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电子封装材料
高硅铝电子封装材料及课堂报告总结
摘要
关键词
Abstract
Keyword
第一章高硅铝电子封装材料
1.1应用背景
由于集成电路的集成度迅猛增加，导致了芯片发热量急剧上升，使得芯片寿命下降。
温度每升高10℃,GaAs或Si微波电路寿命就缩短为原来的3倍[1,2]。
这都是由于在微电子集成电路以及大功率整流器件中，材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力以及散热性能不佳而导致的热疲劳所引起的失效，解决该问题的重要手段即是进展合理的封装。
所谓封装是指支撑和保护半导体芯片和电子电路的基片、底板、外壳,同时还起着辅助散失电路工作中产生的热量的作用[1]。
用于封装的材料称为电子封装材料，作为理想的电子封装材料必须满足以下几个根本要求[3]:
①低的热膨胀系数,能与Si、GaAs芯片相匹配,以免工作时,两者热膨胀系数差异热应力而使芯片受损；
②导热性能好,能及时将半导体工作产生的大量热量散发出去,保护芯片不因温度过高而失效；
③气密性好,能抵御高温、高湿、腐蚀、辐射等有害环境对电子器件的影响；
④强度和刚度高,对芯片起到支撑和保护的作用；
⑤良好的加工成型和焊接性能,以便于加工成各种复杂的形状和封装；
⑥性能可靠,本钱低廉；
⑦对于应用于航空航天领域及其他便携式电子器件中的电子封装材料的密度要求尽可能的小,以减轻器件的重量。
1.2国外研究现状
目前所用的电子封装材料的种类很多,常用材料包括瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料等。
国外金属基电子封装材料和主要性能指标如表1-1。
表1-1常用电子封装材料主要性能指标[1,4]
材料
密度〔ρ〕
g/cm3
导热率〔K〕
Watts/m·k
热膨胀系数
（CTE）×106/K
比导热率
W·cm3/m·K·g
Si
2.3
135
4.1
5.8
GaAs
5.3
39
5.8
10.3
Al2O3
3.9
20
6.5
6.8
BeO
3.9
290
7.6
74.4
AlN
3.3
200
4.5
60.6
Al
2.7
238
23.6
88.1
Cu
8.96
398
17.8
44.4
Mo
10.2
140
5.0
13.5
从表1-1可以看出，作为芯片用的Si和GaAS材料以及用做基片的Al2O3、BeO等瓷材料，其热膨胀系数〔CTE〕值在4×10-6/K到7×10-6/K之间，而具有高导热系数的Al和Cu，其CTE值高达20×10-6/K，两者的不匹配会产生较大的热应力，而这些热应力正是集成电路和基板产生脆性裂纹的一个主要原因之一。
在航空航天飞行器领域使用的电子系统中，满足电子封装材料的其他根本要求的同时，轻质是首要的问题。
对于表1-1中所提到的三类轻质低密度电子封装材料中，氮化铝的热膨胀系数与Si十分接近，且氮化铝的刚度和密度较低，使其非常适合于电子封装，然而它存在不能电镀的问题。
BeO的热膨胀系数与GaAs相近，也具有良好的热传导性等其他优良性能，可是，这种材料由于剧毒，不符合现代材料研究中对环境友好性的要求，因而限制了它的应用。
为满足现代航空航天电子封装的需要，急需寻找一种新型轻质电子封装材料，而高硅铝合金以及金属基复合材料电子封装正好复合这一要求，作为新型轻质电子封装材料，高硅铝合金以及金属基复合电子封装材料有着十分诱人的应用前景，代表了新型轻质封装材料的开展方向。
1.3高硅铝合金电子封装材料
高硅铝合金电子封装材料由于具有质量轻〔密度小于2.7g/cm3〕、热膨胀系数低、热传导性能良好、以及高的强度和刚度，与金、银、铜、镍可镀，与基材可焊,易于精细机加工、无毒等优越性能[5-7],符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向开展的要求。
