导热型高性能树脂微电子封装材料之二_封装材料的导热和热膨胀性能.pdf

王家俊等导热型高性能树脂微电子封装材料之二 封装材料的导热和热膨胀性能导热型高性能树脂微电子封装材料之二封装材料的导热和热膨胀性能王 家俊,益小苏浙江工程学院,浙江杭州北京航空材料研究院,北京为摘要微电子行业迫切需要新一代优异性能的封装材料。采用聚醚亚胺氮化铝复合材料作为封装材料,可以组合聚酞亚胺和氮化铝的优点,具有高导热、低热胀、低介电、电绝缘等优异的性能,应用于现代微电子领 域前景 良好。文章讨论了这种 封装材料的导热性能和热膨胀性能。聚酸亚胺氮化铝复合封装材料导热系数随氧化铝的加入量而显著提高,方程 最适合于描述该封装材料的导热系数。聚酞亚胺与氮化铭复合后 热膨胀系数显著减小。关键词材料封装导热 系数热膨胀聚既亚胺中图分类号月阵科文献标识码文章编号一以一一班加旧加】柱 讨盯”注脚的价优,故一,盯,飞滋,四,二娜击初】而,坷林 而耐月卜样,山,城,卯而刀,山,叉礴滋侣之匆飞而了班而二。山妞浙诚,二,。甲皿屺哪硒匆皿犯滋叭侣,月一个电子系统的大部分功能都可集成于一个单芯片的封装内,因此对微电子封装要求也越来越高。目前一个集成电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。高性能微电子封装技术已形成与集成电路产业相适应的高新技术产业。微电子封装技术已逐渐成为影响微电子技术发展的重要因素之一。微电子封装已逐渐发展成为一门多学科交叉的研究课题,。由于微电子的高密度化和高速化,必然导致发热量提高,电路工作温度不断上升。实验证明,单个元件的失效率与其工作温度成指数关系,功能则与其成反比。因而如何提高芯片的散热效率,使得电路在正常温度下工作就显得尤为重要。解决这个问题的一个重要手段是研究和开发导热性能优良的新型封装材料。电路工作温度变化形成的热冲击,直接影响到电子元器件的稳定,因此要求封装材料的热膨胀与芯片有良好的匹配。塑料封装生产性和经济性好,其它性能基本能满足现代微电子行业对封装材料的要收稿日期二一一作者简介 王家俊一,男,杭州人,博士,浙江工程学院副教授,主要研究方向为包装材料、纺织品包装。包装工程入丫哄,。州一一门曰日日心,。卜日卜睁研淤坐燕求,但其导热和热膨胀性能已越来越不适应微电子发展的需要了仁一。聚酞亚胺 氮化铝复合材料作为微电子封装材料,可以结合聚酚亚胺和氮化铝的各自优点,具有高导热、低热胀、低介电、电绝缘、耐高温等优异的性能,应用于现代电子领域前景良好阮。前文已讨论了采用聚酞亚胺为基体的聚酞亚胺氮化铝复合封装材料的制备幻。在此主要讨论其导热性能和热膨胀性能。零导热性能研究如氮化铝体积咐材料的导热性由该材料的导热系数决定。复合材料的导热系数不仅与其组成各相的导热系数有关,而且还与各相的相对含量,其形态、分布、以及相互作用等有关。因此准确地预测聚酚亚胺 氮化铝复合封装材料需要在理论和实践上进行探讨。“并联”和“串联”方程如果复合材料各相的分布为平行板式,则可借助电子学中将电阻电导率串、并联求电路总电导率的方法,准确地求出复合材料的导热系绷,一川。当热流方向与平行板的平面平行时,相当于一个“并联电路”。这时平行板内每一层具有相同的温度梯度,大部分热流则通过平行板内导热系数较高的层。因此平行板总的导热系数几。为图导热系数实测值和“并联”、“串联”方程预测曲线方程通常情况下,复合材料中的相分布为一相随机地分布在另一相中。文中研究的封装材料就是氮化铝粒子随机地分布在聚酞亚胺基体中。扫描电镜照片阁表明聚酚亚胺氮化铝复合封装材料中氮化铝以颗粒状随机地分布于聚酚亚胺基体。