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电子封装中的铝碳化硅及其应用
作者:lfq   发表日期: 2006-11-21 09:42  复制链接
来源：网络
1 引言
铝碳化硅AlSiC（有的文献英文所略语写为SiCp/Al或Al/SiC、SiC/Al）是一种颗粒增强金属基复合材料，采用Al合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。AlSiC研发较早，理论描述较为完善，有品种率先实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的"轻薄微小"的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装分析作用极为凸现，成为封装材料应用开发的重要趋势。
2 封装AlSiC特性
封装金属材料用作支撑和保护半导体芯片的金属底座与外壳，混合集成电路HIC的基片、底板、外壳，构成导热性能最好，总耗散功率提高到数十瓦，全气密封性，坚固牢靠的封装结构，为芯片、HIC提供一个高可靠稳定的工作环境，具体材料性能是个首选关键问题。常用于封装的电子金属材料的主要特性如表1所示。

在长期使用中，许多封装尺寸、外形都已经标准化、系统化，存在的主要缺陷是无法适应高性能芯片封装要求。例如，Kovar（一种Fe-Co-Vi合金）和Invar（一种Fe-Ni合金）的CTE低，与芯片材料相近，但其K值差、密度高、刚度低，无法全面满足电子封装小型化、高密度、热量易散发的应用需求合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素所组成的金属材料，具有其综合的优势性能。随之发展的Mo80 Cu20、Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu等合金在热传导方面优于Kovar，但期比重大于Kovar，仍不适合用作航空航天所需轻质的器件封装材料。
常用金属封装材料与CaAs的微波器件封装需求存在性能上的差距，使得研发一种新型轻质金属封装材料，满足航空航天用器件封装成为急需，引发相关部门调试重视。经过近些年来的深入研究，AlSiC取得产业化进展，相继推动高硅铝合金Si/Al实用化进程，表2示出其主要性能与常用封装材料的对比。将SiC与Al合金按一定比例和工艺结合成AlSiC后，可克服目前金属封装材料的不足，获得高K值、低CTE、高强度、低密度导电性好的封装材料。

从产业化趋势看，AlSiC可实现低成本的、无须进一步加工的净成形（net-shape）或需少量加工的近净成形制造，还能与高散热材料（金刚石、高热传导石墨等）的经济性并存集成，满足大批量倒装芯片封装、微波电路模块、光电封装所需材料的热稳定性及散温度均匀性要求，同时也是大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管的优选封装材料，提供良好的热循环及可靠性。
3 封装AlSiC类型
封装金属基复合材料的增强体有数种，SiC是其中应用最为广泛的一种，这是因为它具有优良的热性能，用作颗粒磨料技术成熟，价格相对较低；另一方面，颗粒增强体材料具有各向同性，最有利于实现净成形。AlSiC特性主要取决于SiC的体积分数（含量）及分布和粒度大小，以及Al合金成份。依据两相比例或复合材料的热处理状态，可对材料热物理与力学性能进行设计，从而满足芯片封装多方面的性能要求。其中，SiC体积分数尤为重要，实际应用时，AlSiC与芯片或陶瓷基体直接接触，要求CTE尽可能匹配，为此SiC体积百分数vol通常为50%-75%，表3示出某厂家产业化净成形AlSiC级别的详细情况。

此外，AlSiC可将多种电子封装材料并存集成，用作封装整体化，发展其他功能及用途。研制成功将高性能、散热快的Cu基封装材料块（Cu-金刚石、Cu-石墨、Cu-BeO等）嵌入SiC预制件中，通过金属Al熔渗制作并存集成的封装基片。在AlSiC并存集成过程中，可在最需要的部位设置这些昂贵的快速散热材料，降低成本，扩大生产规模，嵌有快速散热材料的AlSiC倒装片系统正在接受测试和评估。另外，还可并存集成48号合金、Kovar和不锈钢等材料，此类材料或插件、引线、密封环、基片等，在熔渗之前插入SiC预成型件内，在AlSiC复合成形过程中，经济地完成并存集成，方便光电器件封装的激光连接。
采用喷射沉积技术，制备了内部组织均匀、性能优良、Si含量高达70wt%（重量百分率）的高硅铝合金SiAl封装材料，高硅铝合金CE牌号的性能如表4所示，由于其CTE与Si、GaAs该匹配，也可用于射频、微波电路的封装及航空航天电子系统中，发展为一种轻质金属封装材料。

