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陶瓷封装

文字:[大][中][小] 2016-9-3    浏览次数:9457    

  陶瓷封装属气密性封装,这种封装的优点是:①耐湿性好,不易产生微裂现象。②热冲击实验和温度循环实验后不产生损伤,机械强度高。③热膨胀系数小,热导率高。④气密性好,芯片和电路不受周围环境影响。因而它适用于航空航天、军事工程所用的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。目前,陶瓷封装虽然在整个封装行业里所占比例不大,却是性能比较完善的封装方式。在要求高密封的场合,唯一只能选用陶瓷封装。据报道,在功耗30W以内,陶瓷封装是最佳选择。因此,陶瓷封装材料令人瞩目。



  1、陶瓷封装概况

  国外陶瓷封装日本居首位,日本占据了美国陶瓷封装市场的90%~95%,占美国国防陶瓷封装市场的95%~98%。日本的NTK陶瓷公司、SMI公司和KyoceraInternational公司等三家陶瓷封装公司几乎垄断了美国电子武器装备用陶瓷封装IC和分立器件市场。90年代中期,美国政府命令防御电子系统只允许外购25%的陶瓷封装产品,其余都要由国内公司解决。国外用于高密度、高集成度陶瓷封装材料典型的产品有日本Kyocera公司生产的黑陶瓷粉料A440,白陶瓷粉料A473。

  我国IC用陶瓷外壳生产厂目前主要有三家:江苏宜兴电子器件总厂、福建南平闽航电子器件公司和中国电子科技集团公司第13研究所,这三家均有从国外引进的生产线,采用流延技术可生产方形扁平陶瓷封装(CQFP)、无引线陶瓷芯片封装(CLCC)、插脚阵列式陶瓷封装(CPGA)等产品。CPGA可生产44针~257针系列,CQFP可生产44线~160线系列。宜兴厂和南平厂的年生产能力均为130万套。

  2、陶瓷封装材料

  高密度、气密性陶瓷封装对陶瓷封装材料的主要要求是:热膨胀系数小,热导率高,耐湿性好。陶瓷封装材料主要有Al2O3、BeO、SiC、Si3N4等,它们经成形、装配、烧结后制作管壳。几种封装用陶瓷的特性如表7如示。

  (1)Al2O3陶瓷

  传统的陶瓷封装材料是Al2O3陶瓷,成分从85%到99.9%。随着Al2O3含量增加,热导率增加。掺杂某些物质可满足特殊封装的需要。Al2O3陶瓷的优点是有好的绝缘性,好的化学稳定性和力学性能,价格低,因而是目前主要的陶瓷封装材料。国内Al2O3瓷料的主要生产厂家有郑州铝厂、国营南京772厂、国营成都715厂、宜兴电子器材总厂。

  (2)SiC陶瓷

  由表7可见,在几种陶瓷封装材料中,SiC的热导率很高,是Al2O3的13倍,热膨胀系数也低于Al2O3和AlN。但是,SiC的介电常数太高,是AlN的4倍,所以仅适用于密度较低的封装而不适用于高密度封装。

  (3)AlN陶瓷

  AlN陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料。AlN是一种具有纤锌矿结构的Ⅲ-V族化合物,它具有与SiC相接近的高热导率,热膨胀系数低于Al2O3,断裂强度大于Al2O3,其维氏硬度是Al2O3的一半。与同等的Al2O3相比,AlN的低密度使重量降低20%。封装用AlN的制造方法有两种(6):①Al2O3碳热还原法,其反应式为:Al2O3+3C+N2=2AlN+3CO②直接氮化金属铝。与碳热反应相比较,直接氮化反应制得AlN粉体的颗粒尺寸分布范围较宽,平均颗粒尺寸较大。通常在氮气氛中约1800℃下烧结AlN。烧结助剂Y2O3或CaO从AlN表面或晶格上获得氧,在晶界三相点处形成液体晶界相(Y-Al-O或Ca-Al-O)或者迁移到AlN烧结体表面。这促进了AlN致密化和晶粒生长,同时能防止氧原子扩散到AlN晶粒中,使之能够实现高达200W/m•K以上热导率的一种有效方法。在有添加成分和无添加成分下热压烧结AlN,热导率均随原料粉体的氧含量增加而下降(7),所以原料粉体的氧含量不能超过1%。

  由于AlN封装材料具有诸多优良性能,引起国内外封装界的重视。日本开展该材料研制最早,技术也最成熟,1983年就研制出热导率为260W/m•K的AlN封装与基片材料。当前日本制作AlN粉体的主要公司有KYOCERA、NTK、德山曹达、东洋铝业、电气化学工业、三井东压化学。日本正在开发AlN封装陶瓷的公司有京陶、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。国内AlN陶瓷封装材料的生产厂家主要有:国营成都715厂、中国电子科技集团公司第43研究所、建材院特种陶瓷研究所、江苏宜兴电子器材总厂、南京化工学院、无锡微电子科研中心等。2001年,国内生产AlN、Al2O3陶瓷粉料约1200吨,在封装市场上供不应求。

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