專利名稱：一種Si-Al合金復合封裝構件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子封裝構件，具體地，本發(fā)明涉及ー種Si-Al合金復合封裝構件。
背景技術：
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作用為微電子器件提供機械支撐和環(huán)境保護，避免有害環(huán)境對器件的影響，放置局部高電流、電壓信號以及因發(fā)熱而影響周圍的器件；為封裝內(nèi)外電路提供信號輸入輸出通路；提供散熱通路。
熱膨脹性能半導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、連線和焊點之間產(chǎn)生的熱應カ會對封裝結構產(chǎn)生不利的影響，甚至導致電子電路的損壞或造成封裝結構的變形等不良后果。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。半導體器件材料一般具有較低的CTE,例如，Si的CTE為2. 3 4. 3 X 10_6/。。，神化鎵的CTE接近6 X 10_6/。。。因此封裝材料應具有較低的熱膨脹系數(shù)(與半導體器件材料相同或稍高ー些)。導熱性“集成度”的概念是指ー只芯片中放置的微電子元件數(shù)，表征微電路的復雜性和完善性。半導體技術的發(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)熱量將會增加。因此，封裝時需要采用具有良好導熱能力的材料以滿足提高集成度帶來的散熱要求。密度先進電子技術的應用，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，重量的增加將會帶來極大的額外成本。每公斤有效載荷的空運成本為50000英鎊，而對于戰(zhàn)術和戰(zhàn)略導弾，減重將會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的復合材料代替密度超過8g/cm3的Kovar合金,一架先進戰(zhàn)斗機的雷達系統(tǒng)將減重數(shù)公斤。所以，材料輕量化所產(chǎn)生的經(jīng)濟和軍事效益是顯而易見的。封裝エ藝性能作為封裝材料還需具有合理的封裝エ藝性能，包括可機械加工性、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、光和機械性能，同時對系統(tǒng)的小型化、輕量化起著關鍵的作用。因此要求電子封裝材料具有低膨脹系數(shù)、低密度、高熱導率和良好機械性能，同時具有良好的封裝エ藝性能、高可靠性和低成本。復雜電路基板多為復合陶瓷材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)約為7ppm/K，而目前用于封裝的 Al-50Si復合材料熱膨脹系數(shù)約llppm/K。當電路基板與Al_50Si底板完成釬焊后，由于ニ者熱膨脹系數(shù)的差距，造成封裝底板存在殘余應カ引起微量變形。如圖I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復合材料底板釬焊后的殘余應カ及應變分布云圖，通過計算結果可見殘余應カ最高達50MPa，殘余應變?yōu)?br> 2ΧΙΟ—1，造成構件變形。
另外，封裝構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復合材料極高的Si成分差異，易導致焊接區(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，導致發(fā)生封裝結構密封失效。如本發(fā)明圖2所示為不同Si含量的Si-Al復合材料激光焊接區(qū)域掃描電鏡圖片。A圖中可以看出初晶硅的破碎，B圖中圓圈所標注地方，可以看到熔池氣孔。因此，最為理想的封裝構件應是ー種梯度性的結構，即封裝底板應具有與復雜電路基板(LTCC)相近的熱膨脹系數(shù)，以避免形成焊接殘余熱應カ；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。這樣的封裝結構是ー種自上而下熱膨脹系數(shù)逐步降低的梯度結構
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供ー種Si-Al復合封裝構件，所述構件的是ー種梯度性的結構，即封裝底板應具有與電路基板(LTCC)相近的熱膨脹系數(shù)，以避免形成焊接殘余熱應カ；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。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案所述Si-Al復合封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為5廣70%。Al-Si復合材料電子封裝材料中，高體積分數(shù)的硅基體保證了其較低的熱膨脹系數(shù)，從而很好地解決了與電子芯片相匹配的問題，而合金內(nèi)部連通分布的鋁金屬則保障了封裝材料高的導熱散熱性能，硅和鋁單質(zhì)兩者的低密度同時保證了合金材料的輕質(zhì)性能。同時，硅和鋁在地球上的含量十分豐富，硅粉與鋁粉單質(zhì)的制備エ藝也相當成熟，成本比較低。所以硅鋁復合材料電子封裝材料有望成為ー種應用前景廣闊的電子封裝材料，特別是用于航空航天及便攜式電子器件等高科技領域。Si-Al復合材料中，隨著Si含量的増大，Si-Al復合材料的熱膨脹系數(shù)逐漸減小?，F(xiàn)有技術中，LTCC基板為復合陶瓷材質(zhì)，其熱膨脹系數(shù)約7ppm/K，而目前用于封裝的Al-50Si復合材料熱膨脹系數(shù)約llppm/K。因此，需要降低現(xiàn)有的封裝底板材料的熱膨脹系數(shù)。因此，本發(fā)明所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為5廣70%，例如52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%。所述封裝底板可以采用某ー單ー Si含量的Si-Al復合材料，也可以采用兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料進行復合得到封裝底板。