鋁碳化硅為電子封裝提供熱管理解決方案
2004年10月B版
簡介
利用最先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)低成本的高度可靠的微波電子、微電子、光電子和功率半導(dǎo)體系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。為了保證此類設(shè)備的可靠性,需要電子封裝和襯底熱管理解決方案,因此工程師需要既能夠提供熱管理特性,同時(shí)又能夠在更小型的設(shè)計(jì)中達(dá)到最優(yōu)功率密度的材料。要低成本生產(chǎn)此類材料需要滿足封裝設(shè)計(jì)功能要求的健壯成型工藝。
鋁碳化硅(AlSiC)金屬基體復(fù)合材料為電子封裝提供了高度可靠且成本經(jīng)濟(jì)的熱管理解決方案。它可提供高熱傳導(dǎo)率(~200 W/mK)以及可調(diào)的低熱膨脹系數(shù)(CTE)。對(duì)于需要減輕重量以及需要耐受沖擊和振動(dòng)的應(yīng)用來說,鋁碳化硅的低密度、高強(qiáng)度和硬度使其具有比傳統(tǒng)高密度材料更多的優(yōu)點(diǎn)。
表1 AISiC材料特性
AlSiC可以實(shí)現(xiàn)低成本的凈成形(net-shape)或近凈成形制造。凈成形或近凈成形制造的AlSiC產(chǎn)品例子示于圖1。此外,AlSiC的成形工藝使其可實(shí)現(xiàn)與高散熱材料(如金剛石和高熱傳導(dǎo)石墨)的經(jīng)濟(jì)集成,因此對(duì)于需要高散熱能力的應(yīng)用非常理想。AlSiC的特點(diǎn)以及成本經(jīng)濟(jì)的制造工藝使其對(duì)于大批量倒裝芯片應(yīng)用以及光電設(shè)計(jì)也非常理想,因?yàn)锳lSiC提供了所需要的熱穩(wěn)定性及溫度均勻性要求。此外,它也是大功率晶體管和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的優(yōu)選材料,可以提供良好的熱循環(huán)可靠性。
鋁碳化硅制造工藝
做為一種獨(dú)特的制造工藝,AlSiC首先制造多孔的低CTE值碳化硅(SiC)顆粒,然后在鑄模中溶滲入高CTE值的鋁金屬。通過這一過程制造出的金屬復(fù)合材料具有與電子器件和組件相匹配的中間值的CTE值。AlSiC制造工藝成本經(jīng)濟(jì),因?yàn)轭A(yù)成形和溶滲鑄模腔都可針對(duì)最終產(chǎn)品形狀而設(shè)計(jì)。因此,鑄出的復(fù)合材料產(chǎn)品不需要進(jìn)一步加工(凈成形制造),或只需要很少的加工(近凈成形制造)。AlSiC熱傳導(dǎo)值范圍為 180 W/m/K至 200 W/m/K,依賴于SiC/Al的比例。
圖1 凈成形及近凈成形制造的AISiC產(chǎn)品
圖2AlSiC預(yù)制
AlSiC倒裝焊蓋板(flip chip lid)
AlSiC材料主要用于倒裝焊蓋板。AlSiC是這一應(yīng)用的理想材料,因?yàn)槠銫TE能夠與介電襯底、陶瓷焊球陣列(BGA)、低溫?zé)Y(jié)陶瓷(LTCC)材料以及印刷電路板相匹配,同時(shí)還具有高熱傳導(dǎo)率數(shù)值(參考表1了解對(duì)于特定系統(tǒng)和組件類型相對(duì)應(yīng)的AlSiC材料級(jí)別)。同時(shí),AlSiC的高強(qiáng)度和硬度在組裝過程中還為集成電路器件提供了保護(hù)。此類材料的低密度還可改善器件受到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)的可靠性。例如,在高度自動(dòng)化的組裝機(jī)器中,不同步驟操作間的高速加速和減速動(dòng)作會(huì)帶來慣性沖擊和振動(dòng),利用AlSiC產(chǎn)品可以提高產(chǎn)量。
AlSiC可制作出復(fù)雜的外形,因此能夠以低成本制造復(fù)雜的倒裝片封裝。圖3是產(chǎn)品外形實(shí)例,圖中的產(chǎn)品具有多個(gè)空腔,可容納電子器件、用于提供IC器件連接的支柱、用于填充材料的孔以及不同的凸緣設(shè)計(jì)。AlSiC鑄件表面還支持不同的標(biāo)識(shí)方法,包括激光打標(biāo)、油漆、油墨和絲網(wǎng)印刷,以及電鍍、陽極氧化以及其它適用于鋁的表面金屬處理方法。
