前言
本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出。
本文件由全国集成电路标准化技术委员会(SAC/TC 599)归口。
本文件起草单位:中国电子科技集团有限公司第二十九研究所、南京瑞为新材料科技有限公司哈尔滨工业大学、有研金属复合材料(北京)股份公司、哈尔滨铸鼎工大新材料科技有限公司、成都瑞雪丰泰精密电子股份有限公司、西南交通大学、中国电子技术标准化研究院、深圳市联润丰电子科技有限公司、深圳市先进连接科技有限公司、日照旭日电子有限公司、宁波赛墨科技有限公司、西安赛尔电子材料科技有限公司、中国电子科技集团公司第十四研究所、中国电子科技集团公司第三十八研究所、中国航天科技集团有限公司第五研究院西安分院、北京无线电测量研究所。
本文件主要起草人:崔西会、方杰、王长瑞、邢大伟、刘旭奕、张坤、刘彦强、赵永红、赵明、林阳荟晨李文、廖玉堂、于慧慧、陈静青、黎康杰、贾斌、彭颐豫、黄梓泓、吴昊、刘婉莹、马洪兵、王宇飞、操卫忠、王传伟、李斌、翁俊。
1 范围
本文件规定了半导体器件封装用金属基梯度材料外壳通用设计、材料设计、结构设计、表面处理设计和图纸绘制要求。
本文件适用于半导体器件封装用金属基梯度材料外壳(以下简称“外壳”)的设计和制造。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1804—2000 一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差
GB/T 3850 致密烧结金属材料与硬质合金 密度测定方法
GB/T 4339 金属材料热膨胀特征参数的测定
GB/T 5593 电子元器件结构陶瓷材料
GB/T 5594.1—1985 电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法 气密性测试方法
GB/T 9178 集成电路术语
GB/T 12842 膜集成电路和混合膜集成电路术语
GB/T 13298—2015 金属显微组织检验方法
GB/T 16474—2011 变形铝及铝合金牌号表示方法
GB/T 16865 变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法
GB/T 22315 金属材料 弹性模量和泊松比试验方法
GB/T 22588 闪光法测量热扩散系数或导热系数
GB/T 34558 金属基复合材料术语
GB/T 41736 高体积分数碳化硅颗粒铝基复合材料
GB/T 43538—2023 集成电路金属封装外壳质量技术要求
GB/T 43765—2024 航天功能镀覆层 颗粒增强金属基复合材料焊接镀覆层
3 术语和定义
GB/T 9178、GB/T 12842和 GB/T 34558界定的以及下列术语适用于本文件。
3.1
金属基梯度材料 metal gradient material
将不同的金属或金属基复合材料制成界面连续,成分、性能和功能呈梯度变化的一种非均质材料。
3.2
梯度材料外壳 gradient material package
由金属基梯度材料所制备的外壳。
注:包括梯度材料外壳主体(3.3)、梯度材料外壳调节体(3.4)和梯度复合区域(3.5)。
3.3
梯度材料外壳主体 gradient material package body
梯度材料外壳中主要起到承载、支撑、密封等功能的部位
3.4
梯度材料外壳调节体 gradient material package regulator
梯度材料外壳中调节局部性能和功能的部位
3.5
梯度复合区域 gradient composite region
梯度材料外壳主体和调节体之间的过渡部位
4 设计程序
在半导体器件封装用梯度材料外壳设计时,按适用产品的实现要求,根据梯度材料外壳不同区域的物理性能来规划材料成分。然后根据梯度材料外壳整体可靠性需求,详细设计梯度材料外壳各区域材料成分。对于预估有可靠性风险的金属基梯度材料布局设计方案,还需要进行仿真分析,评估设计可靠性。具体的设计流程如图 1所示。
5 设计要求
5.1 通用设计
设计时应依据适用产品的要求,综合考虑外壳的结构、可制造性、可封装性、环境适应性等。各项性能指标及其影响因素见表1。
| 外壳性能指标 | 影响因素 |
| 形变量 | 材料力学性能、密度、热膨胀系数、外壳结构 |
| 热膨胀系数 | 材料成分 |
| 热导率 | 材料成分 |
| 密封性 | 外壳结构、材料致密度 |
| 可钎焊性 | 外壳表面处理 |
| 熔焊性能 | 材料成分、外壳表面处理、外壳结构、增强体尺寸 |
| 精细结构可加工性 | 材料成分、外壳结构 |
| 质量 | 材料成分、材料密度 |
| 温度适应性 | 材料成分 |
| 力学适应性 | 材料成分 |
| 抗腐蚀性 | 材料成分、外壳表面处理 |
具体设计时宜优先关注以下内容:
a) 外壳上调节体种类尽量少,不超过3种;
