鋁基碳化硅在電子封裝上的應用

鋁碳化硅AlSiC (有的文獻英文縮略語寫為SiCp/ Al或Al/SiC、SiC/Al)是一種顆粒增強金屬基復合材料，采用Al合金作基體，按設計要求，以一定形式、比例和分布狀態，用SiC顆粒作增強體，構成有明顯界面的多組相復合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優越性能。AlSiC研發較早，理論描述較為完善， 有品種率先實現電子封裝材料的規模產業化，滿足半導體芯片集成度沿摩爾定律提高導致芯片發熱量急劇升高、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、軍用射頻系統芯片等封裝方面作用極為凸現，成 為封裝材料應用開發的重要趨勢。

1、封裝AlSiC特性
封裝金屬材料用作支撐和保護半導體芯片的金屬 底座與外殼，混合集成電路HIC的基片、底板、外 殼，構成導熱性能最好，總耗散功率提高到數十瓦, 全氣密封性，堅固牢靠的封裝結構，為芯片、HIC提 供一個高可靠穩定的工作環境，具體材料性能是個首 選關鍵問題。常用于封裝的電子金屬材料的主要特性 如表1所示。
在長期使用中，許多封裝尺寸、外形都已標準 化、系列化，存在的主要缺陷是無法適應高性能芯片 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，無法全面滿足電子 封裝小型化、高密度、熱量易散發的應用需求。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，具有其綜合的優勢性能。隨之發 展的 M080 Cu20、Cu/ Invar/Cu、Cu/ Mo/Cu 等合金 在熱傳導方面優于Kovar，但其比重大于Kovar，仍不適合用作航空航天所需輕質的器件封裝材料。
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，使得研發一種新型輕質金屬 封裝材料,滿足航空航天用器件封裝成為急需，引發 相關部門調試重視。經過近些年來的深入研究，AlSiC 取得產業化進展，相繼推動高硅鋁合金Si/Al實用化 進程，表2示出其主要性能與常用封裝材料的對比。將SiC與Al合金按一定比例和工藝結合成AlSiC后，可克服目前金屬封裝材料的不足，獲得高K值、低 CTE、高強度、低密度導電性好的封裝材料。
從產業化趨勢看，AlSiC可實現低成本的、無需進一步加工的凈成形(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、高熱傳導石墨等）的經濟性并存集成，滿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定性及散溫度均勻性要求，同時也是大功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管的優選封裝材料，提供良好的熱循環及可靠性。
2、封裝AlSiC類型
封裝金屬基復合材料的增強體有數種，SiC是其中應用最為廣泛的一種，這是因為它具有優良的熱性能，用作顆粒磨料技術成熟，價格相對較低；另一方 面，顆粒增強體材料具有各向同性，最有利于實現凈 成形。AlSiC特性主要取決于SiC的體積分數(含量) 及分布和粒度大小，以及Al合金成分。依據兩相比例或復合材料的熱處理狀態，可對材料熱物理與力學性能進行設計，從而滿足芯片封裝多方面的性能要求。其中，SiC體積分數尤為重要，實際應用時，AlSiC與 芯片或陶瓷基體直接接觸，要求CTE盡可能匹配，為 此SiC體積百分數vol通常為50%?75%,表3示出某廠家產業化凈成形AlSiC級別的詳細情況。
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預制件中，通過金屬Al 熔滲制作并存集成的封裝基片。在AlSiC并存集成過程中，可在最需要的部位設置這些昂貴的快速散熱材料，降低成本，擴大生產規模，嵌有快速散熱材料的AlSiC倒裝片系統正在接受測試和評估。另外，還可并存集成48號合金、Kovar和不銹鋼等材料，此類材料或插件、引線、密封環、基片等，在熔滲之前插入SiC預成形件內，在AlSiC復合成形過程中，經濟地完成并存集成，方便光電器件封裝的激光連接。
采用噴射沉積技術，制備了內部組織均勻、性能優良、Si含量髙達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中，發 展為一種輕質金屬封裝材料。

