6.12.2 3D封装用晶须及复合材料
微电子封装所使用的材料包括金属及金属基复合材料、陶瓷、玻璃、塑料等高分子、纳米复合材料等。
6.12.2.1 金属及金属基复合封装材料
电子封装材料是指用于承载电子元器件及其相互联线，起机械支持，密封环境保护，散失电子元件的热量等作用，并具有良好电绝缘性的基体材料，是集成电路的密封体。
电子封装材料分类有多种，一般可以按照封装结构、形式、材料组成来进行分类。
从封装结构分，电子封装材料主要包括基板、布线、层间介质和密封材料。基板一般分为刚性板和柔性板。柔性板电路具有轻、薄、可挠曲等特点，适用于便携式电子产品和无线通信市场。基板金属化就是通过金属布线把芯片安装在基板上，布线要求具有较低的电阻率和良好的焊接性。层间介质分为有机（聚合物）和无机（SiO2、Si3N4和玻璃）两种，起着保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等作用。环氧树脂系密封材料目前占整个电子密封材料的90%左右。环氧树脂成本低、产量大、工艺简单，近年来发展迅速。
从封装形式分，可分为气密封装和实体封装。气密封装是指封装腔体内在管芯周围有一定气氛的空间并与外界相隔离；实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体。
从材料组成分，可分为金属基、塑料基和陶瓷基封装材料。主要包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料，以及金属基复合材料。
金属主要为电热传导材料，陶瓷与玻璃为陶瓷封装基板的主要成分，玻璃同时为重要的密封材料，塑料封装利用高分子树脂进行元器件与外壳的密封，高分子材料也是许多封装工艺的重要添加物。材料的使用与选择是由封装的电热性质、可靠性、技术与工艺、成本价格的需求有关。一个封装单元内涉及多种芯片、多种互连、多种封装、多种组装和多种测试，因此必然要求其材料具有多种性能。
金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃—金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装形式多样、加工灵活，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，适合于低I/O数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。本文主要介绍在金属封装中使用和正在开发的金属材料，这些材料不仅包括金属封装的壳体或底座、引线使用的金属材料，也包括可用于各种封装的基板、热沉和散热片的金属材料。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；②非常好的导热性，提供热耗散；③非常好的导电性，减少传输延迟；④良好的EMI/RFI屏蔽能力；⑤较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成形性能；⑥可镀覆性、可焊性和耐蚀性，以实现与芯片、盖板、印制板的可靠结合、密封和环境的保护；⑦较低的成本。
金属基复合材料被誉为21世纪的材料，是满足信息时代高速发展所提出的全面要求的新型材料。金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其他组元材料的特点，特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用，从而还使材料设计有了很大的自由度，还可以根据材料的要求合理地选择组成材料的组元及其增强方式。
电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型金属基复合材料。按增强物类型可分为：连续纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料。按基体类型可分为：铝基、铜基、银基、铍基等。其中以Al/SiC最为突出。SiC颗粒作为增强材料具有性能优异、成本低廉的优点，其CTE为4.7×10-6/℃，与Si的CTE最为接近，热导率为80～170 W/（m·K），弹性模量达450 GPa，密度为3.2 g/cm3；Al作为基板材料，具有高导热［170～220 W/（m·K）］、低密度（2.7 g/cm3）、价格低廉和易于加工等优点，又克服了各自的缺点，所以能表现出综合的优异性能。通过将高CTE的Cu高压轧制到低CTE的金属或合金基体材料上，然后退火形成金属连接，可以制备出呈三明治结构的覆Cu材料，这是一种CTE可调、热导率可变的叠层复合材料。封装中所用的两种主要包覆Cu材料为Cu/Invar/Cu（CIC）和Cu/Mo/Cu（CMC）。
