鋁基碳化硅在電子封裝上的應(yīng)用

鋁碳化硅AlSiC (有的文獻(xiàn)英文縮略語(yǔ)寫(xiě)為SiCp/ Al或Al/SiC、SiC/Al)是一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，采用Al合金作基體，按設(shè)計(jì)要求，以一定形式、比例和分布狀態(tài)，用SiC顆粒作增強(qiáng)體，構(gòu)成有明顯界面的多組相復(fù)合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優(yōu)越性能。AlSiC研發(fā)較早，理論描述較為完善， 有品種率先實(shí)現(xiàn)電子封裝材料的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足半導(dǎo)體芯片集成度沿摩爾定律提高導(dǎo)致芯片發(fā)熱量急劇升高、使用壽命下降以及電子封裝的“輕薄微小”的發(fā)展需求。尤其在航空航天、微波集成電路、功率模塊、軍用射頻系統(tǒng)芯片等封裝方面作用極為凸現(xiàn)，成 為封裝材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要趨勢(shì)。

1、封裝AlSiC特性
封裝金屬材料用作支撐和保護(hù)半導(dǎo)體芯片的金屬 底座與外殼，混合集成電路HIC的基片、底板、外 殼，構(gòu)成導(dǎo)熱性能最好，總耗散功率提高到數(shù)十瓦, 全氣密封性，堅(jiān)固牢靠的封裝結(jié)構(gòu)，為芯片、HIC提 供一個(gè)高可靠穩(wěn)定的工作環(huán)境，具體材料性能是個(gè)首 選關(guān)鍵問(wèn)題。常用于封裝的電子金屬材料的主要特性 如表1所示。
在長(zhǎng)期使用中，許多封裝尺寸、外形都已標(biāo)準(zhǔn) 化、系列化，存在的主要缺陷是無(wú)法適應(yīng)高性能芯片 封裝要求。例如，Kovar ( 一種Fe-Co-Vi合金)和Invar (一種Fe-Ni合金）的CTE低，與芯片材料相近， 但其K值差、密度高、剛度低，無(wú)法全面滿(mǎn)足電子 封裝小型化、高密度、熱量易散發(fā)的應(yīng)用需求。合金 是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素 所組成的金屬材料，具有其綜合的優(yōu)勢(shì)性能。隨之發(fā) 展的 M080 Cu20、Cu/ Invar/Cu、Cu/ Mo/Cu 等合金 在熱傳導(dǎo)方面優(yōu)于Kovar，但其比重大于Kovar，仍不適合用作航空航天所需輕質(zhì)的器件封裝材料。
常用金屬封裝材料與CaAs芯片的微波器件封裝 需求存在性能上的差距，使得研發(fā)一種新型輕質(zhì)金屬 封裝材料,滿(mǎn)足航空航天用器件封裝成為急需，引發(fā) 相關(guān)部門(mén)調(diào)試重視。經(jīng)過(guò)近些年來(lái)的深入研究，AlSiC 取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，相繼推動(dòng)高硅鋁合金Si/Al實(shí)用化 進(jìn)程，表2示出其主要性能與常用封裝材料的對(duì)比。將SiC與Al合金按一定比例和工藝結(jié)合成AlSiC后，可克服目前金屬封裝材料的不足，獲得高K值、低 CTE、高強(qiáng)度、低密度導(dǎo)電性好的封裝材料。
從產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)看，AlSiC可實(shí)現(xiàn)低成本的、無(wú)需進(jìn)一步加工的凈成形(net-shape )或需少量加工的近凈成形制造，還能與高散熱材料（金剛石、高熱傳導(dǎo)石墨等）的經(jīng)濟(jì)性并存集成，滿(mǎn)足大批量倒裝芯片封 裝、微波電路模塊、光電封裝所需材料的熱穩(wěn)定性及散溫度均勻性要求，同時(shí)也是大功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管的優(yōu)選封裝材料，提供良好的熱循環(huán)及可靠性。
