鋁碳化硅為電子封裝提供熱管理解決方案

簡介
利用最先進(jìn)的材料設(shè)計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，同時又能夠在更小型的設(shè)計中達(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)。對于需要減輕重量以及需要耐受沖擊和振動的應(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)的制造工藝使其對于大批量倒裝芯片應(yīng)用以及光電設(shè)計也非常理想，因為AlSiC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)，因為預(yù)成形和溶滲鑄模腔都可針對最終產(chǎn)品形狀而設(shè)計。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，因為其CTE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，同時還具有高熱傳導(dǎo)率數(shù)值(參考表1了解對于特定系統(tǒng)和組件類型相對應(yīng)的AlSiC材料級別)。同時，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)_擊或振動時的可靠性。例如，在高度自動化的組裝機(jī)器中，不同步驟操作間的高速加速和減速動作會帶來慣性沖擊和振動，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。AlSiC鑄件表面還支持不同的標(biāo)識方法，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。

AlSiC光電封裝
光電封裝的幾何外形比倒裝焊蓋板要復(fù)雜，因此對于光學(xué)對準(zhǔn)的圖形需要更為精確的尺寸控制。圖4就是AlSiC光電封裝的例子。圖中的所有封裝都是模鑄的，關(guān)鍵的光學(xué)對準(zhǔn)部分不需要額外的加工。因此與傳統(tǒng)的封裝件相比成本更低。
光電器件中的熱管理同樣非常重要。器件通常工作在室溫附近，這就需要具有良好散熱性能的材料來保持溫度均勻性并優(yōu)化冷卻器的性能。AlSiC可調(diào)匹配的CTE數(shù)值可在工作中保證敏感光學(xué)器件的對準(zhǔn)，同時還可消除焊接或銅焊組裝過程中可能引入的殘余應(yīng)力。
同時，還可集成48號合金、鐵鎳鈷合金(Kovar)和不銹鋼等材料，方便光學(xué)器件的激光連接。這種集成可在AlSiC成形過程中經(jīng)濟(jì)地完成，其中插件可在溶滲前插入在SiC預(yù)成形件中。CPS公司的AlSiC制造工藝允許在溶滲過程中同時集成(Concurrent Integration)這些材料。

圖3AlSiC倒裝片封裝

圖4 AlSiC光電封裝

圖5 嵌有TPG材料的AlSiC微處理器罩和TPG板

AlSiC功率半導(dǎo)體襯底和IGBT基板
自從1994年，AlSiC就已經(jīng)用于功率放大器襯底應(yīng)用。此類系統(tǒng)中一般將陶瓷襯底銅焊或焊接到AlSiC襯底上，用于電氣連接和集成。AlSiC的熱膨脹系數(shù)(CTE)可針對特定的應(yīng)用調(diào)整，具體來說就是通常修改金屬鋁和碳化硅顆粒的比例來匹配裸片或襯底的CTE數(shù)值。這樣就不必再采用會增加熱阻的熱中介層(thermal interface stacking)，同時也保證了在大功率應(yīng)用中的IGBT基板與連接的陶瓷襯底相兼容。AlSiC成形工藝還允許制造出前面所討論的凈成形幾何圖形。
在大功率和高可靠系統(tǒng)中，AlSiC還被用于IGBT基板。大功率IGBT通常安裝在氮化鋁襯底上。基板材料必須與氮化鋁的CTE值匹配，從而防止空洞或剝離失效。事實(shí)表明，AlSiC基板對于銅基板系統(tǒng)有很好的可靠性，耐受成千上萬次熱循環(huán)也不會失效。盡管AlSiC和銅具有相近的散熱性能，但銅的可靠性達(dá)不到1000次熱循環(huán)。圖4是AlSiC功率器件襯底以及AlSiC IGBT基板的實(shí)例，尺寸從 45 mm × 85 mm 至140 mm × 190 mm。

AlSiC快速散熱解決方案
AlSiC成形工藝可在金屬鋁溶滲過程中加入散熱快的材料。例如，熱解石墨(TPG)2和CVD金剛石襯底等材料可直接集成到AlSiC中。這些材料成本更高，而且難于在組裝過程中集成，因為它們易碎或者需要特殊處理的表面才能附著。AlSiC材料增強(qiáng)了這些材料的功能，提供了直接集成的有用方法。在AlSiC集成過程中，可以在最需要的地方放置這些材料，從而能夠更為經(jīng)濟(jì)地使用這些昂貴的材料。大體上，這些應(yīng)用局限于高性能和軍事系統(tǒng)。事實(shí)上，嵌有快速散熱材料的AlSiC倒裝片系統(tǒng)正在接受測試和評估。圖5是嵌有TPG材料的AlSiC微處理器罩以及前面的TPG板。
結(jié)語
AlSiC材料的特性使其為電子熱管理和封裝應(yīng)用提供了一種可靠且經(jīng)濟(jì)的解決方案。其大熱導(dǎo)率以及CTE匹配能力消除了熱界面并防止現(xiàn)場失效，從而為不同的微波電子器件、微電子器件、光電器件和功率半導(dǎo)體系統(tǒng)提供了所需要的可靠性。在光電封裝應(yīng)用中，AlSiC可以制作出對于光學(xué)對準(zhǔn)非常關(guān)鍵的復(fù)雜幾何圖形。此外，其散熱特性為功率襯底應(yīng)用提供了比其它材料系統(tǒng)更高的可靠性。
AlSiC成形工藝可方便地增加額外的功能附件，從而可滿足定制設(shè)計要求。AlSiC對于任何尺寸的應(yīng)用在成本上都是經(jīng)濟(jì)的，其凈成形制造能力允許制造出滿足不同系統(tǒng)工程師要求的低成本AlSiC散熱器件。