金属封装材料主要包括Al、Cu、Mo、W、钢、可伐（Kovar）合金以及Cu/W和Cu/Mo等。大多数金属封装都属于实体封装，对封装材料要求较高，必须致密、抗潮，与管芯材料黏附和热匹配良好，而且在高温、低气压下不应产生有害气氛。理想的金属封装材料要求具有高的热导率和低的热膨胀系数（CTE）及密度（ρ）。Cu、Al或Al合金都具有良好的热传导率，质量较轻，成本低、强度高等优点，易于形成绝缘抗侵蚀薄膜，因而使用广泛。金属基板是以其表面的阳极氧化膜作为其绝缘层，但是因为与其氧化膜的热膨胀系数相差很大，当金属基板受热时，氧化膜容易开裂，影响封装的可靠性。此外，Cu、Al及合金的CTE值太大（Al的CTE为23.6×10-6/℃，Cu的CTE为17.8×10-6/℃，容易引发循环热应力。Cu/Invar/Cu（CIC）具有良好的塑性、冲裁性以及EMI/RFI屏蔽性，在Z方向热导率较低，这与夹心的Invar热导率低有关。除了用于印制板外，还可用于固体继电器封装、功率模块封装及气密封装的底座等。CMC可冲裁，无磁性，界面接合强，可承受反复850℃热冲击。由于其CTE可调整，故能与可伐合金侧墙可靠地焊接。CMC复合材料已用来制作微波/射频外壳、微米波外壳，功率晶体管、MCM的底座，光纤外壳、光电元件基板，激光二极管、盖板、热沉和散热片等。
Cu/Mo合金和Cu/W合金具有较高的热导率及相匹配的CTE，但M0、W的价格较高，加工、焊接性能差而密度却又是Al的好几倍，不适合对质量有要求的应用领域，限制了其应用，而可伐合金虽然具有很低的CTE，在数值上与芯片材料GaAs的CTE较接近，而且Kovar合金的加工性能也较好。如利用机械加工Kovar合金制作的热沉和壳为一体的外壳，膨胀系数小，制作方便，但散热性不好。正是因为其导热系数太低，密度也很低，使其难以广泛应用。作为热匹配复合材料用于封装的主要是Cu基和灿基复合材料。
1）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。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。加入Al2O3后热导率稍有减小为365 W/（m·K），电阻率略有增加，为1.85μΩ/cm，但屈服强度得到明显增加。这种材料已在金属封装中得到广泛使用，如美国Sinclair公司在功率器件的金属封装中使用Glidcop代替无氧高导铜作为底座。美国Sencitron公司在TO-254气密金属封装中使用陶瓷绝缘子与Glidcop引线封接。在Glidcop基础上，SCM公司还将它与其他低膨胀材料，如可伐、Fe-42Ni、W或Mo进一步结合形成CTE较低、却保持高电导率的高强度复合材料。如Glidcop与50%可伐的复合材料屈服强度为760 MPa，CTE为10×10-6/K，电导率为30%IACS。Glidcop与25% Mo的复合材料屈服强度为690 MPa，CTE为12×10-6/K，电导率为70%IACS。
Cu基复合材料还可以采用C纤维、B纤维等、SiC颗粒、AlN颗粒等材料做增强体。如碳纤维（经高温处理可转化为石墨纤维）CTE在-1×10-6～2×10-6/K，具有很高的弹性模量和轴向热导率，P120、P130碳纤维轴向的热导率分别为640 W/（m·K）和1100 W/（m·K），而用CVD方法生产的碳纤维其热导率高达2 000 W/（m·K）。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-0.5×10-6/K，热导率600～750 W/（m·K），而垂直于碳纤维长度方向的CTE为8×10-6/K，热导率为51～59 W/（m·K），比沿纤维长度方向的热导率至少低一个数量级。所以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，可以采用纤维网状排列、螺旋排列、倾斜网状排列等方法或使用非连续的碳纤维。
20世纪90年代，美国Texas Instruments公司开发出一种称之为Cuvar的可控制膨胀、高热导的复合材料，它是在Cu中加入低膨胀合金Invar（Fe-36Ni，中国牌号4J36），CTE仅为0.4×10-6/K，但热导率很低，为11 W/（m·K）的粉末，由Cu基体提供了导热、导电，由Invar限制了热膨胀。Cuvar的加工性很好，容易镀Cu、Ni、Au、Ag，是传统低膨胀合金可伐和42合金（Fe-42Ni，中国牌号4J42）的替代品，也可以代替传统的W、Mo基热管理材料。但Cuvar材料受微量杂质的影响较大，Invar和Cu在烧结过程中的互相扩散对复合材料的导电、导热和热膨胀性能有一定影响。
2）铜-金刚石复合材料
铜-金刚石复合材料具备很好的热物理性能和机械性能，试验表明金刚石的体积分数为55%左右时，在25～200℃的热导率为600 W/（m·K）左右，比铜还要高，而它的CTE为5.48×10-6～6.5×10-6/K，可与Si、GaAs的CTE相匹配。这种材料已由美国Lawrence Livermore国家实验室与Sun Microsystems公司开发作为多芯片模块（MCM）的基板使用。2002年6月日本Somitomo Electric Industries（SEl）公司也开发出铜-金刚石复合材料，取名为Diamond-Metal-Composite for Heat Sink（DMCH）。
