电子封装材料专题
编者按
集成电路产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,国家于2014年颁布了《集成电路产业发展推进纲要》,希望在2030年实现国家集成电路产业的跨越式发展,而电子封装材料及其相关技术是集成电路产业持续发展的前提和关键。本期内容涵盖了倒装芯片封装材料和技术、导热材料、有机封装基板、低熔点焊料、临时键合胶、LED器件封装材料、以及埋入式电容材料工艺、测试、器件设计等与电子封装技术密切相关的关键材料的开发和应用研究，从中读者可以看到我国活跃在电子封装技术材料一线的科研学者们所做的努力，初步了解部分电子封装材料的当前水平以及未来发展趋势。
本期客座编辑
孙蓉 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院材料所所长
主要研究方向为电子封装关键材料。
汪正平 美国工程院院士、中国工程院外籍院士
香港中文大学
主要研究方向为聚合物纳米复合材料与高密度电子封装材料。
文章列表
2014, 3(6):1-7.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406001
摘要:
发光二极管(LED) 是一类可直接将电能转化为可见光和热等辐射能的发光器件。随着亮度和功率的不断 提高，芯片键合材料成为解决大功率 LED 散热问题的关键技术之一。针对 LED 对芯片键合材料的性能要求，文章 综述了 LED 芯片键合材料的种类、特点及发展现状，并重点介绍了环氧和有机硅材料的应用技术进展。
发光二极管(LED) 是一类可直接将电能转化为可见光和热等辐射能的发光器件。随着亮度和功率的不断 提高，芯片键合材料成为解决大功率 LED 散热问题的关键技术之一。针对 LED 对芯片键合材料的性能要求，文章 综述了 LED 芯片键合材料的种类、特点及发展现状，并重点介绍了环氧和有机硅材料的应用技术进展。
2014, 3(6):8-13.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406002
摘要:
文章研究了巨介电常数材料 CaCu3Ti4O12(CCTO) 在宽温区(－120℃～ 300℃ ) 及宽频域(1 Hz ～ 10 MHz) 的交流电导及介电性能。在低温区和高温区，CCTO 表现出两种不同的导电过程，均可以由 Mott 提出的可变程跳 跃电导机制(Variable-Range-Hopping，VRH) 来描述。研究发现高温VRH 过程与氧空位的二次离子化相关，而低 温过程符合普适介电响应方程，其介电弛豫行为起源于极化子的弛豫。
文章研究了巨介电常数材料 CaCu3Ti4O12(CCTO) 在宽温区(－120℃～ 300℃ ) 及宽频域(1 Hz ～ 10 MHz) 的交流电导及介电性能。在低温区和高温区，CCTO 表现出两种不同的导电过程，均可以由 Mott 提出的可变程跳 跃电导机制(Variable-Range-Hopping，VRH) 来描述。研究发现高温VRH 过程与氧空位的二次离子化相关，而低 温过程符合普适介电响应方程，其介电弛豫行为起源于极化子的弛豫。
2014, 3(6):14-22.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406003
摘要:
文中使用叠层技术制作了以环氧树脂/ 钛酸钡/ 聚酰亚胺为绝缘介质的 PCB 埋嵌电容器。制作的电容器容 值与设计值之间误差在 － 4.0% 到 － 6.0% 之间。通过将电容器面积增加 5%，电容器容值误差降低到了 － 1.1% 以 下。为了检测埋嵌电容器的可靠性，分别进行了 260℃ 回流焊、高低温冷热冲击、85℃ /85% RH 及高压击穿测试。 测试结果表明，以环氧树脂/ 钛酸钡/ 聚酰亚胺为绝缘介质的 PCB 埋嵌电容器有良好的环境可靠性，适合用于制作 PCB 埋嵌电容器。
