微電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展讓芯片的性能和復(fù)雜度不斷提升。然而，芯片的生產(chǎn)僅僅是第一步，要想在現(xiàn)實(shí)世界中可靠運(yùn)行，還需要經(jīng)過一道關(guān)鍵工序——封裝。

封裝不僅保護(hù)芯片免受外界環(huán)境的影響，還負(fù)責(zé)連接芯片與外部電路，提升其散熱性能和機(jī)械強(qiáng)度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，封裝對材料的內(nèi)應(yīng)力、導(dǎo)熱性、電性能要求也越來越高，不同材料的選用直接影響著電子產(chǎn)品的性能、成本和可靠性。那么，微電子封裝中常用的材料有哪些？它們各自具備怎樣的性能？

一、封裝的必要性

在微電子產(chǎn)業(yè)中，封裝的作用是密封以及連接集成電路形成電子系統(tǒng)，是確保芯片性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)，其核心作用包括以下幾個方面：

①保護(hù)芯片：封裝為芯片提供物理保護(hù)，防止外界環(huán)境（如濕氣、灰塵、化學(xué)物質(zhì)）對芯片的侵害，避免機(jī)械應(yīng)力、腐蝕等損傷，從而延長芯片的使用壽命。

②散熱：芯片在工作時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，過高的溫度會影響其性能甚至導(dǎo)致故障。封裝材料和結(jié)構(gòu)通過將熱量有效傳導(dǎo)和散發(fā)出去，幫助芯片維持在合適的工作溫度范圍內(nèi)，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。

③電氣連接：封裝通過引腳、焊球或其他導(dǎo)電路徑將芯片與外部電路相連，確保信號傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。此外，封裝還能有效減少信號延遲和串?dāng)_，提升系統(tǒng)的整體性能。

④機(jī)械支撐：封裝為芯片提供機(jī)械支撐，防止芯片在組裝或操作過程中因震動或壓力而損壞，保證其在各種應(yīng)用環(huán)境中的可靠性。

通過這些功能，封裝在微電子產(chǎn)業(yè)中起到了不可或缺的作用，不僅保護(hù)了芯片的物理結(jié)構(gòu)，還提升了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

二、封裝材料分類

按照封裝結(jié)構(gòu)，電子封裝材料分為基板、布線、框架、層間介質(zhì)和密封材料。隨著芯片的體積越來越小、重量越來越輕，散熱性能、電性能越來越好，理想的電子封裝材料必須滿足以下的幾個基本要求：（1）低內(nèi)應(yīng)力；（2）導(dǎo)熱性好；（3）良好的化學(xué)穩(wěn)定性；（4）強(qiáng)度和剛度高，能對芯片起到支撐和保護(hù)作用；（5）良好的加工成型和焊接性能，便于加工；（6）為滿足芯片體積和質(zhì)量日漸減小的需求，材料的密度應(yīng)盡可能小。

以下是微電子封裝中常見的幾類材料，如塑料、陶瓷、金屬和復(fù)合材料等。而由于封裝的無鉛化發(fā)展以及高功率導(dǎo)致的散熱需求，導(dǎo)電膠和熱界面材料成為了在封裝中研究較多的熱門材料。

1.聚合物封裝材料種類

聚合物在封裝中的應(yīng)用范圍非常廣泛，它可以作為膠粘劑，將半導(dǎo)體芯片粘在金屬框架上，可以作為堆疊后封裝芯片的模具化合物，用作存儲能量的嵌入式電容材料以及不需要衰減的電磁波的電磁干擾屏蔽材料。根據(jù)聚合物的種類，封裝材料可主要分為環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰亞胺、聚對二甲苯和有機(jī)硅等。

2.導(dǎo)電膠

導(dǎo)電膠在封裝中起到重要作用，特別是在低溫焊接和微型化應(yīng)用中。它通過基體樹脂將導(dǎo)電粒子結(jié)合，形成可靠的導(dǎo)電通路，實(shí)現(xiàn)電路元件的連接。相比傳統(tǒng)的錫鉛焊接，導(dǎo)電膠更環(huán)保，固化溫度更低（如環(huán)氧樹脂在室溫至150℃固化），避免了高溫焊接可能對產(chǎn)品造成的損害。此外，導(dǎo)電膠還適應(yīng)電子元件的微型化和高密度封裝需求，提供高分辨率的導(dǎo)電連接，因此在現(xiàn)代封裝技術(shù)中占據(jù)重要地位。