单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求，只有金属基复合材料才能全面满足如上的要求，它尤其适于现代化高速发展的功率HIC，微波毫米波MMIC，MCM和大电流功率模块的功率封装及作为散热片应用。
在Cu/Mo基础上，Polese公司开发了Cu/Mo-Cu/Cu材料，以满足对可控CTE、高热导和高电导的需要。2003年7月第一种厚度比为1：4：1的Cu/Mo-Cu/Cu上市，其25～400℃的热导率为300 W/（m·K），CTE为7.0×10-6～8.5×10-6/K，密度为9.45 g/cm3。可用于微波载体和热沉、微电子封装底座、GaAs器件安装和SMP导体。陈德欣2005年在对钨铜电子封装材料的工程化进行研究中指出，W/Cu电子封装材料具有优良的导热性能和可调节的热膨胀系数，是目前国内外军用电子元器件特别是固态相控阵雷达首选的电子封装材料。中南大学电子封装材料研究所研制的W/Cu电子封装材料的性能已接近国际同类产品的水平，已为军工用户提供了10万多件。但随着W/Cu电子封装材料零部件的品种、规格愈来愈多，性能要求越来越高，原有的生产工艺和装备在批量生产过程中暴露出一些新问题，主要表现在：导热稳定性不够、产品表面有白斑现象等。本研究在工程化研究中从改善钨粉粒度分布、优化熔渗烧结工艺入手，借助扫描电镜对材料的微观形貌进行了观察，结果表明：①在1350℃时熔渗1 h获得的产品导热性能最好，熔渗组织也比较均匀；②用费氏粒度为5.6μm钨粉，加入1%～2.5%的诱导铜粉，在大压力下，可制成相对密度为72.46%的高密度钨生坯，熔渗后产品He吸附小于1.0×10-9 Pa·m3/s；③铜是复合材料中的主要导热组元，其纯度对导热性能影响较大，用99.9%纯度的铜粉，可得到热导为200 W/（m·K）以上的W/Cu15材料；④钨粉粒径主要通过影响铜网络的分布及界面的多少来影响导热性能、综合压制性能及经济因素，混合钨粉具有较优的使用价值；⑤复合材料界面残余应力越大，材料导热性能越差，将熔渗后的W/Cu产品在氢气保护下退火后，导热率可达到180 W/（m·K）以上，而且数据分散度小，性能稳定；⑥钨铜电子封装材料生产中表面出现的白斑主要是由粉末压制前的形态决定。压制前将粉末适度球磨，减少细粉颗粒的聚集可以获得良好的效果。崔国峰2003年化学镀镍和镍/金在微电子领域中的应用及研究展望，介绍了化学镀镍和镍/金技术以及镍磷层的电学性能，综述了其在倒装芯片凸焊点的UBM、印刷电路板和电感、电容、电阻LCR元件生产上的应用。
此外，美国的Polymetallurgical和Anomet等公司还生产了用于玻璃与金属封接的铜芯引线。铜芯外边可以是52合金（Fe-50Ni，中国牌号4J50）、可伐合金（Fe-29Ni-17Co）、42-6合金（Fe-42Ni-6Cr，中国牌号4J6）和446不锈钢（Fe-24Cr）等膨胀材料。二者之间完全冶金结合，具有良好的机械强度、韧性和气密性，既提供了铜的高导电能力，又提供了膨胀材料与玻璃气密封接能力。铜芯与低膨胀合金半径可以是任何比值，标准比值是2：1和3：1。在比值为3：1时，铜芯引线的导电率为14%IACS，即电阻率为12μΩ/cm。
3）Al-Si复合材料
刘东光2013年公开了微波组件Al-Si封装材料表面改性工艺研究，对高硅铝合金进行表面改性工艺实验，工艺分步实施化学镀镍、电镀镍、电镀金步骤，得到的镀层表面光滑平整，没有明显的结瘤和夹杂，镀层经高温烘烤无起泡脱落现象，与对应的铅锡焊料具有良好的焊接性和焊接速度，焊接后长期放置不出现晶须。该工艺作为高硅铝合金可焊性表面处理技术之一，兼具可选择区域镀、可接触导通、良好的键合性能，能兼容各种助焊剂，对于铝基复合材料表面处理具有十分重要意义。
6.12.2.2 塑料封装材料
塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲击性强等优点，塑封装所使用的材料主要是热固型塑料，包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类，其中以环氧树脂应用最为广泛。环氧树脂材料的热力学性能受水气的影响很大，在高温情况下，潮气会降低材料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度，水气还会造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏，改变塑封料的介电常数，严重影响封装的可靠性。此外，塑料封装晶体管多数含有铅，毒性较大，考虑到环保因素，RF晶体管通常采用成本比塑料高许多的陶瓷来充当电子封装材料。
6.12.2.3 陶瓷封装材料
从结构与制作工艺而言，陶瓷基板可分为高温共烧多层陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接键合铜陶瓷基板等。陶瓷封装的优点在于耐湿性好，良好的线膨胀率及热导率，同时具有优良的综合性能。美国、日本等国相继开发出多层陶瓷基片，使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷，目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、BeO和AlN、SiC和莫来石等。