2、封裝AlSiC類(lèi)型
封裝金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體有數(shù)種，SiC是其中應(yīng)用最為廣泛的一種，這是因?yàn)樗哂袃?yōu)良的熱性能，用作顆粒磨料技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)較低；另一方 面，顆粒增強(qiáng)體材料具有各向同性，最有利于實(shí)現(xiàn)凈 成形。AlSiC特性主要取決于SiC的體積分?jǐn)?shù)(含量) 及分布和粒度大小，以及Al合金成分。依據(jù)兩相比例或復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)，可對(duì)材料熱物理與力學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿(mǎn)足芯片封裝多方面的性能要求。其中，SiC體積分?jǐn)?shù)尤為重要，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，AlSiC與 芯片或陶瓷基體直接接觸，要求CTE盡可能匹配，為 此SiC體積百分?jǐn)?shù)vol通常為50%?75%,表3示出某廠家產(chǎn)業(yè)化凈成形AlSiC級(jí)別的詳細(xì)情況。
此外，AlSiC可將多種電子封裝材料并存集成， 用作封裝整體化，發(fā)展其他功能及用途。研制成功將高性能、散熱快的Cu基封裝材料塊（Cu-金剛石、Cu-石墨、Cu-BeO等）嵌人SiC預(yù)制件中，通過(guò)金屬Al 熔滲制作并存集成的封裝基片。在AlSiC并存集成過(guò)程中，可在最需要的部位設(shè)置這些昂貴的快速散熱材料，降低成本，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，嵌有快速散熱材料的AlSiC倒裝片系統(tǒng)正在接受測(cè)試和評(píng)估。另外，還可并存集成48號(hào)合金、Kovar和不銹鋼等材料，此類(lèi)材料或插件、引線(xiàn)、密封環(huán)、基片等，在熔滲之前插入SiC預(yù)成形件內(nèi)，在AlSiC復(fù)合成形過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)地完成并存集成，方便光電器件封裝的激光連接。
采用噴射沉積技術(shù)，制備了內(nèi)部組織均勻、性能優(yōu)良、Si含量髙達(dá)70wt% (重量百分率）的高硅鋁合金SiAl封裝材料，高硅鋁合金CE牌號(hào)的性能如表4所示，由于其CTE與Si、GaAs較匹配，也可用于射頻、微波電路的封裝及航空航天電子系統(tǒng)中，發(fā) 展為一種輕質(zhì)金屬封裝材料。

3、封裝AlSiC制備
SiC顆粒與Al有良好的界面接合強(qiáng)度，復(fù)合后 的CTE隨SiC含量的變化可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 由此決定了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，相繼開(kāi)發(fā)出多種制備方 法。用于封裝AlSiC的預(yù)制件的SiC顆粒大小多在1 um-80um范圍選擇，要求具有低密度、低CTE、 高彈性模量等特點(diǎn)，其熱導(dǎo)率因純度和制作制作方法 的差異在80W ( m . K ) -200W ( m . K )之間 變化?；w是強(qiáng)度的主要承載體，一般選用6061、 6063、2124、A356等高強(qiáng)度Al合金，與SiC按 一定比例和不同工藝結(jié)合成AlSiC，解決SiC與Al 潤(rùn)濕性差，高SiC含量難于機(jī)加工成形等問(wèn)題，成為 理想的封裝材料。
