Progress and Development Trend of Packaging Materials for Aerospace Devices and Components

MA Jiaji ZHANG Yaojun QIAO Zhizhuang SHAO Wenlong (The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation)

Abstract:Aerospace devicesandcomponentsare thefoundationofaerospace projects.Packaging technologyis the basis of devicesand components.Astronautical devices requireoptimization of various performance indicators such as light weight andhigh strengthTherefore，thepackagingmaterialsshouldhaveexcelentmechanical，electricalandtermalproperties. This paper introduces thestructureoftypical packagesandthe progress inresearch anddevelopmentofceramicmaterials， conductormaterials，metalmaterialsandheatdisipate materials.Itfurtherpredictsthedevelopingtrendofpackagematerials based on relevant materialsat home and abroad.

Keywords: aerospace; packaging; material; developing trend

0 引言

宇航用高可靠電子元器件作為我國(guó)航天工程的重要基石，可以體現(xiàn)國(guó)家科技進(jìn)步，彰顯國(guó)家綜合科技實(shí)力。從技術(shù)領(lǐng)域看，宇航元器件可分為設(shè)計(jì)、芯片工藝和封裝測(cè)試三大部分，其中高可靠封裝是重要支撐，直接影響著器件電路的運(yùn)算速度和電源能量供給，質(zhì)量等級(jí)和材料消耗等[1-2]，決定了 50% 以上的器件體積、重量和成本，以及 60% 以上的器件可靠性。相對(duì)于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，航天電子產(chǎn)品具有指標(biāo)要求高、產(chǎn)品類型多、供貨周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[3]，高可靠封裝在保證航天電子產(chǎn)品滿足上述要求方面具有重要作用。

隨著半導(dǎo)體制造工藝逼近物理極限，電子元器件領(lǐng)域已全面進(jìn)入后摩爾定律技術(shù)范式。在此背景下，基于先進(jìn)封裝技術(shù)的異構(gòu)集成方案成為突破傳統(tǒng)尺寸縮放限制的核心路徑，其通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、晶圓級(jí)封裝（WLSI）等創(chuàng)新架構(gòu)，有效支撐著“MoreMoore”和“MorethanMoore'兩大技術(shù)路線的協(xié)同發(fā)展4。值得關(guān)注的是，美歐日等半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)先地區(qū)已構(gòu)建起基于重大工程需求牽引的封裝技術(shù)體系，特別是在國(guó)防電子、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域形成了具有代際優(yōu)勢(shì)的封裝解決方案集群[5]。

對(duì)于我國(guó)高可靠封裝技術(shù)發(fā)展而言，隨著航天器載電子系統(tǒng)向深空探測(cè)、在軌重構(gòu)等方向演進(jìn)，其技術(shù)迭代正呈現(xiàn)多維突破態(tài)勢(shì)：在物理維度層面，三維異構(gòu)集成技術(shù)推動(dòng)I/O端口密度突破103量級(jí)；互連技術(shù)方面，微間距（ <10μm ）多層布線工藝顯著提升信號(hào)傳輸完整性；高頻應(yīng)用領(lǐng)域，基于介電常數(shù)梯度分布的新型基板材料使工作頻率帶寬擴(kuò)展至太赫茲量級(jí)。這些進(jìn)展標(biāo)志著我國(guó)正從封裝技術(shù)追隨者向創(chuàng)新引領(lǐng)者轉(zhuǎn)型

封裝材料的特性在決定最終器件的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能及其可靠性方面起著至關(guān)重要的作用，這一規(guī)律可概括為“材料推動(dòng)封裝技術(shù)迭代”。在航天等高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域，電子元器件需承受嚴(yán)苛的機(jī)械應(yīng)力和復(fù)雜的環(huán)境負(fù)荷，并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，通常采用陶瓷封裝或金屬封裝等高穩(wěn)定性封裝形式。在大規(guī)模集成電路（VLSI)及集成微系統(tǒng)等先進(jìn)電子技術(shù)領(lǐng)域，陶瓷封裝因其優(yōu)越的性能占據(jù)主導(dǎo)地位。