4 封装AlSiC制备
SiC颗粒与Al有良好的界面接合强度，复合后的CTE随SiC含量的变化可在一定范围内进行调节。由此决定了产品的竞争力，相继开发出多种制备方法。用于封装AlSiC预制件的SiC颗粒大多在1μm-80μm范围选择，要求具有低密度、低CTE，高弹性模量等特点，其热导率因纯度和制作方法的差异在80W（m·K）-200W（m·K）之间变化。基体是强度的主要承载体，一般选用6061、6063、2124、A356等高强度Al合金，与SiC按一定比例和不同工艺结合成AlSiC，解决SiC与Al润湿性差，高SiC含量难于机加工成型等问题，成为理想的封装材料。
制备500vol%-75vol%SiC高含量的封装用AlSiC多采用熔渗法，其实质是粉末冶金法的延伸。它通过先制备一定密度、强度的多孔基体预制件，再渗以熔点比其低的进入填充预制件，其理论基础是在金属液润湿多孔基体时，在毛细管力作用下，金属液会沿颗粒间隙流动填充多孔预制作孔隙，脱模无须机械加工，在其表面上覆盖有一层0.13mm-0.25mm厚的完美Al合金层，按用途电镀上Ni、Au、Cd、Ag，供封装用。
熔渗法是AlSiC制备的关键，一般分为有压力渗透和无压力渗透，前者根据生产过程中压力施加的大小，方式的不同，又分为挤压熔渗、气压压力熔渗、离心熔渗铸造法等，主要特点是需要真空和高压设备，渗透时间较短，有效控制Al与SiC的界面反应，同时与精度的模具相配套，获得适用性发展。后者是将Al合锭放置在SiC预制件上，在合金熔点以上保温，Al合金液依托毛细管力的作用自发渗入预制件中，所需设备简单，予以低成本制备，但产品的机械性能与热性能略低，对基体合金的成份有较为严格的要求，浸透需要在保护气氛中进行。粉末冶金法对SiC体积分数可在15%-75%之间调节，SiC承载量大，但较难实现材料的一次成形。
AlSiC封装材料产业化引起国内科研院所、大学等单位的广泛重视，积极着手研发其净成形工艺，部分单位研制成功样品，为AlSiC工业化生产积累经验，离规模化生产尚有一定距离，存在成本高、SiC体积含量不高、低黏度、55%-75%高体积分浆料的制备与浆粒原位固化技术等问题。
5 封装AlSiC的应用
IC产业的发展与其设计、测试、流片、封装等各环节密切相连，最终在市场应用中体现价值认同，良性循环形成量产规划，实现经济效益。封装技术至关重要，尤其是军用产品一致采用金属封装，陶瓷封装结构，确保旗杆、模块、组件、系统的整体可靠性的金属封装气密性高，散热性好，形状可多样化，有圆形、菱形、扁平形、浅腔与深腔形等，其材料难以满足当今航空航天、舰船、雷达、电子战、精确打击、天基和海基系统对大功率、微波器件封装的需求。按目前VLSI电路功耗的同一方法计算，未来的SoC芯片将达到太阳表面温度，现有的设计和封装方法已不能满足功率SoC系统的需求。AlSiC恰好首先在这一领域发挥作用，现以军用为主，进而推向其他市场。
5.1 T/R模块封装
机载雷达天线安装在飞机万向支架上，采用机电方式扫描，其发展的重要转折点是从美国F-22开始应用有源电子扫描相控阵天线AESA体制，其探测距离如表5所示，研发出多种AESA系统。例如，APG-80捷变波束雷达、多功能机头相控阵一体化航电系统、到功能综合射频系统、综合式射频传感器系统、JSF传感器系统等，所用T/R（发/收）模块封装技术日趋成熟，每个T/R模块成本由研发初期的10万美元降至600-800美言，数年内可降至约200美元，成为机载雷达的核心部分。几乎所有的美国参战飞机都有安装新的或更新AESA计划，使其作战效能进一步发挥，作多目标威胁环境中先敌发现、发射、杀伤，F-22机载AESA雷达可同时探测跟踪目标数分别为空中30个、地面16、探测范围为360度全周向。