制備50vol% ~ 75vol% SiC高含量的封裝用AlSiC 多采用熔滲法，其實(shí)質(zhì)是粉末冶金法的延伸。它通 過(guò)先制備一定密度、強(qiáng)度的多孔基體預(yù)制件，再滲以 熔點(diǎn)比其低的金屬填充預(yù)制件，其理論基礎(chǔ)是在金屬 液潤(rùn)濕多孔基體時(shí)，在毛細(xì)管力作用下，金屬液會(huì)沿 顆粒間隙流動(dòng)填充多孔預(yù)制作孔隙，脫模無(wú)需機(jī)械加 工，在其表面上覆蓋有一層0.13mm?0.25nm厚的完 美Al合金層，按用途電鍍上Ni、Au、Cd、Ag, 供封裝用。
熔滲法是AlSiC制備的關(guān)鍵，一般分為有壓力滲 透和無(wú)壓力滲透，前者根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中壓力施加的大 小、方式的不同，又分為擠壓熔滲、氣壓壓力熔滲、離 心熔滲鑄造法等,主要特點(diǎn)是需要真空和高壓設(shè)備，滲 透時(shí)間較短，有效控制Al與SiC的界面反應(yīng)，同時(shí)與 精度的模具相配套，獲得實(shí)用性發(fā)展。后者是將Al合 金錠放置在SiC預(yù)制件上，在合金熔點(diǎn)以上保溫，Al 合金液依托毛細(xì)管力的作用自發(fā)滲入預(yù)制件中，所需 設(shè)備簡(jiǎn)單，易于低成本制備，但產(chǎn)品的機(jī)械性能與熱 性能略低，對(duì)基體合金的成分有較為嚴(yán)格的要求，浸 透需要在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。粉末冶金法對(duì)SiC體積分?jǐn)?shù)可在15% ~ 75%之間調(diào)節(jié)，SiC承載量大，但較難 實(shí)現(xiàn)材料的一次成形。
AlSiC封裝材料產(chǎn)業(yè)化引起國(guó)內(nèi)科研院所、大學(xué)等單位的廣泛重視，積極著手研發(fā)其凈成形工藝，部 分單位研制成功樣品，為AlSiC工業(yè)化生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn), 離規(guī)?；a(chǎn)尚有一定距離，存在成本高、SiC體積含 量不高、低粘度、55% ~ 75%高體積分架料的制備與 漿粒原位固化技術(shù)等問(wèn)題。
4、封裝AlSiC的應(yīng)用
IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與其設(shè)計(jì)、測(cè)試、流片、封裝等 各環(huán)節(jié)密切相聯(lián)，最終在市場(chǎng)應(yīng)用中體現(xiàn)價(jià)值認(rèn)同，良 性循環(huán)形成量產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。封裝技術(shù)至關(guān) 重要，尤其是軍用產(chǎn)品一致采用金屬封裝、陶瓷封裝 結(jié)構(gòu)，確保器件、模塊、組件、系統(tǒng)的整體可靠性。金 屬封裝氣密性高，散熱性好，形狀可多樣化，有圓形、 菱形、扁平形、淺腔與深腔形等，其材料難以滿(mǎn)足當(dāng) 今航空航天、艦船、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、精確打擊、天基和 ?；到y(tǒng)對(duì)大功率、微波器件封裝的需求。按目前 VLSI電路功耗的同一方法計(jì)算，未來(lái)的SoC芯片將達(dá)到太陽(yáng)表面溫度，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和封裝方法已不能滿(mǎn) 足功率SoC系統(tǒng)的需求。AlSiC恰好首先在這一領(lǐng)域 發(fā)揮作用，現(xiàn)以軍用為主，進(jìn)而推向其他市場(chǎng)。
4.1 T/R模塊封裝