例如，封裝底板可以采用Si 含量分別為 52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%的Si-Al復合材料，也可以選擇上述至少兩種的組合，例如52%Si_Al復合材料和53%Si-Al復合材料的組合，54%Si-Al復合材料和55%Si_Al復合材料的組合，56%Si_Al復合材料和57%Si-Al復合材料的組合，58%Si-Al復合材料和59%Si_Al復合材料的組合，60%Si-Al復合材料和61%Si-Al復合材料的組合，62%Si_Al復合材料和63%Si_Al復合材料的組合,64%Si-Al復合材料和65%Si-Al復合材料的組合，66%Si_Al復合材料和67%Si_Al復合材料的組合，68%Si-Al復合材料和69%Si-Al復合材料的組合，69%Si_Al復合材料和70%Si-Al復合材料的組合。作為優(yōu)選技術方案，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為55 70%，優(yōu)選60 70%，進ー步優(yōu)選70%。本發(fā)明所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中 Si 元素的質(zhì)量百分比為 30 55%，例如 31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、49. 5%。所述封裝側(cè)壁可以采用某ー單ー Si含量的Si-Al復合材料，也可以采用兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料進行復合得到封裝側(cè)壁。例如，封裝側(cè)壁可以采用 Si 含量分另Ij 為 31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、49. 5%,50%的Si-Al復合材料，也可以選擇上述至少兩種的組合，例如31%Si-Al復合材料和32%Si-Al復合材料的組合，33%Si_Al復合材料和34%Si_Al復合材料的組合,35%Si-Al復合材料和36%Si-Al復合材料的組合，37%Si_Al復合材料和38%Si_Al 復合材料的組合，39%Si-Al復合材料和40%Si-Al復合材料的組合，41%Si_Al復合材料和42%Si-Al復合材料的組合，43%Si-Al復合材料和44%Si_Al復合材料的組合，45%Si_Al復合材料和46%Si-Al復合材料的組合，47%Si-Al復合材料和48%Si_Al復合材料的組合，49%Si-Al復合材料和50%Si-Al復合材料的組合。作為優(yōu)選技術方案，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為35 50%，優(yōu)選40 50%，進ー步優(yōu)選40%或50%。綜上所述，可以得知，本發(fā)明所述封裝構件中的封裝底部可以選擇単一 Si含量的Si-Al復合材料，也可以采用兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料進行復合得到封裝底板，所述封裝底部的具體材料選擇如上所述，本發(fā)明在此不再一一贅述。本發(fā)明所述封裝構件中的封裝側(cè)壁可以選擇単一 Si含量的Si-Al復合材料，也可以采用兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料進行復合得到封裝側(cè)壁，所述封裝側(cè)壁的具體材料選擇如上所述，本發(fā)明在此不再一一贅述。本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為5廣70%，例如52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%。所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al合金中Si元素的質(zhì)量百分比為3(Γ55%，例如 31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、49. 5%。本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ;所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為40%。本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ;所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為50%。本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為65% ;所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為40%或50%。
本發(fā)明所述40%Si-Al或50%Si-Al或70%Si_Al復合材料即上述復合材料中Si的質(zhì)量百分比分別為40%或50%或70%，本發(fā)明在此不對所有的Si-Al復合材料一一列挙。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明采用將兩種或以上不同熱膨脹系數(shù)的Si-Al材料復合成為封裝構件，具有與梯度封裝結構相似的功效，在本發(fā)明優(yōu)選方案中，所述封裝底板采用與LTCC基板熱膨脹系數(shù)相同的70%Si-Al復合材料，而封裝側(cè)壁采用激光焊接エ藝成熟的40%Si-Al或50%Si-Al復合材料，從而既防止了封裝底板變形，又保證了封蓋焊接的可靠性。


下面結合附圖并通過具體實施方式
來進ー步說明本發(fā)明的技術方案。
圖I :LTCC基板與Al_50Si復合材料底板焊接后的殘余應カ計應變分布云圖；圖2 =Si-Al復合材料激光焊接區(qū)域的掃描電鏡圖片，其中，A、B圖分別表示不同Si含量的Si-Al復合材料；圖3 :實施例I所述封裝構件結構示意圖，A :封裝構件立體圖，B :封裝構件剖面圖a :封裝側(cè)壁為50%Si_Al合金材料；b :封裝底板為70%Si_Al復合材料；圖4 :實施例I所述50%Si_Al和70%Si_Al復合材料的掃描電鏡圖片；a 50%Si-Al 復合材料；b :70%Si_Al 復合材料。
