铝碳化硅为电子封装提供热管理解决方案
2004年10月B版
简介
利用最先进的材料设计低成本的高度可靠的微波电子、微电子、光电子和功率半导体系统是不现实的。为了保证此类设备的可靠性,需要电子封装和衬底热管理解决方案,因此工程师需要既能够提供热管理特性,同时又能够在更小型的设计中达到最优功率密度的材料。要低成本生产此类材料需要满足封装设计功能要求的健壮成型工艺。
铝碳化硅(AlSiC)金属基体复合材料为电子封装提供了高度可靠且成本经济的热管理解决方案。它可提供高热传导率(~200 W/mK)以及可调的低热膨胀系数(CTE)。对于需要减轻重量以及需要耐受冲击和振动的应用来说,铝碳化硅的低密度、高强度和硬度使其具有比传统高密度材料更多的优点。
表1 AISiC材料特性
AlSiC可以实现低成本的净成形(net-shape)或近净成形制造。净成形或近净成形制造的AlSiC产品例子示于图1。此外,AlSiC的成形工艺使其可实现与高散热材料(如金刚石和高热传导石墨)的经济集成,因此对于需要高散热能力的应用非常理想。AlSiC的特点以及成本经济的制造工艺使其对于大批量倒装芯片应用以及光电设计也非常理想,因为AlSiC提供了所需要的热稳定性及温度均匀性要求。此外,它也是大功率晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的优选材料,可以提供良好的热循环可靠性。
铝碳化硅制造工艺
做为一种独特的制造工艺,AlSiC首先制造多孔的低CTE值碳化硅(SiC)颗粒,然后在铸模中溶渗入高CTE值的铝金属。通过这一过程制造出的金属复合材料具有与电子器件和组件相匹配的中间值的CTE值。AlSiC制造工艺成本经济,因为预成形和溶渗铸模腔都可针对最终产品形状而设计。因此,铸出的复合材料产品不需要进一步加工(净成形制造),或只需要很少的加工(近净成形制造)。AlSiC热传导值范围为 180 W/m/K至 200 W/m/K,依赖于SiC/Al的比例。
图1 净成形及近净成形制造的AISiC产品
图2AlSiC预制
AlSiC倒装焊盖板(flip chip lid)
AlSiC材料主要用于倒装焊盖板。AlSiC是这一应用的理想材料,因为其CTE能够与介电衬底、陶瓷焊球阵列(BGA)、低温烧结陶瓷(LTCC)材料以及印刷电路板相匹配,同时还具有高热传导率数值(参考表1了解对于特定系统和组件类型相对应的AlSiC材料级别)。同时,AlSiC的高强度和硬度在组装过程中还为集成电路器件提供了保护。此类材料的低密度还可改善器件受到冲击或振动时的可靠性。例如,在高度自动化的组装机器中,不同步骤操作间的高速加速和减速动作会带来惯性冲击和振动,利用AlSiC产品可以提高产量。
AlSiC可制作出复杂的外形,因此能够以低成本制造复杂的倒装片封装。图3是产品外形实例,图中的产品具有多个空腔,可容纳电子器件、用于提供IC器件连接的支柱、用于填充材料的孔以及不同的凸缘设计。AlSiC铸件表面还支持不同的标识方法,包括激光打标、油漆、油墨和丝网印刷,以及电镀、阳极氧化以及其它适用于铝的表面金属处理方法。