大功率密度封装中芯片所产生的热量主要通过基片材料传导到外壳而散发出去的。不同的基片材料其导热性能各异。对高导热的基片BeO基片和AlN基片等，可以满足自然冷却要求。对于导热性较低的基片，如Al2O3基片，难以满足自然冷却的要求，必须附加电风扇、散热片或进行水冷等强制冷却办法，或在保证一定的机械强度条件下，尽量减少基片厚度，增加高导热填充材料以减少热通道上的热阻。Al2O3和BeO基片是广为使用的传统材料。但由于其综合性能、环保、成本等因素已难以满足功率微电子封装的要求，众所周知BeO晶须可以透过人体皮肤进入体内，毒害性很大，而综合性能优越的AlN基片将替代以上两种基片逐渐成为功率微电子封装的优良基片。(https://www.daowen.com)
有效降低Cu的CTE办法还可加入CTE为负值的陶瓷颗粒-ZrW5O8、ZrV2O7或者是Ni-Ti形状记忆合金。如ZrW5O8、ZrV2O7的CTE为11×10-6/K，Ni-Ti合金的CTE更低达200×10-6/K。这样，在基体中加入较少体积分数的负膨胀系数材料就可以获得能与Si、GaAs的CTE相匹配的复合材料，而Cu的高热导率基本不受影响。该类复合材料的缺点是陶瓷颗粒的生产成本高，陶瓷材料容易与金属基体发生不良的界面反应。
陈成2012年公开了电子封装用SiCp/Al-Si复合材料的组织观察及性能研究，针对SiCp/Al复合材料中Al与SiC之间润湿性较差、易发生界面反应等问题，通过对SiC颗粒进行表面改性预处理并在Al基体中添加Si元素使其合金化，采用热压烧结工艺制备了SiCp/Al和SiCp/Al-Si复合材料。系统研究了SiC颗粒的表面改性预处理工艺和复合材料中Al与SiC之间的反应热力学，探索了不同制备工艺对复合材料组织和性能的影响，并就热压烧结方法Al基体中Si元素含量和不同制备工艺参数对复合材料组织、物理性能和力学性能的影响进行了全面的分析和测试，取得了如下主要结果：SiC颗粒经表面改性预处理后，颗粒棱角钝化、形状接近于球形，颗粒比表面积减小且其表面微观特征发生了变化，改善了界面结合，使复合材料的热导率提高；DSC试验表明，Al与SiC在Al的熔点附近当保温时间较短时其热力学化学反应是不容易发生的，优化了复合材料的具体制备工艺参数；用热压烧结法制备复合材料，通过选择合适的工艺参数，所制备的复合材料有望获得优异的综合性能。研究表明，当在Al基体中加入10%Si元素使其合金化后，在650℃保温20 min、压力为30 MPa下热压烧结，得到的SiCp/Al-Si复合材料组织致密，增强相在基体中分布均匀；TEM观察表明，增强相与基体界面清晰，无过渡层和其他附加物，界面结合良好，并确定了Al与SiC之间的位向关系。通过制备工艺参数、组织和性能优化的研究，所制备的SiCp/Al-Si复合材料物理性能和力学性能较为优异。特别是该复合材料的热导率得到显著提高，较好地解决了SiCp/Al复合材料因SiC与Al润湿性差而导致其热导率偏低的问题。当在Al基体中添加10%Si、SiC粒度为30 m2/μm、烧结温度为650℃、压力为30 MPa时，复合材料的热导率可达189 W/（m·K），其在50～400℃之间的平均热膨胀系数为9.5×10-6/℃，抗弯强度可达300 MPa。复合材料综合性能比较优异，能够满足电子封装材料的使用要求。赵东亮（2017）公开了电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料及制法，将氮化铝晶须加入氮化铝陶瓷中，利用陶瓷晶须断裂强度高、弹性模量大的特点，提高氮化铝陶瓷材料的力学性能，使其作为电子封装基板使用时具有更高的可靠性，且制法简单，易于实现工业化生产，包括如下固体原料：氮化铝65%～90%，氮化铝晶须5%～32%和烧结助剂3%～5%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料，造粒、成型、排胶、烧结，制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。邱基华2019年公开了一种陶瓷封装基座材料组合物及其应用的制作方法，该技术制备方法包括以下步骤：①将陶瓷封装基座材料组合物所含的各成分混合，得到陶瓷封装基座材料组合物；②得到的陶瓷封装基座材料组合物与溶剂、分散剂混合均匀，然后加入树脂、增塑剂混合均匀得混合物；③将混合物进行流延成型制得生坯；④生坯进行冲孔、导通孔填孔、叠层和印刷金属浆料，然后烧结成瓷，得到陶瓷封装基座。本技术通过在陶瓷原料中加入适当的MnO2，促进晶粒的异向生长，形成长棒状晶体，导致陶瓷封装基座中的裂纹发生偏移，改变和增加了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹的扩展；同时，降低了烧结过程的液相比例，减少非晶相在瓷体中聚集形成应力破坏点。该陶瓷封装基座在进行砂轮切割分片时不会发生崩缺等问题。
6.12.2.4 有机高分子和环氧树脂基复合封装材料