宇航級(jí)電子元器件封裝涉及多種關(guān)鍵原材料包括：構(gòu)成封裝主體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料與金屬材料、用于芯片與外部電路實(shí)現(xiàn)電信號(hào)互連的導(dǎo)電材料，以及用于高效傳導(dǎo)并散逸芯片工作過(guò)程中產(chǎn)生熱量的散熱材料等。理想的電子封裝材料需滿足以下核心性能要求[7-9]：（1)優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性，以確保高效能量傳輸和熱管理能力；（2）適中的熱膨脹系數(shù)，以減少因溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力失配；（3）優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)外部沖擊和長(zhǎng)期運(yùn)行需求；（4）具備經(jīng)濟(jì)可行性，以降低制造成本并提升工程適用性；（5)質(zhì)量輕且具有一定的電磁屏蔽能力，以滿足高性能電子系統(tǒng)的需求。

1 封裝分類和典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

封裝領(lǐng)域目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類原則，一般按照應(yīng)用領(lǐng)域，分為微波器件及電路封裝、集成電路封裝、光電器件及模塊封裝、多芯片集成模塊封裝等，在大類之下，按照引出端形式、封裝結(jié)構(gòu)等方面，再進(jìn)行細(xì)化分類。當(dāng)前我國(guó)已形成覆蓋所有宇航電子領(lǐng)域的完整的封裝產(chǎn)品體系。選取其中陶瓷微波器件及電路封裝、陶瓷集成電路封裝為代表，說(shuō)明其主要特點(diǎn)。陶瓷微波器件及電路封裝的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，集成電路封裝的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其結(jié)構(gòu)包括瓷件、引線、熱沉、密封環(huán)等部分，芯片安裝于芯片安裝區(qū)中，通過(guò)引線鍵合，實(shí)現(xiàn)芯片焊盤與外殼鍵合區(qū)的連接，通過(guò)鍵合區(qū)、封裝內(nèi)部導(dǎo)體布線、引線的完整電通路，實(shí)現(xiàn)芯片與外電路的電連接，通過(guò)熱沉，實(shí)現(xiàn)芯片散熱的熱通路。

2 陶瓷材料研究進(jìn)展

通過(guò)圖1和圖2可以看出，封裝的主體由陶瓷材料構(gòu)成，因此，陶瓷是最為重要的封裝材料。長(zhǎng)期以來(lái)，在陶瓷封裝領(lǐng)域，陶瓷材料以高溫共燒氧化鋁陶瓷為主，其具有良好的熱、電性能和結(jié)構(gòu)可靠性，可滿足宇航元器件的高可靠、高穩(wěn)定等要求。但隨著器件頻率、安裝工藝等方面要求的進(jìn)一步提高，氧化鋁陶瓷的一些不足也逐漸顯現(xiàn)，各種新型材料不斷涌現(xiàn)。針對(duì)不斷提高的需求，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了新型材料的研究，行業(yè)某龍頭公司的陶瓷材料體系見(jiàn)表1。

從表1可以看出，在氧化鋁陶瓷方面，在傳統(tǒng)的A440、A473之外，高強(qiáng)度陶瓷和鎢銅導(dǎo)體是重點(diǎn)發(fā)展方向，據(jù)相關(guān)資料顯示，該公司在高速信號(hào)外殼應(yīng)用領(lǐng)域，大力推廣A0610W、A0630等低損耗的材料，提高外殼的電性能；在低溫共燒陶瓷方面，具有低膨脹系數(shù)（3.4）的GL570和具有高介電常數(shù)（12.3，11.7）的GL771、GL773（HiTCE）是重點(diǎn)方向，這些新材料可以極大的緩解大尺寸球柵陣列封裝（BallGridArray，BGA）及大尺寸堆疊芯片等應(yīng)用環(huán)境下的芯片與焊盤之間的一級(jí)安裝，及焊盤與電路板之間的二級(jí)安裝問(wèn)題，采用該類陶瓷材料制作的封裝，目前京瓷已實(shí)現(xiàn)批量供貨。

