[发明专利]一种Si-Al合金复合封装构件

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子封装构件，具体地，本发明涉及一种Si-Al合金复合封装构件。

背景技术

目前，微电子集成电路已发展到超大规模阶段，电子封装器件的管脚越来越多，管脚间距越来越小，电子封装的输入、输出已从最初的四边引线型、平面阵列型、球栅阵列封装发展为多芯片组件封装。电子封装主要有四个作用：为微电子器件提供机械支撑和环境保护，避免有害环境对器件的影响，放置局部高电流、电压信号以及因发热而影响周围的器件；为封装内外电路提供信号输入输出通路；提供散热通路。

热膨胀性能：半导体器件在工作过程中均不同程度地产生热量，其过程中，芯片与芯片基座表面、连线和焊点之间产生的热应力会对封装结构产生不利的影响，甚至导致电子电路的损坏或造成封装结构的变形等不良后果。因此，封装材料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE)是特别重要的材料参数之一。半导体器件材料一般具有较低的CTE，例如，Si的CTE为2.3~4.3×10^-6/℃，砷化镓的CTE接近6×10^-6/℃。因此封装材料应具有较低的热膨胀系数（与半导体器件材料相同或稍高一些）。

导热性：“集成度”的概念是指一只芯片中放置的微电子元件数，表征微电路的复杂性和完善性。半导体技术的发展趋势是增加集成度，减小芯片的物理尺寸。这样芯片表面散发热量将会增加。因此，封装时需要采用具有良好导热能力的材料以满足提高集成度带来的散热要求。

密度：先进电子技术的应用，尤其是在航空、航天及海洋系统中，对轻量化提出了更高的要求，重量的增加将会带来极大的额外成本。每公斤有效载荷的空运成本为50000英镑，而对于战术和战略导弹，减重将会大幅度地提高有效射程。据资料介绍，如果用密度低于3g/cm³的复合材料代替密度超过8g/cm³的Kovar合金，一架先进战斗机的雷达系统将减重数公斤。所以，材料轻量化所产生的经济和军事效益是显而易见的。

封装工艺性能：作为封装材料还需具有合理的封装工艺性能，包括可机械加工性、可表面处理性以及装配性等。

电子封装直接影响集成电路和器件的电、热、光和机械性能，同时对系统的小型化、轻量化起着关键的作用。因此要求电子封装材料具有低膨胀系数、低密度、高热导率和良好机械性能，同时具有良好的封装工艺性能、高可靠性和低成本。

复杂电路基板多为复合陶瓷材质，其热膨胀系数约为7ppm/K，而目前用于封装的Al-50Si复合材料热膨胀系数约11ppm/K。当电路基板与Al-50Si底板完成钎焊后，由于二者热膨胀系数的差距，造成封装底板存在残余应力引起微量变形。如图1所示采用ANSYS有限元分析软件，通过建立简化模型仿真分析电路基板（LTCC）与Al-50Si复合材料底板钎焊后的残余应力及应变分布云图，通过计算结果可见残余应力最高达50MPa，残余应变为2×10^-1，造成构件变形。

另外，封装构件的上封盖一般采用激光焊铝合金薄板形式，由于铝合金材质与Al-Si复合材料极高的Si成分差异，易导致焊接区域内初晶硅颗粒粗化、破碎以及形成尖锐棱角的形貌，成为焊接热裂纹的源头，导致发生封装结构密封失效。

如本发明图2所示为不同Si含量的Si-Al复合材料激光焊接区域扫描电镜图片。A图中可以看出初晶硅的破碎，B图中圆圈所标注地方，可以看到熔池气孔。

因此，最为理想的封装构件应是一种梯度性的结构，即封装底板应具有与复杂电路基板（LTCC）相近的热膨胀系数，以避免形成焊接残余热应力；封装侧壁与封装盖板焊接区域又具有与封盖铝板相近的合金成分，以保证焊接区域组织的均匀性。这样的封装结构是一种自上而下热膨胀系数逐步降低的梯度结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Si-Al复合封装构件，所述构件的是一种梯度性的结构，即封装底板应具有与电路基板（LTCC）相近的热膨胀系数，以避免形成焊接残余热应力；封装侧壁与封装盖板焊接区域又具有与封盖铝板相近的合金成分，以保证焊接区域组织的均匀性。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

所述Si-Al复合封装构件的封装底板的材料为Si-Al复合材料，所述Si-Al复合材料中Si元素的质量百分比为51~70%。