环氧树脂封装材料（epoxy molding compound，EMC）主要由环氧树脂、填料、固化剂、固化促进剂、阻燃剂以及其他添加剂等组分组成。环氧树脂易燃，使用中需加入阻燃剂，目前使用的阻燃剂大多是卤素衍生物或含锑阻燃剂等。卤素阻燃剂燃烧时会产生对人体和环境有害的有毒气体，处理或回收这些含卤废料相当困难。因此其使用受到限制，开发无卤阻燃EMC是塑料封装材料的研究热点。目前大部分微电子装备均使用的锡-铅焊料来进行焊接操作，焊锡中的铅易被溶解出来，造成重金属污染。锡-铅焊料必然被逐渐淘汰，采用无铅焊料是电子封装用焊料和焊接工艺发展的必然趋势。现有的无铅焊料熔点比锡-铅焊料高30～40℃，使无铅焊接的再流焊峰值温度相应提高并超过环氧树脂材料的耐高温极限，导致零件胀裂、打线拉脱、封装失效甚至芯片破裂等，影响EMC材料的可靠性，开发新型耐湿无铅焊接EMC材料也是当前的研究重点。环氧树脂材料的热力学性能受到水汽的影响很大，高温下潮气会降低材料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度。还可能造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏，改变塑料封装材料的介电常数，影响封装的可靠性。此外，塑料封装材料中的各种有机添加剂易造成环境污染、元器件易应力损坏、不适合交流高压陶瓷电容器包封、废品不能回收利用、耐焊接温度不够高，所以塑料封装材料大多只能用于普通工业领域，而不适用于航空、航天及军事等领域中对可靠性要求特别严格。
薛洁2013年对电子封装用氰酸酯复合材料进行研究，采用氮化铝（AlN）和纳米氮化铝（n-AlN）、二氧化硅（SiO2）以及经过硅烷偶联剂（KH-560）处理的AlN和SiO2与氰酸酯（CE）树脂共混，设计制备了AlN/CE，n-AlN/CE，AlN-SiO2/CE和AlN（KH560）SiO2（KH-560）/CE复合材料。研究了填料的种类、粒径、含量和表面性质对复合材料导热性能、介电性能的影响。结果表明：填料对复合材料的导热性能有显著影响，用n-AlN和AlN混合填充CE，不同粒径的AlN可以形成紧密堆砌而提高热导率。高含量的AlN添加到CE中会提高复合材料的介电常数，但将SiO2部分取代AlN，能减少介电常数的增加量。
李攀敏2011年对电子封装用环氧树脂基复合材料的优化，研究了593固化剂不同用量加入电子封装用环氧树脂E-51中的效果，以及在E-51/Al2O3复合材料中硅烷偶联剂不同用量的效果。结果显示：593固化剂与环氧树脂质量比为1：4时，复合材料的致密度高，气孔少，成型效果好；当硅烷偶联剂KH-560质量分数为8%时，复合材料的热导率达0.75 W/（m·K）。
文雯（2011）研究了芯片封装用环氧树脂YX-4000固化特征及球形SiO2对其改性，背景是：随着电子产品的微型化与便携化，IC集成度越来越高以及芯片封装技术不断革新，对环氧塑封料（EMC）的性能提出了越来越高的要求，根据环氧塑封料正朝着高纯度、高可靠性、高导热、低吸湿、低应力、绿色阻燃等方向发展。从开发高端芯片封装用环保型环氧塑封料入手，研究了联苯型环氧树脂YX-4000的固化反应特征，以及球形SiO2对环氧树脂YX-4000的改性。具体内容有以下两个方面：①YX-4000的固化反应特征研究。对联苯型环氧树脂YX-4000体系，利用差示扫描量热技术（DSC）研究了促进剂、固化剂种类及固化剂用量对其固化特征的影响。结果表明，YX-4000体系需要在有促进剂的条件下才能有效固化；选择包覆型EPCAT-P和苯酚-亚联苯基GPH-65作为该体系的促进剂与固化剂，GPH-65与YX-4000的最佳配比在1～1.02之间；不同升温速率对YX-4000体系DSC曲线的形状、大小、反应温度都有较大的影响，利用线性拟合和外推法，得到YX-4000/GPH-65体系的较佳固化工艺条件：115℃预固化2 h，再缓慢升温至150℃固化2 h，最后180℃恒温固化6 h。研究了YX-4000/GPH-65体系固化反应动力学，其固化反应活化能为E=86.09 kJ/mol，反应级数n=0.92，固化反应趋近于1级，表明该体系固化反应机理比较复杂。②球形SiO2对YX-4000的改性研究。表征了球形SiO2的粒径、形状、纯度，实验表明，所选择的球形SiO2具有良好的单分散粒度分布，粒径集中在1～10μm之间，球形率高，杂质含量低，能够满足高端芯片封装用EMC的要求。
李自学2005年用于混合微电子封装的聚合物粘接材料，结合微电子封装技术的发展，重点叙述用于混合微电子封装的聚合物粘接材料的组成、分类及聚合物可靠性实验的研究情况，同时，介绍了国外关于导电类粘接材料导电机理的研究现状及进展。
