簡介
利用最先進的材料設計低成本的高度可靠的微波電子、微電子、光電子和功率半導體系統是不現實的。為了保證此類設備的可靠性,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計中達到最優功率密度的材料。要低成本生產此類材料需要滿足封裝設計功能要求的健壯成型工藝。
鋁碳化硅(AlSiC)金屬基體復合材料為電子封裝提供了高度可靠且成本經濟的熱管理解決方案。它可提供高熱傳導率(~200 W/mK)以及可調的低熱膨脹系數(CTE)。對于需要減輕重量以及需要耐受沖擊和振動的應用來說,鋁碳化硅的低密度、高強度和硬度使其具有比傳統高密度材料更多的優點。

表1 AISiC 材料特性

AlSiC可以實現低成本的凈成形(net-shape)或近凈成形制造。凈成形或近凈成形制造的AlSiC產品例子示于圖1。此外,AlSiC的成形工藝使其可實現與高散熱材料(如金剛石和高熱傳導石墨)的經濟集成,因此對于需要高散熱能力的應用非常理想。AlSiC的特點以及成本經濟的制造工藝使其對于大批量倒裝芯片應用以及光電設計也非常理想,因為AlSiC提供了所需要的熱穩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)的優選材料,可以提供良好的熱循環可靠性。

鋁碳化硅制造工藝
做為一種獨特的制造工藝,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制造工藝成本經濟,因為預成形和溶滲鑄模腔都可針對最終產品形狀而設計。因此,鑄出的復合材料產品不需要進一步加工(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產品

圖2AlSiC預制

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)、低溫燒結陶瓷(LTCC)材料以及印刷電路板相匹配,同時還具有高熱傳導率數值(參考表1了解對于特定系統和組件類型相對應的AlSiC材料級別)。同時,AlSiC的高強度和硬度在組裝過程中還為集成電路器件提供了保護。此類材料的低密度還可改善器件受到沖擊或振動時的可靠性。例如,在高度自動化的組裝機器中,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產品可以提高產量。
AlSiC可制作出復雜的外形,因此能夠以低成本制造復雜的倒裝片封裝。圖3是產品外形實例,圖中的產品具有多個空腔,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計。AlSiC鑄件表面還支持不同的標識方法,包括激光打標、油漆、油墨和絲網印刷,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雜,因此對于光學對準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,關鍵的光學對準部分不需要額外的加工。因此與傳統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化冷卻器的性能。AlSiC可調匹配的CTE數值可在工作中保證敏感光學器件的對準,同時還可消除焊接或銅焊組裝過程中可能引入的殘余應力。
同時,還可集成48號合金、鐵鎳鈷合金(Kovar)和不銹鋼等材料,方便光學器件的激光連接。這種集成可在AlSiC成形過程中經濟地完成,其中插件可在溶滲前插入在SiC預成形件中。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功率半導體襯底和IGBT基板
自從1994年,AlSiC就已經用于功率放大器襯底應用。此類系統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(CTE)可針對特定的應用調整,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。事實表明,AlSiC基板對于銅基板系統有很好的可靠性,耐受成千上萬次熱循環也不會失效。盡管AlSiC和銅具有相近的散熱性能,但銅的可靠性達不到1000次熱循環。圖4是AlSiC功率器件襯底以及AlSiC IGBT基板的實例,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,從而能夠更為經濟地使用這些昂貴的材料。大體上,這些應用局限于高性能和軍事系統。事實上,嵌有快速散熱材料的AlSiC倒裝片系統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。
結語
AlSiC材料的特性使其為電子熱管理和封裝應用提供了一種可靠且經濟的解決方案。其大熱導率以及CTE匹配能力消除了熱界面并防止現場失效,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體系統提供了所需要的可靠性。在光電封裝應用中,AlSiC可以制作出對于光學對準非常關鍵的復雜幾何圖形。此外,其散熱特性為功率襯底應用提供了比其它材料系統更高的可靠性。
AlSiC成形工藝可方便地增加額外的功能附件,從而可滿足定制設計要求。AlSiC對于任何尺寸的應用在成本上都是經濟的,其凈成形制造能力允許制造出滿足不同系統工程師要求的低成本AlSiC散熱器件。■