文中使用叠层技术制作了以环氧树脂/ 钛酸钡/ 聚酰亚胺为绝缘介质的 PCB 埋嵌电容器。制作的电容器容 值与设计值之间误差在 － 4.0% 到 － 6.0% 之间。通过将电容器面积增加 5%，电容器容值误差降低到了 － 1.1% 以 下。为了检测埋嵌电容器的可靠性，分别进行了 260℃ 回流焊、高低温冷热冲击、85℃ /85% RH 及高压击穿测试。 测试结果表明，以环氧树脂/ 钛酸钡/ 聚酰亚胺为绝缘介质的 PCB 埋嵌电容器有良好的环境可靠性，适合用于制作 PCB 埋嵌电容器。
2014, 3(6):23-28.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406004
摘要:
文章通过对 Cu/Sn/Cu 互连结构短时间施加超声波实现了 Cu/Cu6Sn5/Cu 或Cu/Cu3Sn/Cu 高性能的焊接接 头。由于超声空化效应的作用 Cu/Sn 固液界面产生了快速元素扩散从而加速了金属间化合物的形成。研究发现， 空化气泡在固液界面附近坍塌会对固相铜界面造成严重的空化腐蚀，并且在液相锡中会形成铜过饱和区导致金属 间化合物的快速形成。值得说明的是，这种室温超声键合所形成的金属间化合物接头具有良好的机械可靠性并且 可实现超高温服役的优势。
文章通过对 Cu/Sn/Cu 互连结构短时间施加超声波实现了 Cu/Cu6Sn5/Cu 或Cu/Cu3Sn/Cu 高性能的焊接接 头。由于超声空化效应的作用 Cu/Sn 固液界面产生了快速元素扩散从而加速了金属间化合物的形成。研究发现， 空化气泡在固液界面附近坍塌会对固相铜界面造成严重的空化腐蚀，并且在液相锡中会形成铜过饱和区导致金属 间化合物的快速形成。值得说明的是，这种室温超声键合所形成的金属间化合物接头具有良好的机械可靠性并且 可实现超高温服役的优势。
2014, 3(6):29-35.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406005
摘要:
文章利用葡萄糖水热法合成炭微球，并用氢氧化钾进行烧结处理，得到多孔结构的炭微球。在以硝酸铁 为催化剂的条件下，对多孔炭微球进行不同温度下的石墨化处理，利用 SEM、XRD、FTIR 和 BET 对材料进行了 表征。结果表明，炭微球表现出了良好的球形形貌、丰富的孔结构及大的比表面积。炭微球在经过 1500℃ 处理后， 其石墨化程度达 90%。通过对石蜡进行物理吸附，制备了多孔石墨化炭微球/ 石蜡相变复合材料并用作热界面材料， 其热导率随石墨化温度的增加而增加。
文章利用葡萄糖水热法合成炭微球，并用氢氧化钾进行烧结处理，得到多孔结构的炭微球。在以硝酸铁 为催化剂的条件下，对多孔炭微球进行不同温度下的石墨化处理，利用 SEM、XRD、FTIR 和 BET 对材料进行了 表征。结果表明，炭微球表现出了良好的球形形貌、丰富的孔结构及大的比表面积。炭微球在经过 1500℃ 处理后， 其石墨化程度达 90%。通过对石蜡进行物理吸附，制备了多孔石墨化炭微球/ 石蜡相变复合材料并用作热界面材料， 其热导率随石墨化温度的增加而增加。
2014, 3(6):36-44.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406006
摘要:
热界面材料技术是三维系统级封装中的关键技术。文章采用新型定向生长碳纳米管阵列方法制备了热界 面材料，并研究了其导热性能。实验结果表明，通过采用 50/100/100 nm 厚的 Ti/Ni/Au 金属层和 Sn64Bi35Ag1 导 热焊料，可成功实现碳纳米管阵列的 100％ 转移；通过热释放胶带(Nitto Denko，Part Number: #3198MS)可获得 悬浮碳纳米管阵列。文章还通过 LFA 447 激光导热仪分别测量了热界面材料在 25℃、75℃ 和 125℃ 下的热扩散 系数，并计算了其表观热导率，还进行了热循环可靠性测试。结果表明，所选用碳纳米管阵列的表观热导率高于 42 W/(m·K)，200 次热循环后的表观热导率高于 41 W/(m·K)；转移后的碳纳米管阵列的表观热导率高于 28 W/ (m·K)，200 次热循环后仍高于 24 W/(m·K)。
