Термическое расширение-Подходящие сплавы для корпуса чипов: ковар (4J29) и сплав 42 (4J42)
Sep 22, 2026
Оставить сообщение
В микроэлектронике, оптоэлектронике и корпусе интегральных схем (ИС) чипы (такие как кремний или GaAs) выделяют тепло во время работы. Конструкции упаковки обычно включают в себя различные материалы,-включая сам чип, керамику, стекло и металлы-, и различия в тепловом расширении этих материалов могут вызвать термическое напряжение как во время процесса упаковки, так и во время фактического использования. Если несоответствие между коэффициентом теплового расширения (КТР) упаковочного материала и чипа является чрезмерным, это может привести к серьезному растрескиванию под воздействием термического напряжения, разрушению паяного соединения или потере герметичности.
Мы предлагаем прецизионные сплавы высокой-чистоты,-в частности, ковар (4J29) и сплав 42 (4J42)-, оптимизированные для упаковки и тестирования микросхем и широко используемые в современной упаковке полупроводников:
Классический тройной сплав железа-никеля-кобальта (Fe-Ni-Co). Он имеет кривую расширения, которая исключительно хорошо сочетается с твердым стеклом (таким как Pyrex) и глиноземной керамикой (Al2O3) в диапазоне от 20 до 450 градусов, что делает его предпочтительным выбором для герметичной упаковки в высоконадежных-военных, аэрокосмических и оптических коммуникационных приложениях.
Бинарный сплав железа-никеля (Fe-Ni) с контролируемым-расширением. Его коэффициент теплового расширения близко соответствует коэффициенту теплового расширения монокристаллических кремниевых чипов при температуре ниже 300 градусов. Сочетая высокую теплопроводность с отличными свойствами штамповки и изгиба, он служит экономичным-материалом сердцевины для традиционных выводных рамок микросхем и пластиковой упаковки (PDIP, SOIC, QFP).
Почему для изготовления корпусов микросхем требуются сплавы с низким-расширением?
В процессе упаковки чипов металлические компоненты необходимо соединить со стеклом, керамикой или другими упаковочными материалами. Этот процесс обычно включает в себя колебания температуры,-такие как нагрев и охлаждение,-однако коэффициенты теплового расширения (КТР) этих разных материалов различаются.
Если разница в тепловом расширении между материалами чрезмерна, изменения температуры могут вызвать значительное межфазное напряжение; кроме того, длительное-термическое циклическое воздействие может поставить под угрозу надежность конструкции упаковки.
Основная функция Kovar и Alloy 42 заключается в использовании их низких коэффициентов теплового расширения для достижения лучшего соответствия расширения металлических упаковочных материалов и таких материалов, как стекло или керамика, в определенном температурном диапазоне.
Таким образом, в контексте создания электронных корпусов высокой-надежности использование сплавов с низким-расширением предназначено не просто для повышения прочности материала, а, скорее, для контроля термических напряжений и изменений размеров в структуре упаковки.
Сравнение ключевых параметров производительности
| Измерение сравнения | Коварный сплав(4J29) | Сплав 42 (4J42) |
| Система сплавов | Fe-Ni-Co (тройной) | Fe-Ni (двоичный) |
| Коэффициент теплового расширения | 4.6~5.2x10-6/К(20-400 градусов) | 4.0~4.7x10-6/К (ниже 300 градусов) |
| Температура Кюри | 435 градусов | 380 градусов |
| Теплопроводность | 17.3 W/m·K | 12.1 W/m·K |
| Совместимые материалы | Боросиликатное твердое стекло, глиноземная керамика | Мягкое стекло, силикон. |
| Уровень герметичности | До 1×10⁻⁹ Па·м³/с | Зависит от процесса герметизации |
| Уровень затрат | Высшее (содержит кобальт) | Нижний (без кобальта-) |
| Рекомендуемый тип упаковки | Керамические подложки, колпачки, ТО-банки и герметичные корпуса для оптоэлектронных модулей. | Выводные корпуса микросхем и упаковка на основе ленты- |
Химический состав и логика проектирования сплавов
Kovar Alloy: прецизионная смесь никеля и кобальта
Сплав Ковар обычно содержит 28,5–29,5% никеля, 16,8–17,8% кобальта и остальное железо. Этот состав не является произвольным: содержание никеля определяет температуру Кюри сплава и точку перегиба его кривой расширения, а кобальт регулирует коэффициент теплового расширения (КТР) в соответствии с твердыми боросиликатными стеклами. Кобальт также повышает температуру Кюри, позволяя сплаву сохранять свои низкие-характеристики расширения при более высоких температурах.