目前市場上使用的導(dǎo)電膠大都是填料型。填料型導(dǎo)電膠的樹脂基體，常用的一般有熱固性膠粘劑如環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯和丙烯酸樹脂等膠粘劑體系。這些膠粘劑在固化后形成了導(dǎo)電膠的分子骨架結(jié)構(gòu)，提供了力學(xué)性能和粘接性能保障，再將具有良好導(dǎo)電性能和合適粒徑的導(dǎo)電粒子添加到導(dǎo)電膠基體中形成導(dǎo)電通路。導(dǎo)電填料主要是金屬填料如金、銀、銅、鋁、鋅、鐵、鎳等和碳基材料如石墨、石墨烯、碳納米管和富勒烯等，但也可以包含陶瓷填料如氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、氧化鋁（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）等，以及復(fù)合材料如聚酰亞胺改性的氮化鋁填料等。

導(dǎo)電銀膠

3.熱界面材料

熱界面材料（TIM）是用于涂敷在散熱器件與發(fā)熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。理想的熱界面材料一般需要具備高導(dǎo)熱性、高柔韌性以及高絕緣性的特性，其在電腦散熱中的應(yīng)用以及兩種散熱架構(gòu)的示意圖如下圖所示。由于絕大多數(shù)聚合物都屬于不良導(dǎo)熱體，因此根據(jù)聲子導(dǎo)熱理論和自由體積理論，提高聚合物的有序度或者在聚合物中加入納米尺寸的高導(dǎo)熱填料，可以顯著提升材料的導(dǎo)熱性能。

兩種散熱架構(gòu)的示意圖

首先是提高絕緣樹脂本身的導(dǎo)熱性。提高聚合物鏈的有序性，使聲子能夠得到更多的散射。分子鏈結(jié)構(gòu)具有剛性骨架或者分子間具有強(qiáng)作用力（如氫鍵），可以抑制內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)熱性。熱量更容易沿著鏈條傳輸，分子鏈的取向?qū)τ诰酆衔锏哪蹜B(tài)結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率影響很大。液晶環(huán)氧樹脂（LCE）分子具有自組裝能力，在微區(qū)具有自取向特性和特定的方向，如圖所示。

液晶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱性之間的相關(guān)性

而常用的導(dǎo)熱填料有金屬類（金屬顆粒、金屬纖維等）、氧化物（Al2O3、BeO、MgO 等）、氮化物類（AlN、BN、Si₃N₄等）以及碳化物類（SiC、石墨、石墨烯和CNT等）。填料的種類、負(fù)載量、尺寸、形態(tài)以及基質(zhì)之間的附著力等都影響著材料的導(dǎo)熱性能。

①金屬類填料：金屬類填料的導(dǎo)熱系數(shù)很高，但是金屬都能導(dǎo)電，易導(dǎo)致短路，限制了其在導(dǎo)熱絕緣材料中的應(yīng)用。另外，金屬纖維及顆粒均與聚合物的相容性很差，導(dǎo)致復(fù)合材料易于發(fā)生微觀相分離，從而使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)不高。以上問題可以通過金屬表面聚合物化接枝改性來加以克服。

②陶瓷填料：陶瓷本身是常用的絕緣導(dǎo)熱材料，使用陶瓷填料提高導(dǎo)熱性已經(jīng)得到了廣泛的研究。一般來說，除了BeO外，金屬氧化物（如Al₂O₃、SiO₂等）的熱導(dǎo)率較低，而氮化物（AlN、BN、Si₃N₄等）的熱導(dǎo)率較高。

氮化鋁填料

③碳基填料：碳基材料具有比陶瓷材料更高的內(nèi)在熱導(dǎo)率，因此少量的碳基填料就能顯著增加材料的熱導(dǎo)率。碳基材料中，石墨的熱導(dǎo)率相對較低，碳纖維和碳納米管是一維填充物，沿縱向具有高熱導(dǎo)率，石墨烯是具有單層結(jié)構(gòu)的二維碳材料。不同陶瓷填料（氧化鋁、氮化鋁、氧化硅和氮化硼）對導(dǎo)熱和加工的影響如圖所示。

不同陶瓷填料（氧化鋁、氮化鋁、氧化硅和氮化硼）對導(dǎo)熱和加工的影響

總結(jié)

總之，在封裝過程中，材料選擇具有決定性作用，不僅影響散熱效率、機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能，還直接關(guān)系到芯片的可靠性和壽命。合適的材料選擇需要在成本、環(huán)保和加工難度之間找到平衡，以滿足現(xiàn)代微電子產(chǎn)品對高性能、小型化和可持續(xù)發(fā)展的需求。當(dāng)前，封裝材料的研發(fā)方向集中在更高效的散熱材料、更環(huán)保的封裝方案、高可靠性和低成本材料，以及多功能集成材料，這些創(chuàng)新將進(jìn)一步推動封裝技術(shù)的發(fā)展，支持微電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步。

資料來源：

王娟娟,余英豐,景華,等.微電子封裝材料及其可靠性研究進(jìn)展[J].中國膠粘劑,2023,32(02):25-41+50.DOI:10.13416/j.ca.2023.02.004.

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