热界面材料技术是三维系统级封装中的关键技术。文章采用新型定向生长碳纳米管阵列方法制备了热界 面材料，并研究了其导热性能。实验结果表明，通过采用 50/100/100 nm 厚的 Ti/Ni/Au 金属层和 Sn64Bi35Ag1 导 热焊料，可成功实现碳纳米管阵列的 100％ 转移；通过热释放胶带(Nitto Denko，Part Number: #3198MS)可获得 悬浮碳纳米管阵列。文章还通过 LFA 447 激光导热仪分别测量了热界面材料在 25℃、75℃ 和 125℃ 下的热扩散 系数，并计算了其表观热导率，还进行了热循环可靠性测试。结果表明，所选用碳纳米管阵列的表观热导率高于 42 W/(m·K)，200 次热循环后的表观热导率高于 41 W/(m·K)；转移后的碳纳米管阵列的表观热导率高于 28 W/ (m·K)，200 次热循环后仍高于 24 W/(m·K)。
2014, 3(6):45-51.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406007
摘要:
本研究采用电化学沉积的方法在金属钛板上制备出镍尖锥的规则阵列，然后将二氧化锰直接沉积到镍尖 锥阵列上。这种沉积有二氧化锰的镍尖锥能够直接从基板上剥落下来形成自支撑的、柔性、超薄电极片。结果显 示该电极的最高比电容达到 325 F/g，并且具有出色的倍率性能。用这种电极组装成的柔性超薄超级电容器呈现出 良好的电化学性能，有望在可穿戴消费电子领域得到应用。
本研究采用电化学沉积的方法在金属钛板上制备出镍尖锥的规则阵列，然后将二氧化锰直接沉积到镍尖 锥阵列上。这种沉积有二氧化锰的镍尖锥能够直接从基板上剥落下来形成自支撑的、柔性、超薄电极片。结果显 示该电极的最高比电容达到 325 F/g，并且具有出色的倍率性能。用这种电极组装成的柔性超薄超级电容器呈现出 良好的电化学性能，有望在可穿戴消费电子领域得到应用。
2014, 3(6):52-62.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406008
摘要:
通过原位聚合的方法合成了表面包覆钛酸钡的聚苯胺复合纳米颗粒(BT@PANI)，并将该复合纳米颗粒 作为填料制备了具有特殊结构的 BT@PANI/EP 三相复合材料。实验发现由于导电聚苯胺增强了界面极化，因此随 着 BT@PANI 中 PANI 质量的增加( 即 BT 在复合材料中的质量分数减少)，该复合材料的介电常数也随之增加。当 PANI 的质量分数从 0% 增加至 26% 时，其介电常数也从 17 提高到了 53，并且当 BT@PANI 中 PANI 的质量分数达 到 26% 时，该复合材料并没有出现明显的渗流效应，且其导电率保持在 1.64×10 － 6 S/m 这一较低值。此外，当测量 温度范围在 60℃ 到 100℃ 之间时，该复合材料的介电常数发生了明显的上升，这一现象可以说明随着温度的上升， 导电聚苯胺、环氧分子链在 Tg 温度(90℃ ) 下运动增强及钛酸钡在居里温度(120℃ ) 下的相变共同产生了强烈的界 面极化。
通过原位聚合的方法合成了表面包覆钛酸钡的聚苯胺复合纳米颗粒(BT@PANI)，并将该复合纳米颗粒 作为填料制备了具有特殊结构的 BT@PANI/EP 三相复合材料。实验发现由于导电聚苯胺增强了界面极化，因此随 着 BT@PANI 中 PANI 质量的增加( 即 BT 在复合材料中的质量分数减少)，该复合材料的介电常数也随之增加。当 PANI 的质量分数从 0% 增加至 26% 时，其介电常数也从 17 提高到了 53，并且当 BT@PANI 中 PANI 的质量分数达 到 26% 时，该复合材料并没有出现明显的渗流效应，且其导电率保持在 1.64×10 － 6 S/m 这一较低值。此外，当测量 温度范围在 60℃ 到 100℃ 之间时，该复合材料的介电常数发生了明显的上升，这一现象可以说明随着温度的上升， 导电聚苯胺、环氧分子链在 Tg 温度(90℃ ) 下运动增强及钛酸钡在居里温度(120℃ ) 下的相变共同产生了强烈的界 面极化。