3 導(dǎo)體材料研制進(jìn)展

導(dǎo)體材料是實(shí)現(xiàn)芯片與外電路電互連的基礎(chǔ)，對(duì)于導(dǎo)體材料一般有如下要求：（1)電導(dǎo)率高，信號(hào)通過(guò)導(dǎo)體后損耗小；（2）與封裝主體材料具有良好的結(jié)合力（3）穩(wěn)定性好，可耐受元器件應(yīng)用中的應(yīng)力；（4）盡量成本低。在陶瓷封裝領(lǐng)域，一般采用陶瓷與導(dǎo)體共燒工藝制作，因此陶瓷燒結(jié)制程要求，決定了導(dǎo)體材料的選擇。按照燒結(jié)溫度不同，材料包括 1600^°C 以上燒結(jié)的高溫共燒陶瓷（High TemperatureCo-fire Ceramic，HTCC)， 1000～1600^°C 之間燒結(jié)的中溫共燒陶瓷(MiddleTemperatureCo-fireCeramic，MTCC），及燒結(jié)溫度在 1000^°C 之下的低溫共燒陶瓷（LowTemperatureCo-fireCeramic，LTCC）。常用封裝導(dǎo)體材料如表2所示。

從表2可以看出，W、Mo因熔點(diǎn)較高，應(yīng)用于HTCC的制造生產(chǎn)，與W、Mo相比，Au、Ag、Cu等具有更低的電阻率，但由于其熔點(diǎn)低，只能用于LTCC。MTCC材料采用特殊的 W-Cu 合金導(dǎo)體，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，在共燒過(guò)程中，Cu融化作為流動(dòng)相，和W一起形成連續(xù)得到導(dǎo)體。

4金屬材料研制進(jìn)展

封裝中的金屬材料體系目前已經(jīng)成熟，大量應(yīng)用的金屬材料包括可伐合金、鐵鎳合金以及碳素鋼，正在逐步進(jìn)入應(yīng)用主流的材料包括硅鋁、鋁碳化硅、鈦合金等材料，處于研發(fā)階段的材料包括梯度鋁硅、石墨鋁、石墨銅、銅金剛石等。金屬材料的重要發(fā)展趨勢(shì)是輕量化。在宇航電子系統(tǒng)中，需[10-11]要仔細(xì)考慮負(fù)載的大小和重量 。

硅鋁材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部鋁和硅的比例從而獲得不同膨脹系數(shù)的材料，鋁碳化硅通過(guò)調(diào)節(jié)鋁與碳化硅顆粒的含量也可使膨脹系數(shù)分布在一個(gè)較廣的變化范圍。兩種材料正是由于這些性能優(yōu)勢(shì)，從而在航空航天方面的應(yīng)用發(fā)展迅速。TycoSpace公司采用OspreyCE11牌號(hào)的硅鋁材料制備的星用K波段放大器相對(duì)于之前的可伐材料制備的樣品，密度從 8.42g/cc 降為 2.5g/cc ，熱導(dǎo)率則從 17W/m?K 提高到140W/m? K以上。

鋁硅復(fù)合材料外殼具有熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)低、比重低的綜合優(yōu)勢(shì)，是新一代的封裝材料，相比可伐重量降低了2/3，膨脹系數(shù)低于冷軋鋼，熱導(dǎo)率達(dá)到 140W/m K以上，封裝抗鹽霧指標(biāo)達(dá)到24小時(shí)，滿足了空間電源、TR等重量敏感領(lǐng)域的封裝要求。

此外還有更多的高載流高耐壓金屬材料用于封裝，主要包括可伐芯銅，其線脹系數(shù)與陶瓷材料匹配，可與陶瓷直接封接，能夠?qū)崿F(xiàn)高的載流能力。

5 散熱材料研制進(jìn)展

封裝中的散熱材料有著將器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出，支撐器件發(fā)揮最佳的性能指標(biāo)的重要作用。封裝具有良好的散熱能力是器件穩(wěn)定工作的前提條件，將直接影響著所封裝器件的最大輸出功率，和微波信號(hào)的發(fā)射距離。

散熱材料的選擇首要考慮因素為材料的熱導(dǎo)率，在此基礎(chǔ)上還需考慮材料與陶瓷等封裝結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)匹配性及可加工性等方面。長(zhǎng)期以來(lái)，封裝散熱材料主要使用鉬、鎢銅、鉬銅等合金，具有較高的散熱能力，并可實(shí)現(xiàn)與陶瓷等材料熱膨脹系數(shù)匹配，但是這些材料也存在密度高、可加工性不良等缺陷。