对这类更具普遍意义相分布的复合材料导热系数,最早的研究可追溯到年的日方程。假设分散相为球形粒子,粒子之间的距离足够远而没有相互作用。推导出的球形粒子随机分布在连续基体中的复合体系导热系数几。的方程为,习几。几矶几。一几几。二几一二一一一下万丁一下二二尸二一二二仁几乙八一气入一几夕。二乙认凡式中,从为各层所占的体积百分数久为各层的导热系数。这种情况下复合材料的导热性能主要由导热系数较高的层决定。当热流方向与平行板的平面垂直时,相当于“串联电路”。这时,通过平行板内每一层的热流相等,但温度梯度不等。平行板总的导热系数又。为一一土凡式中各符号的意义与式相同。这种情况下复合材料的导热性能主要由导热系数较低的层决定。图是聚酚亚胺 氮化铝复合封装材料导热系数按式、式计算的理论曲线和实测数据。实验中所用材料的导热系数分别是聚酞亚胺基体的导热系数几,侧。氮化铝导热系数几鱿聊。显然,适用于描述平行板式相分布复合材料导热系数的“并联”和“串联”方程并不适用于聚酞亚胺氮化铝复合封装材料。这是因为该封装材料的相分布与平行板式相分布有很大差距。式中入和久分别为连续相基体和分散相粒子的导热系数,矶为分散相粒子的体积百分数。图是聚酚亚胺氮化铝复合封装材料的导热系数按式计算的理论曲线和实测数据。由图可见,桃方程式比较适用于描述聚酚亚胺氮化铝复合封装材料的导热系数,这是因为该材料中的相分布方式为 氮化铝以颗粒状随机地分布于聚酚亚胺基体中。进一步分析图,可以发现氮化铝含量较低时,实验数据与沉脚方程的理论曲线相当一致但氮化铝含量较高时,实验数据与理论曲线有相当大的差异。其原因可以从方程的假设条件二 贫现。因为】假设分散相粒子之间的距离足够远而没有相互作用,而当粒子含量较高时,就需要考虑粒子间的相互作用。因此方程只能预测氮化铝含量小于巧时的聚酚亚胺 氮化铝复合封装材料的导热系数。畏笋方程路认为,高粒子含量复合材料的导热系数计算,可以将相邻粒子的作用,通过逐渐增加分散粒子数的方法来解决。对每一次增加极少量粒子量,用盯方程的微分形式,然后对于粒子含量为矶的体系进行积分,从而王家俊等导热型高性能树脂微电子封装材料之二封装材料的导热和热膨胀性能得到 高 粒 子 含 量复 合 材 料 导热系数的方程,。卜。,乒。奥二华空入入一八时,经睑关系式明显高佑了几。认为可以应用求解复合材料性能的常用公式咖公 式作为 复合 材 料 导 热系数经 验方程,“、了、少尹厂、护、式中各符号的意义同前。根据刀方程计算的聚酚亚胺 氮化铝复合封装材料的导热系数理论曲线如图所示。由此可见,方程最适合于描述聚酚亚胺氮化铝复合封装材料的导热系数。此外,图中数据表明,氮化铝的加入对提高聚酷亚胺的导热性能有明显作用,氮化铝含量巧时,导热系数就增加一倍 氮化铝含量达到,导热系数增加达倍左右。矶一脚矶一一凡一拍二凡几几一几几怕怕从翔爬日明卯帕了了了宙了月了尹了了子了才,上止匕一一六乙丫舀、醉外岭塑藕叨印氮化铝体积图方程和腼段奖田方程导热系数理论曲线上经验模型复合材料导热系数理论模型的建立通常首先对复合材料的某些方面进行简化、假设,然后建立数学方程,通过数学求解最后得到复合材料导热系数方程。其优点是如果实际复合材料非常接近简化、假设条件,就可以得到相当准确的结果。如方程,用于预测少量球形粒子随机分布在大量基体中这类复合材料的导热系数相当准确。但实际复合材料可能复杂得多,因此需要针对不同实际情况进行改进。但在实际应用中,有时会感到有些改进方程太繁复、有些方程中需要一些实验数据。所以许多学者对复合材料导热系数的经验模型进行了研究,“一。考虑用各组分导热系数的加权几何平均作为经验公式来描述复合材料的导热系数,给出如下经验关系式。