b) 外壳具有良好的工艺性,包括可加工性、可密封性、可表面处理性等;
c) 充分考虑外壳的使用性要求,以金属基梯度材料布局简洁、易制造、性能稳定可靠、设计裕量大为基本原则;
d) 外壳设计要重视外壳功能标准化拓展,伴随技术发展,外壳的部分或全部可继续被使用;
e) 外壳制造采用热等静压方法,热等静压压力在120 MPa～160 MPa 范围之内。
5.2 材料设计
5.2.1 梯度材料外壳主体材料选择
梯度材料外壳宜综合考虑半导体器件封装产品的整体质量、可加工性、环境适应性,与表2中的主体材料特性进行对应,具体选择要求如下:
a) 主体材料需要满足产品强度(包括抗拉强度和弯曲强度)和刚度需求、整体散热需求、优先选择不加填料可直接熔焊密封的金属材料;
b) 主体有大范围热膨胀系数匹配时,可选择硅/铝复合材料或碳化硅/铝复合材料,注意硅/铝复合材料塑性较差,作为主体材料时,需要根据使用和生产环境要求评估其可用性,同时硅颗粒的平均尺寸不宜大于 30 μm ,硅颗粒的最大尺寸不超过50 μm ;
c) 主体材料尺寸及加工性设计需要满足密封手段和半导体器件返工规定
| 序号 | 封装主体材料种类 | 特性对比 | |||
| 热导率(室温)W/(m·K) | 抗拉强度(室温)MPa | 弹性模量GPa | 材料密度g/cm3 | ||
| 1 | 变形铝合金(3×××系或6×××系) | 170~220 | 150~290 | ≥68 | 约2.7 |
| 2 | 硅/铝复合材料 | 130~160 | 140~190 | ≥85 | 2.4~2.6 |
| 3 | 碳化硅/铝复合材料a | 160~190 | 250~310 | ≥170 | 2.8~3.1 |
| 4 | 可伐合金 | 约17 | 约510 | ≥130 | 约8.3 |
| 5 | 紫铜 | 约400 | 195~250 | ≥100 | 约8.9 |
| 注:以上数值为参考值,不含特殊情况。 | |||||
| a碳化硅/铝复合材料的弹性模量为弯曲弹性模量。 | |||||
5.2.2 梯度材料外壳调节体材料选择
根据外壳局部不同需求,参照表3中梯度材料外壳调节体材料特性,在选择梯度材料外壳调节体材料时有如下规定:
a) 只有热膨胀系数匹配需求的区域,梯度材料外壳调节体选择相应的硅/铝复合材料;
b) 既有热膨胀系数匹配需求,又有散热需求的区域,梯度材料外壳调节体选择相应的碳化硅/铝复合材料、金刚石/铝复合材料、金刚石/铜复合材料或者紫铜,热导率按需选择;
c) 有抗拉强度需求的部位,梯度材料外壳调节体应选择 GB/T 16474—2011中5.2规定的变形铝合金,例如2×××系铝合金、5×××系铝合金、 6××× 系铝合金或7×××系铝合金,以及碳化硅/铝复合材料。
| 序号 | 调节体材料种类 | 特性对比 | |||
| 热膨胀系数(室温)10-6/K | 热导率(室温)W/(m·K) | 抗拉强度(室温)MPa | 弹性模量GPa | ||
| 1 | 硅/铝复合材料 | 可调控(6.5~18.6) | 130~160 | 140~190 | ≥85 |
| 2 | 碳化硅/铝复合材料 | 可调控(6.5~18.6) | 160~190 | 250~310 | ≥170 |
| 3 | 金刚石/铝复合材料a | 可调控(6.5~18.6) | 350~550 | 200~250 | ≥180 |
| 4 | 可伐合金 | 约5 | 约17 | 约510 | ≥130 |
| 5 | 紫铜 | 约16.5 | 约400 | 195~250 | ≥100 |
| 6 | 变形铝合金(2×××系、5×××系、6×××系、7×××系) | 约23 | 170~220 | 150~490 | ≥68 |
| 注:以上数值为参考值,不含特殊情况。 | |||||
| a 碳化硅/铝复合材料和金刚石/铝复合材料的弹性模量为弯曲弹性模量。 | |||||
5.2.3 梯度材料外壳主体材料和梯度材料外壳调节体材料的匹配方法
梯度材料外壳主体与梯度材料外壳调节体的设计宜考虑梯度材料外壳主体和梯度材料外壳调节体之间的材料属性匹配、一体化制造工艺性、界面密封性、界面结合强度等需求,满足整体可靠性的原则金属基梯度材料匹配的原则如下。
a) 对于只有热膨胀系数匹配需求的外壳,梯度材料外壳主体宜选择可直接熔焊密封的铝合金,梯度材料外壳调节体宜选择硅/铝复合材料。
b) 对于既有热膨胀系数匹配又有散热需求的外壳,梯度材料外壳主体宜选择可直接熔焊密封的铝合金,梯度材料外壳调节体宜选用碳化硅/铝、金刚石/铝、金刚石/铜复合材料或紫铜等高导热材料。
c) 对于强度要求较高的外壳,其梯度材料外壳主体材料宜选用 7×××系铝合金或碳化硅/铝复合材料,密封处材料选择 3×××系或 6×××系铝合金或硅含量50%及以下的硅/铝复合材料。
d) 外壳主体为硅/铝合金时,且外壳存在安装法兰部位,则安装法兰部位材料选择如下:
1) 外壳整体可承受固溶处理,则安装法兰部位可选择可热处理强化的2×××系铝合金、6×××系铝合金或 7×××系铝合金;