另外,铝硅在地球上含量都相当丰富,硅粉的制备工艺成熟,本钱低廉,所以铝硅合金材料成为一种潜在的具有广阔应用前景的电子封装材料,受到越来越多人的重视,特别是在航空航天领域。
高硅铝合金封装材料作为轻质电子封装材料,其优点突出表现在,一是通过改变合金成分可实现材料物理性能设计；二是该类材料是飞行器用质量最轻的金属基电子封装材料,兼有优异的综合性能；三是可实现低本钱要求。
表1-2硅和铝单质的性能
元素
Al
Si
熔点〔℃〕
660
1410
比热容〔J/kg·K〕
0.905
0.713
密度〔g/cm3〕
2.7
2.3
热膨胀系数〔×10-6/K〕〔室温〕
23.6
4.1
导热率〔W/m·K〕〔室温〕
237
148
由表1-2可见，利用硅和铝的单质配制的合金密度在2.3~2.7g/cm3之间，热膨胀系数CTE在4.5~11×10-6/K之间，而导热率大于100W/m·K。
故用这两种胆汁材料，通过改变规律成分的配比，就可以制备出能满足航空航天电子封装材料所要求的高硅铝合金。
1.3.1铸造高硅铝合金
熔炼铸造方法是指被大多数合金材料所使用的最广泛的一种方法，其设备简单、本钱低，可实现大批量工业化生产。
熔铸法制备高硅铝合金材料主要有变质铸造法和特种铸造等方法。
对于高硅铝合金材料，其性能在很大程度上与初晶硅、共晶硅的大小、形态及分布有关,假设其尺寸粗大，那么所获材料性能就差[8,9]。
所以，细化初晶硅和共晶硅晶粒尺寸就成了铸造铝硅合金的研究重点。
利用铸造法生产高硅铝合金其硅含量最高到达30%，而且其铸态显微组织主要由粗大的、孤立的、多面化的和高纵横比的一次Si晶体组成，这会导致材料部的各向异性，极不利于合金的综合性能和可加工性，所以，对于制造综合性能要求比拟严格的电子封装材料，是不太可行的方法。
因此，特殊的铸造方法如挤压铸造、搅拌铸造、气体压力渗透铸造、无压渗透铸造等又成了人们关注的重点[1]。
对于用铸造法制备的高硅铝合金，经细化变质后，其机械强度比细化变质前提高45%左右，力学性能一般为160Mpa左右，不过整体力学性能还是比拟低。
因此，高硅铝合金应用受到很大限制。
1.3.2粉末冶金高硅铝合金
快速凝固高硅铝合金的制备主要有两种方法,即快速凝固粉末冶金方法和喷射沉积法。
快速凝固粉末冶金的关键工序是雾化制粉和粉坯热挤压或热锻,最常用的雾化制粉方法是超音速气体雾化法。
它是利用一种特殊的高压气体喷嘴产生高速高频脉冲气流冲击金属液流,直接把它粉碎成细小、均匀熔滴,经强制气体对流冷却凝固成细小粉末,这种制粉方法特点是粉末颗粒细小均匀,形状相对规整,近似球形,粉末收得率高。
热挤压热锻是通过压头冲头对预压粉末产生静水压力冲击力,使粉末发生移动,填充间隙,粉末在热和力的作用下发生变形,相互间产生滑动,靠磨擦破碎颗粒间界面,通过咬合粘结而结合在一起。
控制粉坯热挤压热锻的主要工艺参数有加热温度,压力冲击力,挤压比锻压比及模具构造等。
此外,用于制备快速凝固一合金的方法还有平面流铸造法、熔体旋淬法、等离子外表喷涂沉积法等。
粉末冶金方法,有其固有优点制造温度低于熔模铸造法,因高温引起的界面反响少,可在同一机件不同位置参加不同的数量和品种的增强物,以得到不同的性能而且用这种方法制备的材料可一次成形,少切削加工。
但其缺点也很明显,其工艺复杂,导致本钱较高,粉末易氧化、压型不致密,难以满足电子封装气密性要求。
尤为重要的是,所制备的材料第二相含量不能太高[10]。
日本从八十年代开场就一直对多元快速凝固高硅铝合金的性能进展研究说明采用快速凝固技术制备高硅铝合金具有高强度、高耐热性、良好的耐磨性及低的热膨胀系数。
1.3.3喷射沉积高硅铝合金