王玲2014年对LED封装用高性能导电胶的制备及性能研究，作为弥补传统焊料的一种新型绿色环保互连材料，导电胶具有使用工艺简单、粘接温度低等优点，被广泛应用于IC封装、LED封装等微电子封装领域。然而目前导电胶普遍存在导热系数偏低、体积电阻率偏高、粘接强度不够、储存运输性能较差等缺点。开展了双氰胺固化体系各向同性导电胶（ICAs）配方的筛选优化，系统地研究了ICAs性能尤其是导热性能的影响因素，探讨了功能助剂对ICAs性能提升的作用机制，并对ICAs的应用可靠性及封装失效机理进行了分析。从ICAs储存性能以及固化后的剪切强度、导电及导热性能等方面考虑，筛选出新型双氰胺固化体系的导电胶，其最佳配比为树脂体系15.8%、双氰胺固化体系1.2%、己二酸及其他助剂5%、银粉78%。该ICAs可在室温下储存3个月，在170℃、60 min条件下固化，固化后电阻率为1.310～4Ω/cm，热导率为10.41 W/（m·K），剪切强度为19.1 MPa。并系统研究了银粉尺寸及数量、固化剂及活性稀释剂含量、功能助剂及其含量、固化条件等对ICAs性能，尤其是导热、导电性能的影响。研究表明ICAs的导热及导电性能均随银粉含量的增加而增强，银粉含量为75%时，达到ICAs的导电性能的渗流阈值，而其导热性能并未出现该现像，热导率随着银粉含量的增大而逐渐增加。对加入了低熔点SnBi合金的ICAs进行SEM-EDS分析，结果表明低熔点合金的加入，可使银粉之间产生冶金连接，在ICAs内部形成了高导热特征的冶金态导热、导电网络，可增强ICAs的导电及导热性能。
杨明山2008年公布了集成电路封装用环氧模塑料的绿色阻燃，合成了三聚氰胺改性含氮酚醛树脂，以邻甲酚醛环氧树脂为基体树脂，以自制的改性酚醛树脂为固化剂和阻燃剂，对集成电路封装用环氧模塑料绿色阻燃配方及工艺进行了研究。结果表明自制的改性酚醛树脂固化能力好，阻燃效果好。
刘艳梅2017年公布了基于碳化硅晶须与啮合微结构的复合增强型聚合物基转接板的制备与性能表征，提出了两种界面结合增强机制，一种是在网状金属增强结构与聚合物界面设置金属啮合微结构，通过机械互锁效应强化聚合物和金属的界面性能；另一种是无序增强机制，用晶须掺杂聚合物形成的复合材料代替原有的单纯聚合物，使得聚合物基体的整体性能得到有效提升，缩小了金属和聚合物间在热导率、热膨胀及刚度等方面的差异。两种增强效应协同作用形成复合增强型聚合物基转接板。为此，首先针对转接板集成制造应用的要求，研究了晶须增强聚合物复合材料的制备工艺，重点优化了晶须在聚合物中的分散效果，比较了不同的晶须含量对复合材料性能的影响，确定了最佳比例。通过仿真分析，研究了啮合微结构和晶须增强聚合物复合材料对转接板性能的影响。结果表明，相比于原有转接板设计，啮合微结构的添加使得转接板的力学和热学性能均有显著的提升；转接板的性能随晶须含量的增加而增强，当晶须含量达到7%左右时，转接板的性能达到最佳，晶须含量进一步增加使得晶须团聚现象越来越明显，导致复合材料的性能变差，从而影响转接板的性能。将上述晶须增强的聚合物基复合材料制备工艺与现有MEMS微加工工艺深度整合，形成了复合增强型聚合物转接板集成制造工艺流程，并流片制造了新型转接板小批量样品，同时制备了原有金属网状结构增强聚合物基转接板作为对比试样。对上述两种转接板的力学、热学及电学性能进行测试，结果表明，与原有设计相比，复合增强机制显著提升了转接板的综合性能，杨氏模量增加35.89%，热导率增加65.60%，热膨胀系数降低21.17%。转接板样品上下表面之间的电阻值一致性良好，垂直互连的导电金属柱良率较高，拥有明显的实用化潜力。
张迎新2015年高压快速制备高导热陶瓷，主要研究了制备高导热电子封装基板陶瓷材料的新方法。在目前国内外导热陶瓷制备研究基础上，提出以立方氮化硼（c-BN）为主要原料，采用高温高压烧结方法制备聚晶立方氮化硼（Pc-BN）导热陶瓷，并在相同条件下制备氮化铝（AlN）导热陶瓷、β-碳化硅（β-SiC）导热陶瓷和聚晶金刚石（PCD）导热陶瓷的方案。借助高温高压设备，在极短的时间内实现了c-BN、AlN、β-SiC和金刚石等晶体粉末的烧结，克服了传统烧结工艺的缺点，提高了烧结效率。制备出的Pc-BN陶瓷具备较高的热导率，且在抗弯强度与热膨胀性能上均达到了电子封装陶瓷基板材料的使用要求。同时所制备的PCD陶瓷也具备较高的热导率，可用作未来新型导热陶瓷材料。具体操作方法：首先采用热电偶测温法和金属熔点法对实验平台TH-V型六面顶压机进行了腔体温度和腔体压力的标定，然后对烧结粉料进行预处理和组装，并在6 GPa和1 500℃的高温高压条件下烧结PcBN陶瓷、AlN陶瓷、β-SiC陶瓷和PCD陶瓷。通过对高压快速制备的PcBN陶瓷、AlN陶瓷、β-SiC陶瓷和PCD陶瓷进行密度、SEM、XRD、抗弯强度、热导率、热膨胀系数和热扩散系数检测，综合分析得到如下结论：①采用高温高压烧结的方法，可以快速实现c-BN、AlN、β-SiC和金刚石等单晶粉末的致密化烧结，且烧结体中晶粒结晶程度高。②在c-BN原料中适当添加Al和AlN，均可极大提高PcBN内部晶粒之间的黏合强度，从而提高PcBN陶瓷的抗弯强度并且改变PcBN陶瓷的断裂特征。③添加5%金属Al的PcBN陶瓷的热导率随着c-BN粒度的增大而升高，当cBN粒度为8～12μm时，PcBN陶瓷的热导率可接近100 W/（m·K），达到高导热陶瓷对热导率的要求；添加不同含量AlN的PcBN陶瓷的热导率随着AlN含量的增加而降低，添加5%的AlN、粒度为2～4μm的PcBN陶瓷的热导率接近90 W/（m·K），基本达到高导热陶瓷对热导率的要求。说明合理的添加助烧剂可以使PcBN陶瓷具备高热导率。④添加Al或AlN的PcBN陶瓷的热膨胀系数与Si的热膨胀系数相匹配。⑤高温高压烧结的AlN陶瓷和β-SiC陶瓷的热导率较低，但PCD陶瓷的热导率可达到129.5 W/（m·K），完全可以满足高导热陶瓷对热导率的要求。