3、封裝AlSiC制備
SiC顆粒與Al有良好的界面接合強度，復合后 的CTE隨SiC含量的變化可在一定范圍內進行調節， 由此決定了產品的競爭力，相繼開發出多種制備方 法。用于封裝AlSiC的預制件的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，其熱導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。基體是強度的主要承載體，一般選用6061、 6063、2124、A356等高強度Al合金，與SiC按 一定比例和不同工藝結合成AlSiC，解決SiC與Al 潤濕性差，高SiC含量難于機加工成形等問題，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，其實質是粉末冶金法的延伸。它通 過先制備一定密度、強度的多孔基體預制件，再滲以 熔點比其低的金屬填充預制件，其理論基礎是在金屬 液潤濕多孔基體時，在毛細管力作用下，金屬液會沿 顆粒間隙流動填充多孔預制作孔隙，脫模無需機械加 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制備的關鍵，一般分為有壓力滲 透和無壓力滲透，前者根據生產過程中壓力施加的大 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,主要特點是需要真空和高壓設備，滲 透時間較短，有效控制Al與SiC的界面反應，同時與 精度的模具相配套，獲得實用性發展。后者是將Al合 金錠放置在SiC預制件上，在合金熔點以上保溫，Al 合金液依托毛細管力的作用自發滲入預制件中，所需 設備簡單，易于低成本制備，但產品的機械性能與熱 性能略低，對基體合金的成分有較為嚴格的要求，浸 透需要在保護氣氛中進行。粉末冶金法對SiC體積分數可在15% ~ 75%之間調節，SiC承載量大，但較難 實現材料的一次成形。
AlSiC封裝材料產業化引起國內科研院所、大學等單位的廣泛重視，積極著手研發其凈成形工藝，部 分單位研制成功樣品，為AlSiC工業化生產積累經驗, 離規模化生產尚有一定距離，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 漿粒原位固化技術等問題。
4、封裝AlSiC的應用
IC產業的發展與其設計、測試、流片、封裝等 各環節密切相聯，最終在市場應用中體現價值認同，良 性循環形成量產規模，實現經濟效益。封裝技術至關 重要，尤其是軍用產品一致采用金屬封裝、陶瓷封裝 結構，確保器件、模塊、組件、系統的整體可靠性。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，其材料難以滿足當 今航空航天、艦船、雷達、電子戰、精確打擊、天基和 海基系統對大功率、微波器件封裝的需求。按目前 VLSI電路功耗的同一方法計算，未來的SoC芯片將達到太陽表面溫度，現有的設計和封裝方法已不能滿 足功率SoC系統的需求。AlSiC恰好首先在這一領域 發揮作用，現以軍用為主，進而推向其他市場。
4.1 T/R模塊封裝
機載雷達天線安裝在飛機萬向支架上，采用機電 方式掃描，其發展的重要轉折點是從美國F-22開始應 用有源電子掃描相控陣天線AESA體制，其探測距離 如表5所示，研發出多種AESA系統。例如，APG-80捷變波束雷達、多功能機頭相控陣一體化航電系 統、多功能綜合射頻系統、綜合式射頻傳感器系統、JSF 傳感器系統等，所用T/R (發/收）模塊封裝技術日趨成熟，每個T/R模塊成本由研發初期的10萬美元降 至600-800美元，數年內可降至約200美元，成為機 載雷達的核心部分。幾乎所有的美國參戰飛機都有安 裝新的或更新AESA計劃，使其作戰效能進一步發 揮，在多目標威脅環境中先敵發現、發射、殺傷，F-22 機載AESA雷達可同時探測跟蹤目標數分別為空中30 個、地面16個、探測范圍為360°全周向。