具體實施例方式為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實施例如下實施例I本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ;所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為50%。實施例2本發(fā)明典型但非限制性的封裝構件為所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ;所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為40%。實施例3ー種Si-Al復合封裝構件，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為51%。所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為30%。實施例4ー種Si-Al復合封裝構件，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為60%。所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料,所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為55%。實施例5ー種Si-Al復合封裝構件，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70%。所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為40%。本發(fā)明采用將兩種或以上不同熱膨脹系數(shù)的Si-Al材料復合成為封裝構件，具有與梯度封裝結構相似的功效，在優(yōu)選的實施方案中，封裝底板采用與LTCC基板熱膨脹系數(shù)相同的70%Si-Al復合材料，而封裝側(cè)壁采用激光焊接エ藝成熟的40%Si-Al或50%Si_Al復合材料，從而既防止了封裝底板變形，又保證了封蓋焊接的可靠性。應該注意到并理解，在不脫離后附的權利要求所要求的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠?qū)ι鲜鲈敿毭枋龅谋景l(fā)明做出各種修改和改進。因此，要求保護的技術方案的范圍不受所給出的任何特定示范教導的限制。申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術領域的 技術人員應該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
權利要求
1.ー種Si-Al合金復合封裝構件，其特征在于，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料,所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為51 70%。
2.如權利要求I所述的封裝構件，其特征在于，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為55 70%，優(yōu)選60 70%，進ー步優(yōu)選70%。
3.如權利要求I或2所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝底板的材料為單ーSi含量的Si-Al復合材料。
4.如權利要求1-3之一所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝底板的材料為兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料。
5.如權利要求1-4之一所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為3(Γ55%。
6.如權利要求5所述的封裝構件，其特征在于，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為35 50%，優(yōu)選40 50%，進ー步優(yōu)選40%或50%。
7.如權利要求5或6所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝側(cè)壁的材料為單ーSi含量的Si-Al復合材料。
8.如權利要求5-7之一所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝側(cè)壁的材料為兩種或兩種以上的不同Si含量的Si-Al復合材料。
9.如權利要求1-8之一所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ； 所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為40%。
10.如權利要求1-8之一所述的封裝構件，其特征在于，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為70% ； 所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為50%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Si-Al合金復合封裝構件，所述封裝構件的封裝底板的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為51~70%；所述封裝構件的封裝側(cè)壁的材料為Si-Al復合材料，所述Si-Al復合材料中Si元素的質(zhì)量百分比為30~55%。本發(fā)明采用將兩種或以上不同熱膨脹系數(shù)的Si-Al材料復合成為封裝構件，具有與梯度封裝結構相似的功效，從而既防止了封裝底板變形，又保證了封蓋焊接的可靠性。
文檔編號C22C21/02GK102690982SQ20121019699
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權日2012年6月14日
發(fā)明者禹勝林 申請人:無錫炫普復合材料科技有限公司