苏州思创源博电子科技有限公司2017年公开了一种复合含氟硅环氧基聚合物封装材料的制备方法与流程：在封装材料中添加的改性碳化硅复杂形状，且具有热导率高、膨胀系数低、比刚度大、密度小等特点，使得封装材料在固化后的内应力变化值范围较小；通过自由基及水解缩合的过程制备的含氟硅环氧基聚合物，同时具备了有机硅、有机氟的性质，并用其对脂环族环氧树脂改性，赋予了封装材料优异的耐候性及表面性能，使得封装材料具有优良的机械性能和耐冲击性能。
此外，环氧液体封装材料也是重要的封装材料，例如，GIN-COAT500系列为双组分或者三组分环氧树脂灌封料，具有优良的耐冷热冲击性能、机械性能、耐湿防潮性、阻燃性等特点。且工艺性适应性好，可用于自动作业方式或手工作业方式。产品满足ROHS、REACH、UL94V-0等法规及认证，可以设计为有卤或无卤（低卤）产品。GIN-COAT709系列为两组分或者三组分液体环氧封装材料，适合于PP/PET薄膜电容器的绝缘及机械的保护和耐湿与耐热保护。
6.12.2.5 石墨烯和碳纳米管碳质复合材料
随着电子晶片不断向高性能、高速度和高集成度的方向发展，电子元件的发热量及相对热流量越来越高，散热问题逐渐成为电子元器件要解决的关键技术之一。解决电子元器件的散热问题，除采用更高效的冷却技术外，热导率介于300～400 W/（m·K）之间的高热导材料和热导率大于400 W/（m·K）的超高热导材料，且具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数的新型封装材料越来越成为目前的研究热点。
碳质材料具有极高的热导率，而且密度小，部分材料具有很高的强度，是未来封装材料中必不可少的一类材料，也会在3D封装中起到重要作用。特别是，第四代芯片材料石墨烯也是碳质材料，采用同类材料对其进行封装在热膨胀匹配性必然具有其他材料不可比拟的优势。碳质材料主要包括金刚石、碳纤维、碳纳米管等。但目前由于技术上的局限性，各种碳质材料主要作为第二项添加剂，提高复合材料的热导率。今后主要研究方向是三维碳质材料，例如金刚石的成型烧结技术、碳纤维的三维编制技术、C/C复合材料制备技术等。
碳纳米管作为一种潜力巨大的超级材料，是未来超强材料和碳基半导体的核心，在航空航天、超级建筑、透明显示器、高性能芯片、新型贮氢材料、催化剂载体和电极材料等领域，有着广泛的应用前景，其中它在航空航天、电子和复合材料方面的应用是最具有潜力的。
2005年，国际半导体技术路线图委员会首次明确地指出，在2020年前后硅基的CMOS技术将达到性能极限，这意味着后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋紧迫了。
很多人认为微电子工业在走到7 nm技术节点之后可能面临不得不放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟通，随之出现了光子、量子、类脑计算等技术。
当然，用碳纳米管做材料替换掉传统的硅片，也是其中一个路径。在2011年12月中旬的IEE电子设备会议上，IBM的科学家向全世界展示了全球第一个小于10nm的晶体管，并在随后的2012年1月公布了具体尺寸—9 nm。与目前的硅晶体管不同的是，IBM采用的是碳纳米管材料，并成功在单个芯片上集成了上万个晶体管。虽与传统的硅材料在晶体管数量上暂时还有差距，但其较小的体积和较轻的质量优势明显。2016年11月，IBM公开了碳纳米管的生产技术。利用这项技术可以制造出有史以来性能最强大的微型晶片，为微芯片皮下注射和可折叠电脑提供了可能。美国威斯康星大学（University of Wisconsin-Madison）的科学家最近宣布，他们成功开发出碳纳米晶体管，其性能大大超越现有的硅晶体管，它所通过的电量比晶体管高了1.9倍。科学家表示，碳纳米管晶体管超越硅晶体管，这还是第一次（图6.25）。
碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一根管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。
图6.25 碳纳米管复合材料
碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。Cheng等将牵伸取向的碳纳米管膜与马来酰亚胺树脂体系复合，采用热压工艺制备得到碳纳米管膜复合材料，其碳纳米管质量分数高达60%，拉伸强度和模量分别为2GPa和169GPa。进一步通过环氧功能化处理和热压工艺制备的碳纳米管膜复合材料，强度和模量高达3 GPa和350 GPa。由于碳纳米管膜出色的电磁屏蔽性能，NASA已将Nanocomp公司生产的碳纳米管膜应用于朱诺飞船以保护其关键部件免受静电放电带来的损伤。Sang Hoon Kim（2017）MWCNT/In-Sn-Bi复合焊料在柔性PET基板上回流焊的电性能和热机械性能的改善，采用化学还原法合成了多壁碳纳米管（MWCNT）/铟锡铋（In-Sn-Bi）复合纳米结构。