機(jī)載雷達(dá)天線(xiàn)安裝在飛機(jī)萬(wàn)向支架上，采用機(jī)電 方式掃描，其發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)是從美國(guó)F-22開(kāi)始應(yīng) 用有源電子掃描相控陣天線(xiàn)AESA體制，其探測(cè)距離 如表5所示，研發(fā)出多種AESA系統(tǒng)。例如，APG-80捷變波束雷達(dá)、多功能機(jī)頭相控陣一體化航電系 統(tǒng)、多功能綜合射頻系統(tǒng)、綜合式射頻傳感器系統(tǒng)、JSF 傳感器系統(tǒng)等，所用T/R (發(fā)/收）模塊封裝技術(shù)日趨成熟，每個(gè)T/R模塊成本由研發(fā)初期的10萬(wàn)美元降 至600-800美元，數(shù)年內(nèi)可降至約200美元，成為機(jī) 載雷達(dá)的核心部分。幾乎所有的美國(guó)參戰(zhàn)飛機(jī)都有安 裝新的或更新AESA計(jì)劃，使其作戰(zhàn)效能進(jìn)一步發(fā) 揮，在多目標(biāo)威脅環(huán)境中先敵發(fā)現(xiàn)、發(fā)射、殺傷，F(xiàn)-22 機(jī)載AESA雷達(dá)可同時(shí)探測(cè)跟蹤目標(biāo)數(shù)分別為空中30 個(gè)、地面16個(gè)、探測(cè)范圍為360°全周向。

AESA由數(shù)以千計(jì)的T/R模塊（有的高達(dá)9 000 個(gè)左右）構(gòu)成，在每個(gè)T/R模塊內(nèi)部都有用GaAs 技術(shù)制作的功率發(fā)射放大器、低噪聲接收放大器、T/ R開(kāi)關(guān)、多功能增益/相位控制等電路芯片，最終 生產(chǎn)關(guān)鍵在其封裝技術(shù)上，因機(jī)載對(duì)其體積與重量的 限制極為苛刻。AlSiC集低熱脹、高導(dǎo)熱、輕質(zhì)于 一體，采用AlSiC外殼封裝T/R模塊，包括S、C、 X、Ku波段產(chǎn)品，可滿(mǎn)足實(shí)用需求。雷達(dá)APG-77 是一部典型多功能、多工作方式雷達(dá)，其AESA直 徑約1m,用2 000個(gè)T/R模塊構(gòu)成，每個(gè)T/R模塊 輸出功率10W，移相器6位，接收噪聲系數(shù)2.9dB， 體積6.4cm3，重14.88g,平均故障間隔MTBF20萬(wàn) h，其發(fā)射功率比初期產(chǎn)品增加16倍，接收噪聲系 數(shù)降低1倍，體積重量減少83%,成本下降82%。 以1 000個(gè)T/R模塊構(gòu)成機(jī)載AESA雷達(dá)為例，用 AlSiC替代Kovar，雷達(dá)重量可減輕34kg，而熱導(dǎo) 率比Kovar提高10余倍，且提高整機(jī)可靠性MTBF 達(dá)2 OOOh以上。試驗(yàn)表明，即使AESA中10%的T/R模塊產(chǎn)生故障，對(duì)系統(tǒng)無(wú)顯著影響，30%失效 時(shí)，仍可維持基本工作性能，具有所謂的“完美降級(jí)” 能力。
本世紀(jì)初，美國(guó)AlSiC年產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)件，T/ R模塊由“磚”式封裝向很薄、邊長(zhǎng)5cm或更小方 塊形的“瓦”式封裝發(fā)展，進(jìn)一步降低T/R模塊的尺 寸、厚度、重量以及所產(chǎn)生的熱量。歐洲防務(wù)公司、法、 英、德聯(lián)合開(kāi)發(fā)機(jī)載AESA及T/R模塊技術(shù)，研制具 有1200個(gè)T/R模塊全尺寸樣機(jī)的試驗(yàn)工作，俄羅斯 積極著手研制第4代戰(zhàn)斗機(jī)用AESA雷達(dá)，以色列、 瑞典研制出輕型機(jī)載AESA預(yù)警雷達(dá)，機(jī)載AESA及 T/R模塊市場(chǎng)持續(xù)升溫。
在國(guó)內(nèi)，隨著AESA產(chǎn)品的定型，T/R模塊出現(xiàn) 批量生產(chǎn)需求，其基板、殼體的生產(chǎn)極為關(guān)鍵，采 用近凈成形技術(shù)，研制出小批量T/R模塊封裝外殼樣 品。用無(wú)壓溶滲AlSiC制作基座替代W-Cu基座，封 裝微波功率器件，按GJB33A-97和GJB128A-97軍標(biāo) 嚴(yán)格考核，器件的微波性能、熱性能無(wú)變化，可完全滿(mǎn)足應(yīng)用要求，前者的重量只及W-Cu基座的 20%,且成本僅為后者的1/3左右，有望在封裝領(lǐng)域大量替代W-Cu、Mo-Cu等材料。國(guó)產(chǎn)L波段功率器件月批量生產(chǎn)累計(jì)上千只，實(shí)現(xiàn)某型號(hào)雷達(dá)全面國(guó)產(chǎn)化、固態(tài)化，今后幾年會(huì)持續(xù)批量生產(chǎn)，S、C波段功率模塊怎樣低成本生產(chǎn)，將涉及AlSiC封裝材料的研發(fā)應(yīng)用。