電子器件的發(fā)展要求電路的工作溫度不斷升高，這使得熱管理與熱設(shè)計(jì)對(duì)于封裝的發(fā)展至關(guān)重要。在此背景下，超高導(dǎo)熱材料成為研究熱點(diǎn)。由于封裝需要傳導(dǎo)的熱量隨著器件功率的提高而不斷增大，現(xiàn)有的鎢銅、鉬銅等材料的導(dǎo)熱能力已經(jīng)無(wú)法滿足器件熱傳導(dǎo)要求。而采用金剛石基的材料作為散熱材料，封裝在生產(chǎn)成本方面又較高，目前封裝散熱材料逐漸轉(zhuǎn)向采用多層夾心結(jié)構(gòu)的銅基復(fù)合材料、 Cu/C 纖維復(fù)合材料等全新材料領(lǐng)域。

碳纖維熱膨脹系數(shù)小，但是熱導(dǎo)率高，碳纖維連續(xù)分布的銅基封裝材料，其熱導(dǎo)率各個(gè)方向也不相同。 Cu/C 纖維封裝材料縱向和橫向的熱導(dǎo)率差別很大，其熱膨脹系數(shù)也在縱向和橫向存在顯著差別。Liu等人采用粉末冶金法制備了Cu/C短纖維封裝材料，熱導(dǎo)率在 157.4～248.5(W/m?K) 之間，熱膨脹系數(shù)在 10.8～13.9ppm 之間。此外，采用熔滲銅工藝制備的銅碳纖維復(fù)合封裝材料，可實(shí)現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)為 ，熱導(dǎo)率大于260W/m?K 。

6 發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)元器件技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能封裝已成為國(guó)產(chǎn)器件在宇航裝備中應(yīng)用和不斷提高性能的關(guān)鍵。隨著器件及電路要求的不斷提高，封裝也呈現(xiàn)了與之相應(yīng)的高集成化、高性能化等發(fā)展趨勢(shì)，相應(yīng)的封裝材料呈現(xiàn)了高強(qiáng)度、輕量化、復(fù)合化等發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)于陶瓷材料，其發(fā)展趨勢(shì)是向高強(qiáng)度和低損耗兩個(gè)方向發(fā)展，高強(qiáng)度陶瓷可以適用于更薄的封裝腔體厚度及更大尺寸的封裝，低損耗陶瓷主要為滿足更高的信號(hào)頻率需要。

對(duì)于導(dǎo)體材料，其發(fā)展趨勢(shì)主要是具備更高的電導(dǎo)率，并實(shí)現(xiàn)與主體陶瓷材料的匹配共燒，導(dǎo)體材料正在由傳統(tǒng)的鎢、鉬等高溫難熔金屬向鎢銅、銅等高電導(dǎo)率金屬發(fā)展。為適應(yīng)鎢銅、銅等高電導(dǎo)率金屬材料的燒結(jié)溫度需要，陶瓷的燒結(jié)溫度不斷降低，導(dǎo)體材料與陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。

對(duì)于金屬材料，其發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)度、耐腐蝕和輕量化。因此越來(lái)越多的硅基、碳基復(fù)合材料，及鈦、鈕等新型材料引起人們重視，被引入封裝制備工藝。當(dāng)前上述材料已逐步進(jìn)入實(shí)用化。

對(duì)于散熱材料，其發(fā)展趨勢(shì)是高導(dǎo)熱的同時(shí)低密度化，金剛石、碳纖維、石墨烯等高導(dǎo)熱材料日趨重要，將其通過(guò)合金等方法，集成到傳統(tǒng)散熱材料中，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

7結(jié)語(yǔ)

高可靠陶瓷封裝是宇航電子元器件的基石，是確保元器件在宇航裝備中應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，世界各國(guó)均十分重視。而封裝材料是決定封裝性能、可靠性和成本的關(guān)鍵因素，當(dāng)前我國(guó)高可靠封裝材料水平已獲得較大的進(jìn)步，且隨著未來(lái)元器件領(lǐng)域的發(fā)展，封裝材料也必將取得更大的進(jìn)步，支撐宇航元器件不斷向前邁進(jìn)。

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