电子封装供热管理解决方案:铝碳化硅是关键

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。

AlSiC光电封装
光电封装的几何外形比倒装焊盖板要复杂,因此对于光学对准的图形需要更为精确的尺寸控制。图4就是AlSiC光电封装的例子。图中的所有封装都是模铸的,关键的光学对准部分不需要额外的加工。因此与传统的封装件相比成本更低。
光电器件中的热管理同样非常重要。器件通常工作在室温附近,这就需要具有良好散热性能的材料来保持温度均匀性并优化冷却器的性能。AlSiC可调匹配的CTE数值可在工作中保证敏感光学器件的对准,同时还可消除焊接或铜焊组装过程中可能引入的残余应力。
同时,还可集成48号合金、铁镍钴合金(Kovar)和不锈钢等材料,方便光学器件的激光连接。这种集成可在AlSiC成形过程中经济地完成,其中插件可在溶渗前插入在SiC预成形件中。CPS公司的AlSiC制造工艺允许在溶渗过程中同时集成(Concurrent Integration)这些材料。

图3AlSiC倒装片封装

图4 AlSiC光电封装

图5 嵌有TPG材料的AlSiC微处理器罩和TPG板

AlSiC功率半导体衬底和IGBT基板
自从1994年,AlSiC就已经用于功率放大器衬底应用。此类系统中一般将陶瓷衬底铜焊或焊接到AlSiC衬底上,用于电气连接和集成。AlSiC的热膨胀系数(CTE)可针对特定的应用调整,具体来说就是通常修改金属铝和碳化硅颗粒的比例来匹配裸片或衬底的CTE数值。这样就不必再采用会增加热阻的热中介层(thermal interface stacking),同时也保证了在大功率应用中的IGBT基板与连接的陶瓷衬底相兼容。AlSiC成形工艺还允许制造出前面所讨论的净成形几何图形。
在大功率和高可靠系统中,AlSiC还被用于IGBT基板。大功率IGBT通常安装在氮化铝衬底上。基板材料必须与氮化铝的CTE值匹配,从而防止空洞或剥离失效。事实表明,AlSiC基板对于铜基板系统有很好的可靠性,耐受成千上万次热循环也不会失效。尽管AlSiC和铜具有相近的散热性能,但铜的可靠性达不到1000次热循环。图4是AlSiC功率器件衬底以及AlSiC IGBT基板的实例,尺寸从 45 mm × 85 mm 至140 mm × 190 mm。

AlSiC快速散热解决方案
AlSiC成形工艺可在金属铝溶渗过程中加入散热快的材料。例如,热解石墨(TPG)2和CVD金刚石衬底等材料可直接集成到AlSiC中。这些材料成本更高,而且难于在组装过程中集成,因为它们易碎或者需要特殊处理的表面才能附着。AlSiC材料增强了这些材料的功能,提供了直接集成的有用方法。在AlSiC集成过程中,可以在最需要的地方放置这些材料,从而能够更为经济地使用这些昂贵的材料。大体上,这些应用局限于高性能和军事系统。事实上,嵌有快速散热材料的AlSiC倒装片系统正在接受测试和评估。图5是嵌有TPG材料的AlSiC微处理器罩以及前面的TPG板。
结语
AlSiC材料的特性使其为电子热管理和封装应用提供了一种可靠且经济的解决方案。其大热导率以及CTE匹配能力消除了热界面并防止现场失效,从而为不同的微波电子器件、微电子器件、光电器件和功率半导体系统提供了所需要的可靠性。在光电封装应用中,AlSiC可以制作出对于光学对准非常关键的复杂几何图形。此外,其散热特性为功率衬底应用提供了比其它材料系统更高的可靠性。
AlSiC成形工艺可方便地增加额外的功能附件,从而可满足定制设计要求。AlSiC对于任何尺寸的应用在成本上都是经济的,其净成形制造能力允许制造出满足不同系统工程师要求的低成本AlSiC散热器件。■