宇航元器件封裝材料進展及發展趨勢

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航天工程的重要基石，可以體現國家科技進步，彰顯國家綜合科技實力。從技術領域看，宇航元器件可分為設計、芯片工藝和封裝測試三大部分，其中高可靠封裝是重要支撐，直接影響著器件電路的運算速度和電源能量供給，質量等級和材料消耗等[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。相對于消費類電子產品，航天電子產品具有指標要求高、產品類型多、供貨周期長等特點[3]，高可靠封裝在保證航天電子產品滿足上述要求方面具有重要作用。

隨著半導體制造工藝逼近物理極限，電子元器件領域已全面進入后摩爾定律技術范式。在此背景下，基于先進封裝技術的異構集成方案成為突破傳統尺寸縮放限制的核心路徑，其通過系統級封裝（SiP）、晶圓級封裝（WLSI）等創新架構，有效支撐著“MoreMoore”和“MorethanMoore'兩大技術路線的協同發展4。值得關注的是，美歐日等半導體技術領先地區已構建起基于重大工程需求牽引的封裝技術體系，特別是在國防電子、航空航天等關鍵領域形成了具有代際優勢的封裝解決方案集群[5]。

對于我國高可靠封裝技術發展而言，隨著航天器載電子系統向深空探測、在軌重構等方向演進，其技術迭代正呈現多維突破態勢：在物理維度層面，三維異構集成技術推動I/O端口密度突破103量級；互連技術方面，微間距（ <10μm ）多層布線工藝顯著提升信號傳輸完整性；高頻應用領域，基于介電常數梯度分布的新型基板材料使工作頻率帶寬擴展至太赫茲量級。這些進展標志著我國正從封裝技術追隨者向創新引領者轉型

封裝材料的特性在決定最終器件的電學、熱學、力學性能及其可靠性方面起著至關重要的作用，這一規律可概括為“材料推動封裝技術迭代”。在航天等高可靠性應用領域，電子元器件需承受嚴苛的機械應力和復雜的環境負荷，并保持長期穩定運行，通常采用陶瓷封裝或金屬封裝等高穩定性封裝形式。在大規模集成電路（VLSI)及集成微系統等先進電子技術領域，陶瓷封裝因其優越的性能占據主導地位。

宇航級電子元器件封裝涉及多種關鍵原材料包括：構成封裝主體結構的陶瓷材料與金屬材料、用于芯片與外部電路實現電信號互連的導電材料，以及用于高效傳導并散逸芯片工作過程中產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)優異的電學和熱學特性，以確保高效能量傳輸和熱管理能力；（2）適中的熱膨脹系數，以減少因溫度變化導致的熱應力失配；（3）優良的機械強度與結構穩定性，以應對外部沖擊和長期運行需求；（4）具備經濟可行性，以降低制造成本并提升工程適用性；（5)質量輕且具有一定的電磁屏蔽能力，以滿足高性能電子系統的需求。

1 封裝分類和典型產品結構

封裝領域目前尚無統一的分類原則，一般按照應用領域，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、封裝結構等方面，再進行細化分類。當前我國已形成覆蓋所有宇航電子領域的完整的封裝產品體系。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，說明其主要特點。陶瓷微波器件及電路封裝的典型結構如圖1所示，集成電路封裝的典型結構如圖2所示。

其結構包括瓷件、引線、熱沉、密封環等部分，芯片安裝于芯片安裝區中，通過引線鍵合，實現芯片焊盤與外殼鍵合區的連接，通過鍵合區、封裝內部導體布線、引線的完整電通路，實現芯片與外電路的電連接，通過熱沉，實現芯片散熱的熱通路。

2 陶瓷材料研究進展

通過圖1和圖2可以看出，封裝的主體由陶瓷材料構成，因此，陶瓷是最為重要的封裝材料。長期以來，在陶瓷封裝領域，陶瓷材料以高溫共燒氧化鋁陶瓷為主，其具有良好的熱、電性能和結構可靠性，可滿足宇航元器件的高可靠、高穩定等要求。但隨著器件頻率、安裝工藝等方面要求的進一步提高，氧化鋁陶瓷的一些不足也逐漸顯現，各種新型材料不斷涌現。針對不斷提高的需求，國內外開展了新型材料的研究，行業某龍頭公司的陶瓷材料體系見表1。

從表1可以看出，在氧化鋁陶瓷方面，在傳統的A440、A473之外，高強度陶瓷和鎢銅導體是重點發展方向，據相關資料顯示，該公司在高速信號外殼應用領域，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（3.4）的GL570和具有高介電常數（12.3，11.7）的GL771、GL773（HiTCE）是重點方向，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用環境下的芯片與焊盤之間的一級安裝，及焊盤與電路板之間的二級安裝問題，采用該類陶瓷材料制作的封裝，目前京瓷已實現批量供貨。