对一甲乒式中各符号意义同前。用式计算的聚酚亚胺氮化铝复合封装材料导热系数经验曲线与实测值的比较如图所示。当氮化铝含量少于时,计算值与实测值比较接近。当氮化铝含量较高时,计算值明显高于实测值。事实上,加等已发现对于许多复合体系,当几从超过甲一珠呱 其中,是与爱因斯坦系数 凡 有关的常数,对于大多数不规则粒子,取凡二。是与各组分导热系数有关的常数。沪是与粒子最大堆积体积百分数珠有关的函数。玖是粒子最紧密堆积时粒子所占的体积百分数,大多数粉末都可取礁二。式计算的聚酚亚胺氮化铝复合封装材料导热系数经验曲线与实测值的比较如图所示。其中值取,礁取。计算值在较大范围内都与实测值相当接近。只有到接近粒子最大堆积体积百分数玖时,计算值迅速上升,与实测值误差较大。事实上,大多数复合材料的导热系数应该介于平行板式相分布的并联上限式与串联下限式之间。所以我们认为可以用混联关系式作为复合材料导热系数经验方程几艺二一矶几矶几三式中参为经验常数,介于一到十之间,取下限一即为串联下限时的情况、取上限十即为并联上限时的情况。一般情况时,参由实验确定。爹一旦确定后,式就可以应用于相似体系复合材料导热系数的计算。图也给出了按式计算的聚酞亚胺氮化铝复合封装材料导热系数的经验曲线,其中芬取。计算值与实测值始终相当一致。所以可以用混联关系式作为聚酷亚胺氮化铝复合封装材料导热系数的经验方程。用混联关系式作为复合材料导热系数经验方程的另一个优点是它还可以应用于多相复合材料几艺习认其中,几和认分别是第个组分的导热系数和体积百分数。套意义同前。热膨胀性能作为微电子封装材料,要求它与芯片有良好的热匹配。芯片主要材料的热膨胀系数为一,封装材料的热膨胀系数与此值越接近越好。一般来说,塑料的热膨胀都很大。其中高性能树脂聚包装工程刊僻厂厂石图是聚酚亚胺氮化铝复合封装材料的热膨胀系数实验数据和按、式计算的曲线。由图可见,聚酞亚胺 氮化铝复合封装材料的热膨胀系数实验值介于叭皿公式和公式之间,但比较接近公式。此外,实验结果表明,聚酞亚胺与氮化铝复合后,确实可以显著地减小其热膨胀系数。氮化铝含量达到左右,封装材料的热膨胀系数就降为一左右,能更好地满足现代微电子行业的要求。,八洲毛之酥冬帅敬塔切护。叮介、场科止功护、嘴。己啊撼辐簇仍加氮化铝体积图导热系数经验曲线与实测值酚亚胺是热膨胀较小的一个品种,但仍然达一左右。聚酚亚胺与氮化铝复合后,可显著减小其热膨胀系数。许多研究者,已对计算复合材料的热膨胀系数进行了研究。最简单的复合材料热膨胀系数计算公式是复合材料性能的混合律。姚其中表示材料的热膨胀系数,表示各组分的体积百分数下标。、分别代表复合材料、第一组分、第二组分。混合律虽然简单,但不够准确。研究了复合材料内部的应力,提出的复合材料热膨胀系数计算公式是、一。“二一氮化铝体积图聚酞亚胺 氮化铝复合封装材料的热膨胀系数结语叭久一丽瓦姚凡矶凡其中表示材料的体积模量,其它符号意义与前式相同。考虑了复合材料相间的剪切效应,提出 了复合材料热膨胀系数的计算公式。不同类型的复合材料,公式有不同的形式。对于聚酞亚胺氮化铝复合封装材料,属于一相分散在另一相基体中,公式是亡,矶一凡凡凡嘴凡凡,天,其中是材料的剪切模量,下标、分别代表基体和分散相,其它符号与前面相同。已有实验结果表明图对有些复合材料,山刀,公式的计算值与实验值能很好吻合而对另一些复合材料,沈公式的计算值比叭仰公式更符合实验结果 还有一些复合材料,实验值介于公式和公式之间。聚酞亚胺氮化铝复合封装材料导热性能随氮化铝的加入量而显著提高,氮化铝含量达到,导热系数增加达倍左右。巨 火刃方程可以预测氮化铝含量小于巧的聚酞亚胺 氮化铝复合封装材料的导热系数。