半导体封装工艺中金属外壳的材料选择与性能分析.pdf
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1、第2 2 期(总第553期)半导体封装工艺中金属外壳的材料选择与性能分析姜亮,吴清光,王伟(济南市半导体元件实验所,山东济南2摘要:半导体封装是电子器件制造中至关重要的一环,而金属外壳作为封装的关键组成部分,在保护芯片、散热和电磁屏蔽等方面发挥重要作用。本文对半导体封装工艺进行论述,在此基础上,分别从材料需求、常用材料及材料选择的影响因素等方面进一步探讨金属外壳材料的选择,并对金属外壳的性能进行分析,通过比较不同材料在这些性能方面的表现,为合理选择金属外壳材料提供科学依据。关键词:半导体封装;金属外壳;材料;性能随着现代电子技术的快速发展,半导体器件的封装工艺在电子产品制造中扮演至关重要的角色
2、。半导体封装是将微小而脆弱的芯片封装在保护性外壳中,以保护其免受外界环境的影响,提高器件的可靠性和稳定性。金属外壳作为一种重要的封装材料,被广泛应用于半导体封装工艺中,合理选择适合的金属材料,可以充分发挥其保护、散热和屏蔽等功能,从而确保半导体器件的高性能和长寿命。一、半导体封装工艺概述(一)半导体封装的基本原理半导体封装作为半导体工业中的重要环节,扮演将芯片与外部环境隔离、保护和连接的关键角色。其基本原理是将微小且易损的半导体芯片封装在坚固的外壳内,以提供机械保护和热传导,并实现芯片与外部引脚的连接。封装过程不仅有助于增强芯片的稳定性和耐用性,还能提供更多的引脚,以实现与其他电子元器件的连接
3、和信息交换。(二)封装工艺流程半导体封装工艺是将裸露的半导体芯片封装在外壳内,使其具备保护、连接和散热功能的过程。封装工艺的常用流程和步骤包括:(1)芯片前处理。在封装之前,需要对半导体芯片进行前处理,包括切割、刻蚀、清洗和涂覆薄膜等步骤。这些步骤旨在使芯片表面光滑整齐、去除不需要的材料和残留物,并增加对封装材料的附着性。(2)焊接引脚。在封装过程中,将外部引脚与芯片内部的金属引线连接起来是关键的一步。常用的引脚连接方式包括焊接和焊球。焊接通常是将引脚直接焊接到芯片的金属引线上,而焊球是将小球状的焊料置于芯片引脚位置,通过热压将焊球与引脚连接。(3)封装材料注人。将前处理好的半导体芯片放置在封
4、装外壳内,然后注人封装材料。封装材料可以新潮电子是环氧树脂、硅胶、塑料等。注人封装材料的过程需要控制温度和压力,确保封装材料均匀地填充整个外壳,并将芯片完全包裹。(4)材料固化。注人封装材料后,需要进行材料固化。这可以通过加热或紫外线照射等方式完成。固化后的封装材料具有较好的物理性能,能够保护芯片并保持稳定的封装结构。(5)外壳封装。封装材料固化后,将封装外壳密封。外壳通常由金属或塑料制成,以提供机械保护和电磁屏蔽。封装外壳的选择取决于具体的应用需求和封装类型。(6)引脚处理。在封装外壳上,需要进行引脚处理。这包括切割外壳、镀金属等步骤,以形成外部引脚,使半导体器件能够与其他电子元器件连接。(
5、7)测试和封装验证。在封装工艺完成后,对封装好的半导体器件进行测试和验证。这些测试包括电性能测试、温度测试和可靠性测试等,以确保封装水平和性能符合要求!。二、金属外壳材料的选择(一)材料需求分析首先,导热性是金属外壳的一个关键性能指标。在封装过程中,半导体芯片会产生大量的热量,如果热量不能有效地传导到外部环境,会导致器件温度升高,甚至过热损坏。因此,金属外壳需要具备优异的导热性,能够高效地将芯片产生的热量传递出去。一般来说,金属具有较高的导热性能,特别是铜、铝等高导热性金属,常常被用作金属外壳的材料。此外,在设计金属外壳时,还需要考虑其结构,如散热片、散热鳍片等,以增加散热表面积,提高散热效率
6、。其次,机械性能也是一个重要的考虑因素。封装器件通常在各种不同的工作条件下运行,可能会受到外部冲击、振动等力的影响。因此,金属外壳需要具有足22电子技术250014)电子技术够的强度和韧性,能够保护芯片免受外部力的影响,确保器件的稳定运行。同时,在封装过程中,金属外壳需要经历多次组装和焊接,因此其材料应具备良好的加工性,以便实现复杂的封装结构和工艺。常用的金属材料(如铝合金和钢材)具有良好的机械性能,能够满足封装器件的要求。最后,耐腐蚀性是金属外壳设计中不可忽视的因素。半导体器件在工作过程中可能暴露于各种腐蚀性介质或恶劣的工作环境,如潮湿、高温、化学腐蚀等。因此,金属外壳需要具有良好的耐腐蚀性
7、,以确保器件能够在这些恶劣条件下长期稳定运行。钢材、不锈钢和镍基合金等材料常常被用于具备较高耐腐蚀性的金属外壳的制造。在一些特殊应用中,还可以在金属外壳表面进行涂层或防护处理,进一步增强其耐腐蚀性能 2 。(二)常用材料在半导体封装工艺中,金属外壳的材料选择对器件性能和可靠性至关重要。常见的金属外壳材料包括铝、铜和钢等。首先,铝具有轻质、良好的导热性和可加工性的特点。由于半导体芯片在工作过程中会产生大量热量,铝外壳可以快速将热量传导到外部,实现有效的散热。同时,铝外壳的加工工艺相对简单,成本较低,因此在一些低功率或低成本的应用中广泛使用。其次,铜是另一种常见的金属外壳材料,它具有较高的导热性和
8、良好的电导率。相比铝,铜的导热性更好,可以更快地将芯片产生的热量传导出去,进而实现更有效的散热效果。铜外壳在高功率密度应用中得到广泛应用,如高性能的中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)。然而,由于铜的加工难度较大,,其成本相对较高。最后,钢是一种常用的结构性金属材料,通常用于制造坚固耐用的外壳。钢外壳可以提供额外的机械保护,保护芯片免受机械撞击和损伤。此外,钢具有较好的耐腐蚀性,在恶劣的环境条件下依然能够保持良好的性能。钢外壳通常用于一些特殊方面,如军用电子设备、航空航天电子等 3。(三)材料选择的影响因素第一是成本,在半导体封装中,金属外壳材料的成本是一个重要的考虑因素。不同金属材料的
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