AESA由數以千計的T/R模塊（有的高達9 000 個左右）構成，在每個T/R模塊內部都有用GaAs 技術制作的功率發射放大器、低噪聲接收放大器、T/ R開關、多功能增益/相位控制等電路芯片，最終 生產關鍵在其封裝技術上，因機載對其體積與重量的 限制極為苛刻。AlSiC集低熱脹、高導熱、輕質于 一體，采用AlSiC外殼封裝T/R模塊，包括S、C、 X、Ku波段產品，可滿足實用需求。雷達APG-77 是一部典型多功能、多工作方式雷達，其AESA直 徑約1m,用2 000個T/R模塊構成，每個T/R模塊 輸出功率10W，移相器6位，接收噪聲系數2.9dB， 體積6.4cm3，重14.88g,平均故障間隔MTBF20萬 h，其發射功率比初期產品增加16倍，接收噪聲系 數降低1倍，體積重量減少83%,成本下降82%。 以1 000個T/R模塊構成機載AESA雷達為例，用 AlSiC替代Kovar，雷達重量可減輕34kg，而熱導 率比Kovar提高10余倍，且提高整機可靠性MTBF 達2 OOOh以上。試驗表明，即使AESA中10%的T/R模塊產生故障，對系統無顯著影響，30%失效 時，仍可維持基本工作性能，具有所謂的“完美降級” 能力。
本世紀初，美國AlSiC年產量超過100萬件，T/ R模塊由“磚”式封裝向很薄、邊長5cm或更小方 塊形的“瓦”式封裝發展，進一步降低T/R模塊的尺 寸、厚度、重量以及所產生的熱量。歐洲防務公司、法、 英、德聯合開發機載AESA及T/R模塊技術，研制具 有1200個T/R模塊全尺寸樣機的試驗工作，俄羅斯 積極著手研制第4代戰斗機用AESA雷達，以色列、 瑞典研制出輕型機載AESA預警雷達，機載AESA及 T/R模塊市場持續升溫。
在國內，隨著AESA產品的定型，T/R模塊出現 批量生產需求，其基板、殼體的生產極為關鍵，采 用近凈成形技術，研制出小批量T/R模塊封裝外殼樣 品。用無壓溶滲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 嚴格考核，器件的微波性能、熱性能無變化，可完全滿足應用要求，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，有望在封裝領域大量替代W-Cu、Mo-Cu等材料。國產L波段功率器件月批量生產累計上千只，實現某型號雷達全面國產化、固態化，今后幾年會持續批量生產，S、C波段功率模塊怎樣低成本生產，將涉及AlSiC封裝材料的研發應用。
4.2倒裝芯片封裝
倒裝芯片封裝FCP技術優勢在于能大幅度提高產 品的電性能、散熱效能，適合高引腳數、高速、多功 能的器件。AlSiC的CTE能夠與介電襯底、焊球陣列、 低溫燒結陶瓷以及印刷電路板相匹配，同時還具有髙 熱傳導率、高強度和硬度，是倒裝焊蓋板的理想材料， 為芯片提供高可靠保護。AlSiC可制作出復雜的外形， 例如，AlSiC外殼產品有多個空腔，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 緣設計。AlSiC外形表面支持不同的標識和表面處理方 法，包括激光打印、油漆、油墨、絲網印刷、電鍍，完 全滿足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生的熱量主要通過基 板材料傳導到外殼而散發出去，上世紀九十年代中期， AlSiC巳用作功率放大器的基板，通過修改金屬Al和 SiC顆粒的比例，來匹配裸芯片或襯底的CTE值，從 而防止空洞或剝離失效。事實表明，AlSiC基板對于Cu 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，而Cu的可靠性達不到1000次熱循環，這 從根本上解決功率器件散熱問題，成為重要的功率器 件封裝材料。
寬禁帶半導體SiC、GaN在芯片制造中的應用顯 示出很強的競爭優勢，已制作高純度100mm~150mm 的GaN圓片，在單位面積上可產生比其他器件高6倍 的功率，帶寬達到1GHz~40GHz。功率半導體和集成 功率模塊技術方興未艾，AlSiC封裝材料大有發展前景。
4.4光電封裝
AlSiC可制作出光電模塊封裝要求光學對準非常 關鍵的復雜幾何圖形，精確控制圖形尺寸，關鍵的 光學對準部分無需額外的加工，保證光電器件的對 接，降低成本。此外，AlSiC有優良的散熱性能， 能保持溫度均勻性，并優化冷卻器性能，改善光電器件的熱管理。
5、結束語
AlSiC金屬基復合材料正成為電子封裝所需高K 以及可調的低CTE、低密度、高強度與硬度的理想 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 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 道：“從海灣戰爭看，電子裝備建設是我軍作戰的薄 弱環節，急需加強。”世界新軍事變革出現加速發展 的趨勢，信息化戰爭離不開整個芯片及封裝產業的支 撐，若基礎不牢，將會地動山搖。