1、前言
在当今信息时代，随着便携式计算机、移动通信及军事电子技术的迅速发展，对集成电路(IC)的需求量急剧攀升，这就促使微电子封装技术迎来了“爆炸式”的发展时期。全球封装市场现状及预测如表1所示。
有人把封装称为90年代十大重要技术之一(1)。微电子封装技术经历了TO形封装、双列直插式封装(DIP)、周边有引线的表面安装式封装和面阵式封装发展阶段。表2示出了电子封装的发展动向。在新世纪中，以IC产业为代表的微电子工业的发展，为电子封装行业创造了无限的发展机遇。在我国大陆400多个半导体厂所中从事封装或兼搞封装的有200余家。2000年我国主要电路封装生产状况如表3所示。预计2002年，我国大陆10多个海外独资公司、15个合资公司和40多个国内主要封装企业的封装能力为:IC为161.24亿块，TR为309.64亿(2)。据专家测算，在未来10年中，国内在封装行业的投资将达600亿人民币，国外在中国用于电子封装业的投资将达到75亿美元。
电子封装技术的重要支撑是电子封装材料。对集成电路封装来说，电子封装材料是指集成电路的包封(密封)体。通过封装不仅对芯片具有机械支撑和环境保护作用，使其避免大气中的水汽、杂质及各种化学气氛的污染和侵蚀，从而使集成电路芯片能稳定地发挥正常电气功能，而且封装对器件和电路的热性能乃至可靠性起着举足轻重的作用，一个电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。电子封装材料主要有塑封料、陶瓷封装材料和金属封装材料。目前以塑封料需求量为最大，陶瓷封装材料次之。现在，电子封装材料行业已成为半导体行业中的一个重要分支，它涉及到化学、电学、热力学、机械和工艺设备等多种学科。我国电子封装材料经过几十年的不懈努力，取得了长足进步。近年来，许多海外在大陆的企业为了降低封装成本，纷纷实施封装材料当地化配套策略，特别是作为封装技术更高发展阶段的多芯片组件(MCM)的迅猛发展(3)，为我国电子封装材料的发展提供了大好的机遇。
2、塑封料
塑封料在电子封装材料中用量最大、发展最快，它是实现电子产品小型化、轻量化和低成本的一类重要封装材料。目前我国的塑封能力保持每年30%以上的速度增长。塑封料所使用的材料为热固型塑料，主要包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类(硅酮塑料)。作为环氧类塑封料的环氧模塑料(EMC)是由酚醛环氧树脂、苯酚树脂和填料(SiO2)、脱模剂、固化剂、染料等组成。硅酮树脂塑封料是由硅酮树脂、添料(SiO2)、脱模剂、固化剂、染料等组成。本文主要介绍环氧模塑料。
2.1电子封装技术对电子塑封料的性能要求
随着集成电路线宽越来越小，集成度越来越高以及表面贴装技术(SMT)、环栅阵列(BGA)、MCM技术的广泛应用，对塑封料的性能要求越来越高。要求塑封料具有以下性能:①由高纯材料组成，特别是离子型不纯物极少。②与器件及引线框架的粘附力好。③吸水性、透湿率低。④内部应力和成形收缩率小。⑤热膨胀系数(CTE)小，热导率高。⑥成形、硬化时间短，脱模性好。⑦流动性及充填性好，飞边少。⑧具有良好的阻燃性。塑封料以其成本低、工艺简单而适于大规模生产，在集成电路的封装中已独占鳌头。目前美国塑封电路的可靠性已足以和陶瓷及金属封装电路媲美，因此可以预测塑封料跨入军用领域的时代亦不是遥遥无期的事了。
2.2、环氧模塑料
环氧模塑料近几年在国内高速增长，产品供不应求。2000年产量为5500吨~6000吨，仅连云港华威电子集团有限公司一家就实现产销3500吨。该公司的主要产品有六大系列，89个品种，其中多数可满足1μm~3μm集成电路封装的需要，KL-4000型塑封料可用于0.8μm~1.0μm集成电路封装。环氧模塑料目前世界年产量已超过10万吨。国内生产该材料的主要厂家有7家，其中独资企业2家，国有企业2家，其他3家。国内EMC厂家概况如表4所示(4)。以EMC为主的塑料封装约占整个封装的91%以上，受到业内人士的普遍关注。2001年按塑封料占整个封装的90%计算，并且以每块集成电路用EMC3克、每个分立器件用EMC0.35克计算，则集成电路用EMC为6000吨，分立器件用EMC为4200吨，共计10200吨。据此推算，2002年国内EMC需求量将达到14000吨~18000吨。目前国内EMC的生产水平是能基本满足0.3μm技术的需要，研制水平为用于0.35μm封装，初步形成了本土塑封材料工业，打破了外国企业一统天下的局面。
环氧树脂是用于制作环氧模塑料的重要原材料，随着电子封装产业的发展，对其需求量迅速增加，它的性能对环氧模塑料的质量有重要影响。国外环氧树脂产业的特点是:①生产能力大，生产规模高度集中。②配套工作做得好。③品种牌号系列化、精细化、功能化和高纯化。世界环氧树脂前5名生产商排名如表5所示。2000年以前，国内封装用环氧树脂基本上依靠进口，价格十分昂贵，这在一定程度上阻碍了我国封装行业的发展。随着天津石化(乙烯)合资公司等环氧树脂生产企业的投产，国内环氧树脂的年生产能力大大提高。目前我国环氧树脂生产企业有170多家，总生产能力为15万吨，其中行业前5名的生产力占总生产能力的50%以上，设备利用率为50%左右。2001年中国环氧树脂生产格局如表6所示(5)。