2) 外壳整体不能承受固溶处理,则安装法兰部位不应选择热处理强化的5×××系铝合金或碳化硅/铝复合材料。
直接接触的两种材料间热膨胀系数差宜小于(12×10
-6
)/K,具体值需要根据实际使用场景进行仿真或实物验证后确认。
5.3 结构设计
在外壳结构设计时,应综合下因素:
a) 整体尺寸范围:L×W ×H ≤200 mm×200 mm×20 mm;
b) 梯度复合区域尺寸和尺寸公差;
c) 梯度复合区域位置和位置公差;
d) 相互接触的异种材料之间的热膨胀系数差;
e) 局部金属基梯度材料结构形状;
f) 同一外壳上调节体种类、成分及含量;
g) 安装孔或安装法兰盘设计要求;
h) 螺纹孔或通孔设计要求;
i) 是否增加钢丝螺套(螺纹孔在硅/铝复合材料上);
j) 与芯片或电路片连接区域设计要求;
k) 多芯连接器安装部位设计要求;
l) 熔焊密封处设计要求(有密封要求时);
m) 外壳变形要求;
n) 外壳标识要求。
5.4 表面处理设计
外壳表面处理要求如下:
a) 外壳表面一般采用镀镍、镀镍金或整体镀镍局部镀金工艺;
b) 外壳的熔焊密封区域表面处理的设计应兼顾不同熔焊方式的要求;
c) 元器件的粘接、钎焊等装配区域表面设计应与封装对象的物理参数相匹配;
d) 除上述要求外,表面处理应综合考虑工艺方案、成本和生产效率等原因后确定,镀镍、镀金表面应按照 GB/T 43538—2023中4.2和 GB/T 43765—2024中第4章的规定执行;
e) 由于特殊需求,可进行表面镀银,镀银时需考虑工艺过程防护和使用过程中的银氧化与银迁移风险。
5.5 图纸绘制
图纸绘制要求如下:
a) 尺寸精度要求应符合 GB/T 1804—2000中第5章的要求;
b) 金属基梯度材料布局图应至少包含调节体材料形位尺寸与公差、材料成分与牌号,主体材料的牌号与热处理状态如图2所示;
c) 空间异形部位应以剖视图形式呈现,如图2所示;
d) 不同材料应使用不同样式的阴影表示;
e) 外壳设计的整套图纸应至少包括零件图和金属基梯度材料布局图
标引序号说明:
1———50Si/A1;
3———此4处区域材料为70SiC/A1,贯穿到底部;
4———此2处区域材料为50SiC/A1,贯穿到底部:
5———此40 mm×6.8 mm 区域材料为50Si/A1,详细尺寸参考剖视图。
图 2 典型金属基梯度材料布局图纸示意图
6 设计验证
6.1 验证样件制备
验证样件制备要求如下:
a) 设计验证样品应首先选择在外壳上取样,且符合相关标准测试或试验要求;
b) 对于外壳上取样无法满足相关标准要求时,可设计制造合理陪样开展验证
6.2 验证要素
验证要素包括以下6个方面。
a) 密度:梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域,进行分开验证,按 GB/T 3850规定的方法分别检验。验证结果应符合表2的要求。
b) 热膨胀系数:对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域,进行分开验证,按 GB/T 4339规定的方法进行检验。验证结果应符合表3的要求。
c) 热导率:对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域,进行分开验证,按 GB/T 22588规定的方法进行检验。验证结果应符合表2的要求。
d) 强度:除对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域分开验证外,还应要求梯度结合界面的强度。抗拉强度按 GB/T 16865规定的方法测试,弯曲强度按 GB/T 5593中规定的方法测试。测试结果应符合表2的要求。
e) 弹性模量:对梯度材料外壳上涉及的不同物理性能材料区域,进行分开验证,按 GB/T 22315规定的方法进行检验。弯曲弹性模量按照 GB/T 41736中规定的方法进行测试。测试结果应符合表2的要求。
f) 密封性:应对外壳材料密封性和异种材料结合界面的密封性分别进行验证,按 GB/T 5594.1— 1985中第4章规定的方法进行检验,要求外壳密封性和异种材料结合界面漏率小于(1× 10-9)Pa · m3/s
g) 增强相尺寸:复合材料中增强相尺寸应符合5.2.1的要求。按照 GB/T 13298—2015中第3章的规定制备检测试样,在200倍~500倍的显微镜下随机选取3个测试区域,使得测试区域内的增强相颗粒数量不少于500个。利用公式(1)计算出每个测试区域中的每个增强相颗粒的等效圆直径。对3个区域的增强相颗粒对应的等效圆直径进行算术平均,得到增强相颗粒的平均尺寸,最大等效圆直径则为增强相颗粒的最大尺寸。
D =2 √(A/(π))(1)
———颗粒的等效圆直径,单位为微米(μ
m
);
———颗粒的等效圆面积,单位为平方微米 (mum2)
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