金属表面处理因而用碳纤维(石墨纤维)增强的铜基复合材料在高功率密度应用领域很有吸引力。与铜复合的材料沿碳纤维长度方向CTE为-0.5×10-6K-1,热导率600-750W(m-1K-1),而垂直于碳纤维长度方向的CTE为8×10-6K-1,热导率为51-59W(m-1K-1),比沿纤维长度方向的热导率至少低一个数量级。用作封装的底座或散热片时,这种复合材料把热量带到下一级时,并不十分有效,但是在散热方面是极为有效的。这与纤维本身的各向异性有关,纤维取向以及纤维体积分数都会影响复合材料的性能。因为Cu-Mo和Cu-W中间不混溶或浸润性偏差,更何况二者的溶点相距挺大,给材料制取产生了一些难题。为了减少陶瓷基板上的应力,设计者可以用几个较小的基板来代替单一的大基板,分开布线。退火的纯铜由于机械性能差,很少使用。加工硬化的纯铜虽然有较高的屈服强度,但在外壳制造或密封时不高的温度就会使它退火软化,在进行机械冲击或恒定加速度试验时造成外壳底部变形。
传统金属封装材料及其局限性芯片材料如Si、GaAs以及陶瓷基板材料如A12O3、BeO、AIN等的热膨胀系数(CTE)介于3×10-6-7×10-6K-1之间。金属封装材料为实现对芯片支撑、电连接、热耗散、机械和环境的保护,应具备以下的要求:①与芯片或陶瓷基板匹配的低热膨胀系数,减少或避免热应力的产生;但密度大也使Cu/W具有对空间辐射总剂量(TID)环境的优良屏蔽作用,因为要获得同样的屏蔽作用,使用的铝厚度需要是Cu/W的16倍。新型的金属封装材料及其应用除了Cu/W及Cu/Mo以外,传统金属封装材料都是单一金属或合金,它们都有某些不足,难以应对现代封装的发展。 国内外都有Al2O3弥散强化无氧高导铜产品,如美国SCM金属制品公司的Glidcop含有99.7%的铜和0.3%弥散分布的Al2O3。金属封装外壳CNC与压铸结合就是先压铸再利用CNC精加工。工艺优缺点:CNC工艺的成本比较高,材料浪费也比较多,当然这种工艺下的中框或外壳质量也好一些。
与传统金属封装材料相比,它们主要有以下优点:①可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式或改变基体合金,改变材料的热物理性能,满足封装热耗散的要求,甚至简化封装的设计;②材料制造灵活,价格不断降低,特别是可直接成形,避免了昂贵的加工费用和加工造成的材料损耗;Cu基复合材料纯铜具有较低的退火点,它制成的底座出现软化可以导致芯片和/或基板开裂。为了提高铜的退火点,可以在铜中加入少量Al2O3、锆、银、硅。这些物质可以使无氧高导铜的退火点从320℃升高到400℃,而热导率和电导率损失不大。工艺优缺点:CNC工艺的成本比较高,材料浪费也比较多,当然这种工艺下的中框或外壳质量也好一些。因而用碳纤维(石墨纤维)增强的铜基复合材料在高功率密度应用领域很有吸引力。与铜复合的材料沿碳纤维长度方向CTE为-0.5×10-6K-1,热导率600-750W(m-1K-1),而垂直于碳纤维长度方向的CTE为8×10-6K-1,热导率为51-59W(m-1K-1),比沿纤维长度方向的热导率至少低一个数量级。
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