在In基焊料中加入0.6%的高导电性MWCNTs可导致较低的最小电阻率［（19.9±1.0）μΩ/cm］。尽管在110℃的较低温度下回流，复合焊料纳米结构能够在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上形成机械稳定的焊料凸点，这是由于具有3000 W/（m·K）高导热系数的MWCNT阵列和98.2℃的低熔点In-Sn-Bi纳米颗粒。值得注意的是，复合焊料凸点在塑料基板上表现出很高的柔韧性（在弯曲试验中，1000个操作循环的电阻增加了17.7%）和很强的黏附强度（划痕试验中平均剪切强度为0.9 N），这是因为在焊料基体材料中存在机械柔性和强MWCNT。这些整体特性是由于沿MWCNT阵列覆盖In-Sn-Bi纳米颗粒改善了复合焊料纳米结构的扩散率，以及复合焊料凸点的网络结构形成。
聚合物基纳米导电复合材料作为电子封装用传统锡铅焊料的代替材料，具有无铅环境友好、加工方便、固化温度低、连接线分辨率小等特点，是连接材料发展的前沿方向。导电通路在填料粒子之间的接触电阻决定了导电胶总体的电阻。石墨烯由于其本身更奇特和优异的导电性，导热性以及机械强度，被认为是更优异的用于增强聚合物复合材料的纳米填料。石墨烯与碳纳米管等碳材料一样，具备优异的传热性能，但其导电性能限制了它们在电子材料中的应用。六方氮化硼（hBN）作为石墨烯的等电子体，具有一定的能隙、原子级平整的表面，且表面没有悬挂键，适合与石墨烯通过非共价键进行杂化。有研究者在不破坏材料结构的情况下，设计装合成出系列石墨烯/六方氮化硼（Graphene/hBN）杂化结构。利用导热组分在聚合物中选择性分布，获得绝缘导热杂化结构。通过模拟，验证了该杂化材料在散热领域的应用可行性。该类聚合物基复合材料拥有优异的传热性能和电绝缘性能，该材料在先进电子封装领域以及热管理领域具有广阔的应用前景。虞庆煌2017年公开了一种电子封装材料用石墨烯-硼复合材料的制作方法，该石墨烯-硼复合材料，由纳米石墨烯粉、纳米氮化硼和聚氯乙烯经反复熔融和冷却制成，熔融和冷却4个循环。所述纳米石墨烯粉、纳米氮化硼和聚氯乙烯的质量份之比为9：14：28。本技术提供的石墨烯-硼复合材料具有优异的导热性能，可以用作制备电子封装材料。中航工业北京航空材料研究院基于铝基石墨烯材料的研究，利用石墨烯高强、高模量的特性，以及航材院生产石墨烯粉末品质高、比表面积大和易于分散的特点，成功研制出700 MPa级别以上的石墨烯铝基复合材料，以及弹性模量95 GPa以上石墨烯铝基复合型材。向铝合金中添加质量分数仅为0.3%的石墨烯纳米片时，其屈服强度和抗拉强度分别达到322 MPa和455 MPa，较未添加石墨烯纳米片的铝合金分别提高58%和25%，且铝合金的伸长率没有降低。
当施加不同类型的载荷时，各种失效机制之间可能发生相互作用。例如，由于结构中相邻材料之间的热膨胀不匹配，热负荷可触发机械故障。其他相互作用包括应力辅助腐蚀、应力腐蚀开裂、场致金属迁移、钝化和介电开裂、湿热引起的封装开裂以及温度引起的化学反应加速。在这种情况下，失效机制的综合效应不一定是单个失效机制的总和效果。
根据Haleh Ardebili 2019年对封装缺陷和失效的研究，失效机制分为两大类：应力过大和磨损。过应力失效通常是瞬时的和灾难性的。磨损失效是由于损伤随着时间的推移逐渐累积而发生的，通常首先导致性能下降，然后导致设备故障。失效机制的进一步分类是基于触发机制的载荷类型：机械、热、电、辐射或化学。R.Ramesham 2007年对先进倒装芯片互连电子封装组件在极冷环境下的可靠性评估，认为：先进倒装芯片互连电子封装组件在极冷条件下的可靠性评估倒装芯片互连电子封装板已组装，填充不足，无损评估，并随后进行极端温度热循环，以评估这种先进的封装互联技术未来长期在极端温度环境中使用的可靠性。在这项非常初步的研究中，采用的温度范围包括军事规格（55～100℃）、极端寒冷的火星（-120～115℃）和小行星Nereus（-180～25℃）环境。测量了菊花链倒装芯片互连线在室温和不同时间间隔下的电阻，作为极端温度热循环的函数。报告了电阻测量结果，到目前为止的试验还没有显示出电阻随极端温度热循环而发生的显著变化。然而，随着热循环次数的增加，互连电阻的变化变得更加明显。通过连续监测菊花链电阻，进一步研究了倒装芯片互连封装在极端温度（-190～85℃）下的可靠性。正在采用适当的诊断技术来确定故障机制，描述了在极端温度下倒装芯片测试的实验结果。
铜复合材料功率外壳，主要指以铜-钼-铜（CMC）、铜-钼铜-铜（CPC）、铜-钨铜-铜等作为热沉材料、以金锡或金硅为芯片钎焊焊料的外壳—是雷达和移动通信基站上发射机放大器的核心元器件，在军民两用领域都有大量的需求。无论是当前主流的硅LDMOS器件，还是下一代雷达或5G无线通信基站中逐步占据主流的GaN器件都大量采用该类型外壳。该外壳市场容量大，然而多年来一直被日本和欧美企业垄断，中兴和华为等国内龙头企业每年不得不花费数十亿美元进口。近年来，外壳的国产化替代取得了较大的进展，然而外壳与芯片钎焊过程中失效情况时有发生，必须对芯片焊接失效进行分析，找到引起失效的原因，并提出相关的改进措施。