AESA由数以千计的T/R模块（有的高达9000个左右）构成，在每个T/R模块内部都有用GaAs技术制作的功率发射放大器、低噪声接受放大器、T/R开关、多功能增益/相位控制等电路芯片，最终生产关键其封装技术上，因机载对其体积与重量的限制极为苛刻。AlSiC集低热胀、高导热、轻质于一体，采用AlSiC外壳封装T/R模块，包括S、C、X、Ku波段产品，可满足实用需求。雷达APG-77是一部典型多功能、多工作方式雷达，其AESA直径约1m，用2000个T/R模块构成，每个T/R模块输出功率10W，移相器6位，接受噪声系数2.9dB，体积6.4cm3，重14.88g，平均故障间隔MTBF20万h，其发射功率比初期产品增加16倍，接受噪声系数降低1倍，体积重量减少83%，成本下降82%。以1000个T/R模块构成机载AESA雷达为例，用AlSiC替代Kovar，雷达重量可减轻34kg，而热导率比Kovar提高10余倍，且提高整机可靠性MTBF达2000h以上。试验表明，及时AESA中10%的T/R模块产生故障，对系统无显著影响，30%失效时，仍可维持基本工作性能，具有所谓的"完美降级"能力。
本世纪初，美国AlSiC年产量超过100万件，T/R模块由"砖"式封装向很薄、边长5cm或更小方块形的"瓦"式封装发展，进一步降低T/R模块的尺寸、厚度，重量以及所产生的热量。欧洲防务公司、法、英、德联合开发机载AESA及T/R模块技术，研制具有1200个T/R模块全尺寸样机的试验工作，俄罗斯积极着手研制第4代战斗机用AESA雷达，以色列、瑞典研制出轻型机载AESA预警雷达，机载AESA及T/R模块市场持续升温。
在国内，随着AESA产品的定型，T/R模块出现批量生产需求，其基板、壳体的生产极为关键，采用近净成形技术，研制出小批量T/R模块封装外壳样品。用无压熔渗AlSiC制作基座替代W-Cu基座，封装微波功率器件，按GJB33A-97和GJB128A-97军标严格考核，器件的微波性能、热性能无变化，可完全满足应用要求，前者的重量只及W-Cu基座的20%，且成本仅为后者的1/3左右，有望在封装领域大量替代W-Cu，Mo-Cu等材料。国产L波段功率器件月批量生产累计上千只，实现某型号雷达全面国产化、固态化，今后几年会持续批量生产，S、C波段功率模块怎样低成本生产，将涉及AlSiC封装材料的研发应用。
5.2 倒装芯片封装
倒装芯片封装FCP技术优势在于能大幅度提高差别的电性能、散热效能，适合高引脚数、高速、多功能的器件。AlSiC的CTE能够与介电衬底、焊球阵列、低温烧结陶瓷以及印刷电路板相匹配，同时其具有高热传导率、高强度和硬度，是倒装焊盖板的理想材料，为芯片提供高可靠保护。AlSiC可制作出复杂的外形，例如，AlSiC外壳产品有多个空腔，可容纳多块芯片，用于提供器件连接支柱、填充材料的孔以及不同的凸缘设计。AlSiC外形表面支持不同的标识和表面处理方法，包括激光打印、油漆、油墨、丝网印刷、电镀，完全满足FCP工艺要求。
5.3 功率器件封装
大功率密度封装中管芯所产生的热量主要通过基板材料传导到外壳而散发出去，上世纪九十年代中期，AlSiC已用作功率放大器的基板，通过修改金属Al和SiC颗粒的比例，来匹配裸芯片或衬底的CTE值，从而防止空洞或剥离失效。事实表明，AlSiC基板对于Cu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，而Cu的可靠性达不到1000次热循环，这从根本上解决功率器件散热问题，成为重要的功率器件封装材料。
宽禁带半导体SiC、GaN在芯片制造中的应用显示出很强的竞争优势，已制作高纯度100mm-150mm的GaN圆片，在单位面积上可产生比其他器件高6倍的功率，带宽达到1GHz-40GHz。功率半导体和集成功率模块技术方兴未艾，AlSiC封装材料大有发展前景。
5.4 光电封装
AlSiC可制作出光电模块封装要求光学对准非常关键的复杂几何图形，精确控制图形尺寸，关键的光学对准部分无需额外的加工，保证光电器件的对接，降低成本。此外，AlSiC有优良的散热性能，能保持温度均匀性，并优化冷却器性能，改善光电器件的热管理。
6 结束语
AlSiC金属基复合材料正成为电子封装所需高K以及可调的低CTE、低密度、高强度与硬度的理想材料，为各种微波和微电子以及功率器件、光电器件的封装与组装提供所需的热管理，可望替代分别以Kovar和W-Cu、Mo-Cu为代表的第一、第二代专用电子封装合金，尤其在航空航天、军用电子器件的封装方面需求迫切。一位老将军在自己的回忆录里写到："从海湾战争看，电子装备建设是我军作战的薄弱环节，急需加强。"世界新军事变革出现加速发展的趋势，信息化战争离不开整个芯片及封装产业的支撑，若基础不牢，将会地动山摇。