以喷射成形制备钢铁材料轧辊技术为根底，工业大学在双工位喷射成形雾化技术趋于成熟的条件下，提出了进展双金属（Al-12%Si和Al-50%Si）复合板一步法喷射成形的概念，即采用双工位雾化喷射系统，同时喷射2种不同成分的合金，通过调节2个雾化器喷射合金的成分和雾化锥的叠加面积，可一步式制备具有成分梯度的功能材料，其原理示意图如图4所示。
德国不莱梅大学的成松也以钢为对象进展了相似的研究，通过模拟和实验研究了不同碳含量的2种合金的一步式喷射成形，分析了不同喷射工艺对成分梯度的影响[11],如图5所示。
图1-1梯度板坯双工位喷射成形示意图[11]
第二章计算机部构造拆解
2.1计算机开展简介
计算机〔computer〕俗称电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进展数值计算，又可以进展逻辑计算，还具有存储记忆功能。
是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。
1946年美国诞生世界上第一台电子计算机“ENIAC〞，由此开启了计算机迅猛开展的时代。
1946年至1958年，为第一代电子管计算机，体积较大，功耗高，可靠性差，运算速度慢，为之后计算机的开展奠定了根底。
第二代晶体管计算机应用了操作系统高级语言以及编译程序，较第一代计算机有较大的提高。
第三代集成电路数字机采用小规模集成电路，运算速度有所提升，可靠性有所提高。
而第四代那么为如今大规模集成电路机，硬件方面及逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路，计入微型计算机新时代。
2.2计算机硬件构造及作用
计算机由硬件系统和软件系统两局部组成。
其中硬件包括电源，主板，存，CPU，硬盘，网卡，显卡，声卡等局部。
电源是电脑中不可缺少的供电设备，它的作用是将220V交流电转换为电脑中使用的5V、12V、3.3V直流电，其性能的好坏，直接影响到其他设备工作的稳定性，进而会影响整机的稳定性。
主板（图2-1）是电脑中各个部件工作的一个平台，它把电脑的各个部件严密连接在一起，各个部件通过主板进展数据传输。
也就是说，电脑中重要的“交通枢纽〞都在主板上，它工作的稳定性影响着整机工作的稳定性。
图2-1主板
图2-2CPU
CPU〔图2-2〕即中央处理器，是一台计算机的运算核心和控制核心。
其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
CPU由运算器、控制器、存放器、高速缓存及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。
作为整个系统的核心，CPU也是整个系统最高的执行单元，因此CPU已成为决定电脑性能的核心部件。
图2-3
存〔图2-3〕又叫部存储器或者是随机存储器〔RAM〕，分为DDR存和SDRAM存，但是SDRAM由于容量低，存储速度慢，稳定性差，已经被DDR淘汰了。
存属于电子式存储设备，它由电路板和芯片组成，特点是体积小，速度快，有电可存，无电清空，即电脑在开机状态时存中可存储数据，关机后将自动清空其中的所有数据。
硬盘属于外部存储器，机械硬盘由金属磁片制成，而磁片有记忆功能，所以储到磁片上的数据，不管在开机，还是关机，都不会丧失。
声卡是组成多媒体电脑必不可少的一个硬件设备，其作用是当发出播放命令后，声卡将电脑中的声音数字信号转换成模拟信号送到音箱上发出声音。
显卡在工作时与显示器配合输出图形、文字，作用是将计算机系统所需要的显示信息进展转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，是“人机对话〞的重要设备之一。
网卡是工作在数据链路层的网路组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。