4.2倒裝芯片封裝
倒裝芯片封裝FCP技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于能大幅度提高產(chǎn) 品的電性能、散熱效能，適合高引腳數(shù)、高速、多功 能的器件。AlSiC的CTE能夠與介電襯底、焊球陣列、 低溫?zé)Y(jié)陶瓷以及印刷電路板相匹配，同時(shí)還具有髙 熱傳導(dǎo)率、高強(qiáng)度和硬度，是倒裝焊蓋板的理想材料， 為芯片提供高可靠保護(hù)。AlSiC可制作出復(fù)雜的外形， 例如，AlSiC外殼產(chǎn)品有多個(gè)空腔，可容納多塊芯片， 用于提供器件連接支柱、填充材料的孔以及不同的凸 緣設(shè)計(jì)。AlSiC外形表面支持不同的標(biāo)識(shí)和表面處理方 法，包括激光打印、油漆、油墨、絲網(wǎng)印刷、電鍍，完 全滿(mǎn)足FCP工藝要求。
4.3功率器件封裝
大功率密度封裝中管芯所產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)基 板材料傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去，上世紀(jì)九十年代中期， AlSiC巳用作功率放大器的基板，通過(guò)修改金屬Al和 SiC顆粒的比例，來(lái)匹配裸芯片或襯底的CTE值，從 而防止空洞或剝離失效。事實(shí)表明，AlSiC基板對(duì)于Cu 基板系統(tǒng)有很好的可靠性，耐受成千上萬(wàn)次熱循環(huán)也 不會(huì)失效，而Cu的可靠性達(dá)不到1000次熱循環(huán)，這 從根本上解決功率器件散熱問(wèn)題，成為重要的功率器 件封裝材料。
寬禁帶半導(dǎo)體SiC、GaN在芯片制造中的應(yīng)用顯 示出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，已制作高純度100mm~150mm 的GaN圓片，在單位面積上可產(chǎn)生比其他器件高6倍 的功率，帶寬達(dá)到1GHz~40GHz。功率半導(dǎo)體和集成 功率模塊技術(shù)方興未艾，AlSiC封裝材料大有發(fā)展前景。
4.4光電封裝
AlSiC可制作出光電模塊封裝要求光學(xué)對(duì)準(zhǔn)非常 關(guān)鍵的復(fù)雜幾何圖形，精確控制圖形尺寸，關(guān)鍵的 光學(xué)對(duì)準(zhǔn)部分無(wú)需額外的加工，保證光電器件的對(duì) 接，降低成本。此外，AlSiC有優(yōu)良的散熱性能， 能保持溫度均勻性，并優(yōu)化冷卻器性能，改善光電器件的熱管理。
5、結(jié)束語(yǔ)
AlSiC金屬基復(fù)合材料正成為電子封裝所需高K 以及可調(diào)的低CTE、低密度、高強(qiáng)度與硬度的理想 材料，為各種微波和微電子以及功率器件、光電器件 的封裝與組裝提供所需的熱管理，可望替代分別以 Kovar和W-Cu、Mo-Cu為代表的第一、第二代專(zhuān) 用電子封裝合金，尤其在航空航天、軍用電子器件的 封裝方面需求迫切。一位老將軍在自己的回憶錄里寫(xiě) 道：“從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)看，電子裝備建設(shè)是我軍作戰(zhàn)的薄 弱環(huán)節(jié)，急需加強(qiáng)。”世界新軍事變革出現(xiàn)加速發(fā)展 的趨勢(shì)，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)離不開(kāi)整個(gè)芯片及封裝產(chǎn)業(yè)的支 撐，若基礎(chǔ)不牢，將會(huì)地動(dòng)山搖。