2014, 3(6):63-75.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406009
摘要:
聚合物纳米电介质材料由于其出色的机械加工特性、电可调制特性已成为当今高密度封装技术等诸多学 科的前沿领域。通过在聚合基体中引入高介电陶瓷或纳米导电颗粒形成具有高介电常数的复合材料，并通过印刷电 路板(Printed Circuit Board，PCB) 制备工艺内置于 PCB 基板内部形成埋入式元件( 电容、电感及其他无源元件)， 这已经在电子系统小型化方面显示出巨大的应用前景。文章综述了高介电纳米聚合物复合材料领域近年来的研究 进展，探讨了聚合物纳米复合材料在埋入式电容器、电感器中的应用及埋入式无源滤波器的设计方法、制备工艺 以及复合材料的电磁特性对埋入式元件电学性能的影响。
聚合物纳米电介质材料由于其出色的机械加工特性、电可调制特性已成为当今高密度封装技术等诸多学 科的前沿领域。通过在聚合基体中引入高介电陶瓷或纳米导电颗粒形成具有高介电常数的复合材料，并通过印刷电 路板(Printed Circuit Board，PCB) 制备工艺内置于 PCB 基板内部形成埋入式元件( 电容、电感及其他无源元件)， 这已经在电子系统小型化方面显示出巨大的应用前景。文章综述了高介电纳米聚合物复合材料领域近年来的研究 进展，探讨了聚合物纳米复合材料在埋入式电容器、电感器中的应用及埋入式无源滤波器的设计方法、制备工艺 以及复合材料的电磁特性对埋入式元件电学性能的影响。
2014, 3(6):76-83.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406010
摘要:
基板材料在电子封装中主要起到半导体芯片支撑、散热、保护、绝缘及与外电路互连的作用。随着电子 封装技术向着高频高速、多功能、高性能、小体积和高可靠性方向发展，电子封装基板材料在新一代电子封装材 料中发挥着越来越重要的作用。科学与工业界对电子封装基板材料提出了更高的要求，同时也促进了电子封装基 板材料飞速发展。文章分别针对三大类基板材料：陶瓷基板、复合材料基板和有机基板的特点、发展现状及未来 发展趋势进行了阐述。
基板材料在电子封装中主要起到半导体芯片支撑、散热、保护、绝缘及与外电路互连的作用。随着电子 封装技术向着高频高速、多功能、高性能、小体积和高可靠性方向发展，电子封装基板材料在新一代电子封装材 料中发挥着越来越重要的作用。科学与工业界对电子封装基板材料提出了更高的要求，同时也促进了电子封装基 板材料飞速发展。文章分别针对三大类基板材料：陶瓷基板、复合材料基板和有机基板的特点、发展现状及未来 发展趋势进行了阐述。
12 倒装芯片封装技术概论
2014, 3(6):84-91.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406011
摘要:
高密度电子封装正朝着小型化、高 I/O 密度、更好的散热性和高的可靠性方向发展，传统引线键合技术 已经无法满足要求。先进的倒装芯片封装技术由于具有较高的单位面积内 I/O 数量、短的信号路径、高的散热 性、良好的电学和热力学性能，在电子封装中被广泛关注。底部填充胶被填充在芯片与基板之间的间隙，来降低 芯片与基板热膨胀系数不匹配产生的应力，提高封装的稳定性。然而，流动底部填充胶依赖于胶的毛细作用进行 填充，存在很多缺点。为了克服这些缺点，出现了非流动底部填充胶，以改善倒装芯片底部填充工艺。文章回顾 了倒装芯片封装技术的发展，阐述了流动和非流动底部填充胶的施胶方式和性质。