网卡的作用是充当电脑与网线之间的桥梁，它是用来建立局域网并连接到Internet的重要设备之一。
2.3计算机存条构造分析实验
对存条进展切割，取其中两局部存芯片，镶样，是芯片横截面和剖面处于同一平面，经过200#、800#、1500#、2000#砂纸打磨，抛光。
在显微镜下对样品进展分析。
2.3.1印刷电路板
印刷电路板〔又称为PCB板〕，部有金属布线，一般分为单面板，双面板以及多面板。
单面板使得金属布线只能集中在一面上，使得设计线路上有许多严格设计，布线之间不能穿插必须绕单独的路径。
双面板和多面板那么可以解决单面板布线交织的难点，更适合用于复杂的电路上。
PCB板可以大大减少布线和装配的过失，提高了自动化水平和生产劳动率。
如图2-4，此PCB板为6层构造，其设计较4面板电气性能更加突出，部金属布线用于传导电信号。
图2-4PCB板〔50倍〕
图2-5芯片〔50倍〕
2.3.2芯片
芯片即含集成电路的硅片，一般由硅晶圆切割、涂膜、刻蚀等过程制备而成，用于存储数据。
如图2-5，在切割或打磨过程中，受到应力作用，导致出现微裂纹，对芯片造成一定程度的破坏。
2.3.3引线与引线框架
引线框架〔见图2-6〕作为集成电路的芯片载体，是一种借助于键合材料〔金丝、铝丝、铜丝〕实现芯片部电路引出端与外引线的电气连接，形成电气回路的关键构造件，它起到了和外部导线连接的桥梁作用，绝大局部的半导体集成块中都需要使用引线框架。
引线〔图2-7〕有金丝、铝丝、铜丝，一般多数用金丝作为引线，金丝引线耗金量较小，导电性较为良好，不易氧化，传输信号不易被干扰。
〔a〕引线框架〔8倍〕〔b〕引线框架〔50倍〕
图2-6引线框架
图2-7引线
2.3.4引脚
如图2-8，此存引脚大约在0.4mm左右，由通过软钎焊焊接在PCB板的焊盘上，与PCB板的金属布线形成导电通路，传导电信号进出芯片。
〔a〕引脚〔8倍〕〔b〕引脚〔50倍〕
图2-8引脚
2.4本章小结
图2-9存芯片简图
如图2-9，为存芯片简图，得出以下结论：
1．存芯片主要由硅芯片，引线，引线框架，引脚等部位构成。
2．硅芯片通过引线及引线框架连接外部电路。
3．引脚通过焊接在PCB板的焊盘部位，再通过PCB板部金属布线形成通路。
第三章软硬水检测及硬水软化
3.1水的硬度
水的硬度指水中钙、镁离子的总浓度，其中包括碳酸盐硬度〔即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子，故又叫暂时硬度〕和非碳酸盐硬度〔即加热后不能沉淀下来的那局部钙、镁离子，又称永久硬度〕。
3.2软硬水检测
软硬水定性检测方法一般用肥皂水法，即肥皂水泡沫较少有大量浮渣的为硬水，而形成大量泡沫几乎不产生浮渣的为软水。
软硬水定量检测方法一般采用EDTA滴定法。
3.3硬水软化方法
硬水软化方法有煮沸、蒸馏法、离子交换法、电渗析法、磁化法等。
其中实验室较多采用蒸馏法，而工业多采用离子交换法。
3.4离子交换法
离子交换法即利用离子交换剂中的可交换基团与溶液中各种离子间的离子交换能力的不同来进展别离的一种方法。
离子交换法软化硬水的根本原理为当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降，硬水就变为软水。
而当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生〞。
影响离子交换速度的主要因素为树脂的颗粒粒度和待软化水的流速以及树脂再生速度。
3.5本章小结
本章主要介绍水的硬度根本定义，软硬水定性定量检测方法以及常用的硬水软化方法，最后简单介绍了离子交换法进展硬水软化的根本原理。
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