环氧模塑料对环氧树脂的性能要求是:①具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性。②电绝缘性能好。③粘接性能好、机械强度高。④纯度高，挥发物质、杂质含量低。⑤水解率低，Na和Cl离子的含量应降至1×10-6左右。常用的环氧树脂有4种类型，即酚醛型(ECN)、联苯型、二茂铁型(DCPD)和萘型。ECN型树脂在常温下呈非晶态，在软化点以上的温度范围内，熔融粘度较高，因而在成形时流动性较差，难以充填过多的无机材料。联苯型树脂在常温下呈结晶状态，熔点高达105℃，具有很低的熔融粘度。DCPD型树脂中的固化剂具有很低的桥接密度(为ECN树脂的1/4)，因而吸湿率很低(为ECN树脂的10%)，耐热性好。萘型树脂是一种具有“骨架”型结构的高粘合力、低吸湿性树脂。为使塑封料适应未来电子封装的要求，今后应大力开发高品质新型树脂，如邻甲酚线性酚醛环氧树脂、二苯基型环氧树脂、双环戍二烯型低粘度环氧树脂。
3、陶瓷封装材料
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。
3.1、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。
3.2、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。
4、金属封装材料
金属封装的特点是:封装外壳可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融合为一体，可使封装形状多样化，散热快，体积小，成本低。在金属封装时，要根据被封装电路或器件的诸如传输延迟、串扰、散热等要求合理设计封装结构、尺寸和合理选择封装材料。在金属封装中使用最多的材料是铜、铝、柯伐及铜钨、铜钼合金。主要金属封装材料的特性如表8所示。由表8可以看出，Cu、Al的热导率很高而柯伐的CTE最低，它们分别在散热和匹配方面占优势;CuMo合金和CuW合金具有较高的热导率及相匹配的CTE，但它们的密度很高，故不适合对重量有要求的应用领域，特别是当今流行的便携式电子产品的封装。金属封装形状有圆形、菱形、平扳形、浅腔和深腔等。金属封装的主要工序是结构设计、机加工、检验、前处理、装船、熔封、检验、后处理。
国内从事金属封装材料生产厂家有武汉无线电器材厂、中国电子科技集团公司第24研究所、中国电子科技集团公司第43研究所、中国电子科技集团公司第44研究所等。其中，武汉无线电器材厂是目前国内最大的混合电路用金属外壳封装厂，中国电子科技集团公司第24研究所开展了用铝合金封装混合型高分辨率高速A/D转换器的研制工作。
5、AlSiC金属基体复合物封装材料
混合集成电路技术的飞速发展对封装材料提出了更新、更高的要求，使传统封装材料面临挑战。实际上，目前没有一种单一材料能同时具备低CTE、高热导率、价格低廉、加工工艺简单的优点，故难以满足当今航天航空、舰船和雷达对大功率、小体积、轻量的便携式电子模块的需求。因此，要想跟上高级混合电路的发展步伐，必须大力开发金属基复合材料。目前，美国的CPS公司研制出新型AlSiC金属基体复合物(MMC)封装材料(8)，它具有高热导率、低CTE、低密度、低成本等优点，而且在AlSiC加工工艺中，诸如绝缘子、密封环和基极可以气密性封装在一起，具有很高的可靠性，因而使其成为具有大功率Si片或GaAs芯片的高级混合微电路的理想封装材料。常用封装材料与AlSiC金属基体复合材料特性比较如表9如示。由表9可见AlSiCMMC的热导率高于Al2O3，与AlN相当;CTE低于Cu、Al;抗折强度居几种封装材料之首。
AlSiCMMC是通过金属铝熔液的压力渗透到特殊的SiC预制件来制作，它是由连续的铝金属和不连续的SiC颗粒构成。这种复合材料很致密、无空洞，是优良的气密性封装材料(9)。该材料结合了Al和SiC各自的优点，其特性取决于SiC的含量、粒度分布和Al金属的性质。一般在封装应用中SiC的含量占50%~68%。在这一范围的性能与价格比最佳。
6、展望
跨入21世纪，微电子封装产业将更加迅猛发展，网络应用芯片将成为封装技术的新驱动，阵列技术将逐步取代周边引线技术，MCM将朝着更密集的方向发展，MEMS将成为封装技术的新亮点。随着微电子封装产业的发展，电子封装材料将成为一个技术含量高，经济效益好、具有重要地位的工业领域，有着广阔的发展前景。
(1)在今后相当长的一段时间，电子封装材料仍将以塑封料为主流，它将向系列化、精细化、配套化方向发展。低应力、低α射线、低粘度、高粘接性、环保型环氧模塑料将是市场上畅销产品。以专用聚酰亚胺树脂为主要成份的塑封料是一种很有发展前途的电子封装材料。
(2)在军用集成电路和声表面波器件、晶体振荡器件、光电器件等领域，陶瓷封装材料有很大的发展空间，它将向多层化方向发展。可靠性好，柔性大、开发费用低的多层陶瓷封装外壳是发展重点。AlN作为高导热、高密封材料有很大的发展潜力，可取代SiC，甚至部分取代Al2O3，为进一步拓宽其应用范围，应努力突破添加物的选择与加入量、烧结温度、粉料粒度、氧含量控制等关键技术。
(3)随着微电子封装技术大幅度朝SMT和MCM发展，许多目前使用的单一封装材料已很难满足高密度封装要求，必须另辟蹊径优先发展新型复合材料。电子封装材料将向复合化方向发展。