方程最适合于描述该封装材料的导热系数。资取的混联关系式作为复合材料导热系数经验方程也能准确地反映其导热系数。孙扭聚酚亚胺与氮化铝复合后热膨胀系数显著减小。聚酷亚胺 氮化铝复合封装材料热膨胀系数的变化规律与公式较接近。致谢北京航空材料研究院陈涛为导热性能测试提供了许多帮助中国科学院化学研究所杨士勇研究员,为本研究提供聚酞亚胺单体反应物和预聚体信息产业部第研究所黄岸兵研究员,为本研究提供氮化铝原料。参考文献仁况延香,等迈向新世纪的微电子封装技术印刷电路与贴装,田,鲜飞微电子封装技术的发展趋势国外 电子元器件,仁黄强,等电子封装材料的研究现状材料导报,刃,王家俊等导热型高性能树脂微电子封装材料之二封装材料的导热和热膨胀性能一李枚微电子封装技术的发展与展望厂半导体杂志,刃,张忱,等跨人下世纪的微组装用材料材料导报,一二刀五从甲毗川刀而田印,刀一面,砚仆厂而龙,二 王家俊,益小苏导热型高性能树脂微电子封装材料工封装材料的制备 包装工程,奚同庚无机材料热物性学 上海上海科学技术 出版社,【,巧厂公,勿,。犯印】,收川。划仆阴,组心几,祀,仁一田一匀滩通”,一日司诚已山,犯一口卜丫,玉而此压、。以,。,欲】,一的民耐平】工们毛月【注,肠拓卿司、一如刀,一二们,面叨一刀碗苗血龙、矶众,一必止叨班出,、。一,巧门一精美、科学的日本食品包装日本的食品几乎都有装演精美的包装,而且越来越向轻巧、透明、多规格、方便的方向发展,既便于食用,又便于使用,便于携带,便于储存,便于计量。方便的食品小包装,日本很多方便食品均采用单件计量的包装。熟制面条、面包、旅行份饭盒、菜肴、熟肉食都有包装,每包中的调味调料品又都有小包装。如喝咖啡用的白糖一次一小包,抹面包的奶油或果酱也都是一次一小盒,方便面条和旅行用的份饭盒里,放有二毫升小袋酱油,一小包食盐、一小包胡椒面。这些包装的装量适当,一次吃完。所用的包装材料也都很讲究,大部分是采用铝箔、纸、塑料复合等材料制成,能有效地防止污染,保持食品质量。方便携带的食品销售包装,鲜鱼、豆乳、麻婆豆腐、熟虾香肠等不便直接用手拿的食品都有包装。各种蔬菜也有各自的包装。大葱几棵、大蒜几个、韭菜几把、白菜半棵、小鱼几条各成为一份小包装。桔子、苹果、桃李一个装一尼龙网袋。这些包装的特点是事先计量,销售不再过秤,方便携带,方便销售。方便使用的饮料包装。常见的马口铁罐、玻璃、陶瓷、塑料瓶、纸杯,特别是多种多样复合材料的软包装。容器结构科学巧妙,造型别致美观。如地下铁路、电车站零售的茶水用塑料瓶包装,瓶型与酒瓶相似,别具一格,瓶盖还可当水杯。各种饮料包装封口严密,但容易开启。玻璃瓶普遍采用拧断盖的开启方法,马口铁罐普遍采用拉开盖法,不必用开启工具,方便使用。迎合儿童心理双用途食品包装。市场销售的儿童食品、饮料多按玩具设计,以博得儿童的喜欢。有的容器外形象小房子、小汽车、飞机、轮船、照相机、电话机、机器人、小书包、小手枪,材质为金属或塑料,吃先后玩,包装就是一个玩具。引人人胜高级名贵的食品饮料包装。日本这种包装已做到产品、包装、装演三者统一。日本月桂冠、白波、金鹿、寿海、千福、关山、烂漫清酒、三多利威士忌酒等是高档的商品,包装和容器的造型均构思独特,异型多变,装演讲究,色调柔和。月桂冠、关山等清酒是纸盒和塑料充填容器一体的包装产品,容器底部安上一活塞,并增设一个底坐或铝制支架,宴请宾客时,放在宴会桌上,席间斟酒不用打开包装和挪动容器,只要打开底部活塞酒即流人杯中,使用方便,在宴会上起到助兴和装饰作用。盒装高级食品均采用天然色片制版印刷,图像真实,色调明快,立体感强,逼真地反映了食品质量,提高了食品身价。薛志勇