Контроль примесей не менее важен. Содержание углерода должно поддерживаться на уровне ниже 0,03%, чтобы предотвратить образование карбидов, которые могут ухудшить качество уплотнения; уровни таких элементов, как марганец и кремний, также строго регулируются. Этот точный контроль состава является основой, которая позволяет Ковару достигать свойств «индивидуального расширения».
Сплав 42: простая, но исключительная двоичная система
Сплав 42 состоит из 42% никеля и оставшейся части железа, без содержания кобальта. Содержание никеля 42% стабилизирует коэффициент теплового расширения на уровне 4,0–5,0 × 10⁻⁶/градус в диапазоне 20–300 градусов, обеспечивая хорошее соответствие мягкому стеклу и кремнию. Он имеет температуру Кюри примерно 330–360 градусов и предел прочности около 450–550 МПа в отожженном состоянии; его хорошая пластичность делает его пригодным для процессов холодной штамповки и травления.
Хотя сплав 42 имеет простой состав, точный контроль содержания никеля остается жизненно важным. Отклонение содержания никеля всего на 1 % может изменить коэффициент теплового расширения на 0,3–0,5 × 10⁻⁶/градус -, сдвиг достаточно значительный, чтобы повлиять на надежность уплотнения.
Анализ сценариев применения
Ковар: «Золотой стандарт» герметичной упаковки
Ковар в основном используется в-высоконадежной герметичной упаковке. Такие компоненты, как устройства оптической связи (лазерные и детекторные разъемы), корпуса МЭМС-датчиков, корпуса микроволновых устройств и выводы электродов для вакуумных электронных устройств, — все они основаны на согласованном уплотнении между коваром и твердым боросиликатным стеклом для обеспечения долгосрочной-герметичности.
В процессе герметизации поверхность Ковара подвергается предварительному-окислению с образованием плотного оксидного слоя, который химически смачивает и связывается с расплавленным стеклом; это гарантирует, что поверхность уплотнения не будет испытывать чрезмерных напряжений из-за дифференциального теплового расширения при резких колебаниях температуры. Благодаря отработанному процессу запечатывания и надежности, проверенной десятилетиями инженерного применения, Kovar является незаменимым материалом «золотого стандарта» в области герметичной упаковки.
Сплав 42: свинцовые рамы и уплотнители из мягкого стекла.
Сплав 42 находит применение в самых разных областях. В области выводных рамок его коэффициент теплового расширения близко соответствует коэффициенту теплового расширения кремния, что эффективно снижает остаточное напряжение после монтажа чипа,-что делает его особенно подходящим для корпусов больших-кристаллов. При герметизации мягкого-стекла сплав 42 совместим с мягкими стеклами, такими как натриево--известковое стекло, и подходит для экономичных-упаковочных применений, которые не требуют сопоставления с твердым стеклом. Кроме того, сплав 42 используется в изделиях, требующих точного контроля теплового расширения, например, в биметаллических полосах для термостатов.
Руководство по принятию решений по выбору материалов
Сценарии в пользу сплава Ковар:
- Приложения, требующие высокой-герметичности уплотнений из боросиликатного твердого стекла или глиноземной керамики.
- Устройства оптической связи, датчики MEMS, микроволновые компоненты и вакуумные электронные устройства.
- Приложения, требующие чрезвычайно высокой надежности уплотнения и зрелости процесса, где чувствительность к затратам относительно невелика.
Сценарии в пользу сплава 42:
- Применение в упаковке с уплотнениями из мягкого стекла
- Используйте в качестве подложки выводной рамки, особенно для чипов большого-формата или приложений, требующих низких-ограничений на расширение.
- Экономичная-упаковка, не требующая использования твердого стекла
- Области применения, требующие точного контроля теплового расширения, например, биметаллические ленты для термостатов.
Итоговая рекомендация: Kovar — проверенный и надежный выбор для применений, требующих высокой герметичности и совместимости с твердым стеклом; Сплав 42 обеспечивает превосходную экономическую-эффективность для выводных рам или мягких-герметизирующих устройств для стекла, где стоимость является первоочередным вопросом. Оба материала занимают незаменимые ниши в экосистеме упаковки полупроводников.
Лорк Групп
Отдел маркетинговых операций
Электронная почта:claire@lorkgroup.com
Ватсап:+86 19937075488
Отправить запрос