150 W(m·K)-1[17]。
Al/SiC與AlSi雖然在特點(diǎn)與應(yīng)用上極為相似,但兩者之間還是存在著性能差異,如表5所示。Al/SiC材料中由于SiC顆粒屬于耐磨材料硬度很高,使得Al/SiC材料擁有較好的強(qiáng)度,但同時(shí)也造成了Al/SiC材料加工成型困難。常規(guī)的機(jī)加工手段如銑削、車削、磨削、線切割與機(jī)械鉆孔等手段都難以加工,一般需要將Al/SiC材料先成型獲得粗坯,再采用特殊的加工手段如電火花線切割、電火花成形、金剛石工具、激光等對Al/SiC封裝構(gòu)件進(jìn)行各種后續(xù)機(jī)械加工,以滿足使用要求。
表4 不同牌號的Al/SiC、AlSi材料的性能參數(shù)[18~19]
由于基體Al合金和SiC粉末的物理性能相差較大,造成了Al/SiC材料的電鍍相對困難,并且難以使用激光封焊,需要采用錫焊工藝進(jìn)行封帽,無形中增加了器件的總重量。相對而言,AlSi材料擁有較好的加工性能,可以進(jìn)行普通的機(jī)械加工。但是其也存在脆性大的缺點(diǎn),特別是高硅含量的AlSi材料由于隨著硅含量的不斷增加,初晶硅和共晶硅的組織變得愈加粗大,導(dǎo)致材料韌性、塑性變差,材料更脆。
隨著AlSi材料制備技術(shù)的提高,如Osprey公司用噴射沉積方法制備高硅鋁硅合金,由于噴射沉積方法的特點(diǎn),整個(gè)過程中硅和鋁沒有排斥作用,不會產(chǎn)生凝固偏析,材料內(nèi)部組織均勻,有效地降低了材料的脆性,使其能夠有較好的機(jī)加工性能[20]。
基于相對較好的機(jī)加工性能與更低的密度,在航空航天電子封裝領(lǐng)域AlSi比Al/SiC可能更有優(yōu)勢一些。
表5 Al/SiC與AlSi性能對比
航空航天事業(yè)快速發(fā)展,對于航空航天用電子器件提出了體積更小、集成化更高、質(zhì)量更輕的要求,AlN、Al/SiC與AlSi材料由于其高熱導(dǎo)率、與芯片材料良好的熱膨脹匹配性能、輕質(zhì)低密度等特性,必定在航空航天用電子封裝材料中擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。
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