[發(fā)明專利]一種Si-Al合金復(fù)合封裝構(gòu)件

有效

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• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號(hào): CN102690982A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 禹勝林
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫炫普復(fù)合材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C22C28/00
• 分類號(hào): C22C28/00;C22C21/02;H01L23/42
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 梁曉霏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電子封裝構(gòu)件，具體地，本發(fā)明涉及一種Si-Al合金復(fù)合封裝構(gòu)件。

背景技術(shù)

目前，微電子集成電路已發(fā)展到超大規(guī)模階段，電子封裝器件的管腳越來越多，管腳間距越來越小，電子封裝的輸入、輸出已從最初的四邊引線型、平面陣列型、球柵陣列封裝發(fā)展為多芯片組件封裝。電子封裝主要有四個(gè)作用：為微電子器件提供機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)，避免有害環(huán)境對器件的影響，放置局部高電流、電壓信號(hào)以及因發(fā)熱而影響周圍的器件；為封裝內(nèi)外電路提供信號(hào)輸入輸出通路；提供散熱通路。

熱膨脹性能：半導(dǎo)體器件在工作過程中均不同程度地產(chǎn)生熱量，其過程中，芯片與芯片基座表面、連線和焊點(diǎn)之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)對封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，甚至導(dǎo)致電子電路的損壞或造成封裝結(jié)構(gòu)的變形等不良后果。因此，封裝材料的熱膨脹系數(shù)（Coefficient?of?Thermal?Expansion，CTE)是特別重要的材料參數(shù)之一。半導(dǎo)體器件材料一般具有較低的CTE，例如，Si的CTE為2.3~4.3×10^-6/℃，砷化鎵的CTE接近6×10^-6/℃。因此封裝材料應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù)（與半導(dǎo)體器件材料相同或稍高一些）。

導(dǎo)熱性：“集成度”的概念是指一只芯片中放置的微電子元件數(shù)，表征微電路的復(fù)雜性和完善性。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢是增加集成度，減小芯片的物理尺寸。這樣芯片表面散發(fā)熱量將會(huì)增加。因此，封裝時(shí)需要采用具有良好導(dǎo)熱能力的材料以滿足提高集成度帶來的散熱要求。

密度：先進(jìn)電子技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在航空、航天及海洋系統(tǒng)中，對輕量化提出了更高的要求，重量的增加將會(huì)帶來極大的額外成本。每公斤有效載荷的空運(yùn)成本為50000英鎊，而對于戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈，減重將會(huì)大幅度地提高有效射程。據(jù)資料介紹，如果用密度低于3g/cm³的復(fù)合材料代替密度超過8g/cm³的Kovar合金，一架先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)將減重?cái)?shù)公斤。所以，材料輕量化所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和軍事效益是顯而易見的。

封裝工藝性能：作為封裝材料還需具有合理的封裝工藝性能，包括可機(jī)械加工性、可表面處理性以及裝配性等。

電子封裝直接影響集成電路和器件的電、熱、光和機(jī)械性能，同時(shí)對系統(tǒng)的小型化、輕量化起著關(guān)鍵的作用。因此要求電子封裝材料具有低膨脹系數(shù)、低密度、高熱導(dǎo)率和良好機(jī)械性能，同時(shí)具有良好的封裝工藝性能、高可靠性和低成本。

復(fù)雜電路基板多為復(fù)合陶瓷材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)約為7ppm/K，而目前用于封裝的Al-50Si復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)約11ppm/K。當(dāng)電路基板與Al-50Si底板完成釬焊后，由于二者熱膨脹系數(shù)的差距，造成封裝底板存在殘余應(yīng)力引起微量變形。如圖1所示采用ANSYS有限元分析軟件，通過建立簡化模型仿真分析電路基板（LTCC）與Al-50Si復(fù)合材料底板釬焊后的殘余應(yīng)力及應(yīng)變分布云圖，通過計(jì)算結(jié)果可見殘余應(yīng)力最高達(dá)50MPa，殘余應(yīng)變?yōu)?×10^-1，造成構(gòu)件變形。

另外，封裝構(gòu)件的上封蓋一般采用激光焊鋁合金薄板形式，由于鋁合金材質(zhì)與Al-Si復(fù)合材料極高的Si成分差異，易導(dǎo)致焊接區(qū)域內(nèi)初晶硅顆粒粗化、破碎以及形成尖銳棱角的形貌，成為焊接熱裂紋的源頭，導(dǎo)致發(fā)生封裝結(jié)構(gòu)密封失效。

如本發(fā)明圖2所示為不同Si含量的Si-Al復(fù)合材料激光焊接區(qū)域掃描電鏡圖片。A圖中可以看出初晶硅的破碎，B圖中圓圈所標(biāo)注地方，可以看到熔池氣孔。

因此，最為理想的封裝構(gòu)件應(yīng)是一種梯度性的結(jié)構(gòu)，即封裝底板應(yīng)具有與復(fù)雜電路基板（LTCC）相近的熱膨脹系數(shù)，以避免形成焊接殘余熱應(yīng)力；封裝側(cè)壁與封裝蓋板焊接區(qū)域又具有與封蓋鋁板相近的合金成分，以保證焊接區(qū)域組織的均勻性。這樣的封裝結(jié)構(gòu)是一種自上而下熱膨脹系數(shù)逐步降低的梯度結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種Si-Al復(fù)合封裝構(gòu)件，所述構(gòu)件的是一種梯度性的結(jié)構(gòu)，即封裝底板應(yīng)具有與電路基板（LTCC）相近的熱膨脹系數(shù)，以避免形成焊接殘余熱應(yīng)力；封裝側(cè)壁與封裝蓋板焊接區(qū)域又具有與封蓋鋁板相近的合金成分，以保證焊接區(qū)域組織的均勻性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

所述Si-Al復(fù)合封裝構(gòu)件的封裝底板的材料為Si-Al復(fù)合材料，所述Si-Al復(fù)合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為51~70%。