高密度电子封装正朝着小型化、高 I/O 密度、更好的散热性和高的可靠性方向发展，传统引线键合技术 已经无法满足要求。先进的倒装芯片封装技术由于具有较高的单位面积内 I/O 数量、短的信号路径、高的散热 性、良好的电学和热力学性能，在电子封装中被广泛关注。底部填充胶被填充在芯片与基板之间的间隙，来降低 芯片与基板热膨胀系数不匹配产生的应力，提高封装的稳定性。然而，流动底部填充胶依赖于胶的毛细作用进行 填充，存在很多缺点。为了克服这些缺点，出现了非流动底部填充胶，以改善倒装芯片底部填充工艺。文章回顾 了倒装芯片封装技术的发展，阐述了流动和非流动底部填充胶的施胶方式和性质。
2014, 3(6):92-101.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406012
摘要:
有机电致发光器件(Organic Light-Emitting Diode，OLED) 因其轻薄、视角广、响应时间短、发光效率高、 成本低等优点成为公认的新一代显示技术。为减少甚至避免有机发光材料受到外界环境的侵蚀、保证 OLED 的使 用寿命，OLED 封装材料得到了大力的研究和发展。OLED 封装材料必须具有优秀的水氧阻隔能力，此外，还要求 有良好的热导率、透光率、机械强度、耐腐蚀性与基底的粘结性等性质。文章对 OLED 封装材料的发展作了详细 的介绍，包括传统后盖式封装所用的金属、玻璃、陶瓷和薄膜封装所用的无机化合物、聚合物、复合材料。根据 OLED 器件的性能以及封装形式的需求，探讨了封装材料的未来发展方向。
有机电致发光器件(Organic Light-Emitting Diode，OLED) 因其轻薄、视角广、响应时间短、发光效率高、 成本低等优点成为公认的新一代显示技术。为减少甚至避免有机发光材料受到外界环境的侵蚀、保证 OLED 的使 用寿命，OLED 封装材料得到了大力的研究和发展。OLED 封装材料必须具有优秀的水氧阻隔能力，此外，还要求 有良好的热导率、透光率、机械强度、耐腐蚀性与基底的粘结性等性质。文章对 OLED 封装材料的发展作了详细 的介绍，包括传统后盖式封装所用的金属、玻璃、陶瓷和薄膜封装所用的无机化合物、聚合物、复合材料。根据 OLED 器件的性能以及封装形式的需求，探讨了封装材料的未来发展方向。
2014, 3(6):102-110.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201406013
摘要:
通过堆栈电子器件的三维集成电路(3D-ICs) 能够缩小封装面积，并增加系统的容量和功能。在过去的几 十年中，基于薄晶圆( 通常厚度小于100 μm) 的硅穿孔(Through-Silicon Via，TSV) 技术已经实现了 3D-IC 封装。 但是由于薄晶圆的易碎性和易翘曲的倾向，在对器件晶圆进行背部加工过程中，需要利用胶粘剂将其固定在载体 上，并使薄晶圆在背部加工后易于从载体上剥离。文章介绍了用于此工艺的临时键合胶的研究现状，并对一种新 型的、基于热塑性树脂的临时键合胶性能进行了系统的考察。这种新型的胶粘剂表现出优异的流变性能、热稳定性、 化学稳定性和足够的粘接强度，并且易于剥离和清洗。这些研究成果拓展了可以应用于临时键合胶的聚合物范围， 对促进 TSV 技术的应用具有重要意义。
通过堆栈电子器件的三维集成电路(3D-ICs) 能够缩小封装面积，并增加系统的容量和功能。在过去的几 十年中，基于薄晶圆( 通常厚度小于100 μm) 的硅穿孔(Through-Silicon Via，TSV) 技术已经实现了 3D-IC 封装。 但是由于薄晶圆的易碎性和易翘曲的倾向，在对器件晶圆进行背部加工过程中，需要利用胶粘剂将其固定在载体 上，并使薄晶圆在背部加工后易于从载体上剥离。文章介绍了用于此工艺的临时键合胶的研究现状，并对一种新 型的、基于热塑性树脂的临时键合胶性能进行了系统的考察。这种新型的胶粘剂表现出优异的流变性能、热稳定性、 化学稳定性和足够的粘接强度，并且易于剥离和清洗。这些研究成果拓展了可以应用于临时键合胶的聚合物范围， 对促进 TSV 技术的应用具有重要意义。