3 導體材料研制進展

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

從表2可以看出，W、Mo因熔點較高，應用于HTCC的制造生產，與W、Mo相比，Au、Ag、Cu等具有更低的電阻率，但由于其熔點低，只能用于LTCC。MTCC材料采用特殊的 W-Cu 合金導體，沒有固定的熔點，在共燒過程中，Cu融化作為流動相，和W一起形成連續得到導體。

4金屬材料研制進展

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

硅鋁材料可以通過調節內部鋁和硅的比例從而獲得不同膨脹系數的材料，鋁碳化硅通過調節鋁與碳化硅顆粒的含量也可使膨脹系數分布在一個較廣的變化范圍。兩種材料正是由于這些性能優勢，從而在航空航天方面的應用發展迅速。TycoSpace公司采用OspreyCE11牌號的硅鋁材料制備的星用K波段放大器相對于之前的可伐材料制備的樣品，密度從 8.42g/cc 降為 2.5g/cc ，熱導率則從 17W/m?K 提高到140W/m? K以上。

鋁硅復合材料外殼具有熱導率高、膨脹系數低、比重低的綜合優勢，是新一代的封裝材料，相比可伐重量降低了2/3，膨脹系數低于冷軋鋼，熱導率達到 140W/m K以上，封裝抗鹽霧指標達到24小時，滿足了空間電源、TR等重量敏感領域的封裝要求。

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，其線脹系數與陶瓷材料匹配，可與陶瓷直接封接，能夠實現高的載流能力。

5 散熱材料研制進展

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

散熱材料的選擇首要考慮因素為材料的熱導率，在此基礎上還需考慮材料與陶瓷等封裝結構材料的熱膨脹系數匹配性及可加工性等方面。長期以來，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，并可實現與陶瓷等材料熱膨脹系數匹配，但是這些材料也存在密度高、可加工性不良等缺陷。

電子器件的發展要求電路的工作溫度不斷升高，這使得熱管理與熱設計對于封裝的發展至關重要。在此背景下，超高導熱材料成為研究熱點。由于封裝需要傳導的熱量隨著器件功率的提高而不斷增大，現有的鎢銅、鉬銅等材料的導熱能力已經無法滿足器件熱傳導要求。而采用金剛石基的材料作為散熱材料，封裝在生產成本方面又較高，目前封裝散熱材料逐漸轉向采用多層夾心結構的銅基復合材料、 Cu/C 纖維復合材料等全新材料領域。

碳纖維熱膨脹系數小，但是熱導率高，碳纖維連續分布的銅基封裝材料，其熱導率各個方向也不相同。 Cu/C 纖維封裝材料縱向和橫向的熱導率差別很大，其熱膨脹系數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，熱導率在 157.4～248.5(W/m?K) 之間，熱膨脹系數在 10.8～13.9ppm 之間。此外，采用熔滲銅工藝制備的銅碳纖維復合封裝材料，可實現的熱膨脹系數為 ，熱導率大于260W/m?K 。

6 發展趨勢

隨著我國元器件技術的不斷發展，高性能封裝已成為國產器件在宇航裝備中應用和不斷提高性能的關鍵。隨著器件及電路要求的不斷提高，封裝也呈現了與之相應的高集成化、高性能化等發展趨勢，相應的封裝材料呈現了高強度、輕量化、復合化等發展趨勢。

對于陶瓷材料，其發展趨勢是向高強度和低損耗兩個方向發展，高強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頻率需要。

對于導體材料，其發展趨勢主要是具備更高的電導率，并實現與主體陶瓷材料的匹配共燒，導體材料正在由傳統的鎢、鉬等高溫難熔金屬向鎢銅、銅等高電導率金屬發展。為適應鎢銅、銅等高電導率金屬材料的燒結溫度需要，陶瓷的燒結溫度不斷降低，導體材料與陶瓷材料的發展趨勢如圖3所示。

對于金屬材料，其發展趨勢是高強度、耐腐蝕和輕量化。因此越來越多的硅基、碳基復合材料，及鈦、鈕等新型材料引起人們重視，被引入封裝制備工藝。當前上述材料已逐步進入實用化。

對于散熱材料，其發展趨勢是高導熱的同時低密度化，金剛石、碳纖維、石墨烯等高導熱材料日趨重要，將其通過合金等方法，集成到傳統散熱材料中，是實現大規模應用的關鍵。

7結語

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用的基礎和關鍵，世界各國均十分重視。而封裝材料是決定封裝性能、可靠性和成本的關鍵因素，當前我國高可靠封裝材料水平已獲得較大的進步，且隨著未來元器件領域的發展，封裝材料也必將取得更大的進步，支撐宇航元器件不斷向前邁進。

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