SIP(System in Package,系统级封装)技术是将多个具有不同功能的无源电路、有源电路等封装在一个壳体内,成为可提供多种功能的单个标准封装件,具备系统或者子系统功能。为了满足不断增加系统功能、缩小体积、减轻重量和降低成本的市场需求,SIP技术已逐渐成为封装技术的发展趋势。艾邦建有陶瓷封装全产业链微信群,欢迎陶瓷封装产业链上下游加入,请您识别二维码加入。
一文了解系统级封装SIP用陶瓷基板材料

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1、SIP的基板材料要求

SIP要求基板材料具有优良的机械性能、介电性能、导热性能和电学性能,同时还要易成型,易加工,成本低,主要包括以下几个方面:

(1)低的介电常数、信号传输速度与基板材料的介电常数和信号传输距离有关,介电常数越低,信号传输越快。

(2)低介电损耗。在基板材料的电导和松弛极化过程中,带电质点将电磁场能部分地转化为热能,将能量消耗在使封装材料发热的效应上,介电损耗低能够大大降低基板的发热效应。

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图 系统级封装,来源:ALTER

(3)高热导率。芯片电路密度增加、功率提高信号速度加快、芯片发热量增加,基板材料热导率越高,能够有效散发芯片发出热量。

(4)适宜的热膨胀系数。电路工作时,由于热膨胀系数不同会产生应力,使焊点疲劳、失效,严重时导致膜层剥落,甚至破坏芯片,因此,基板材料要与芯片的热膨胀系数匹配。

(5)良好的力学性能。基板材料需要具有良好的弯曲强度和弹性模量,一方面保证基板烧结过程中变形量小,减少尺寸差别;另一方面,保证基板在制备、装配、使用过程中不至于破损。

二、SIP用陶瓷基板材料

陶瓷基板材料是系统级封装技术的基础材料之一,对电路起到支撑和绝缘的作用。长期以来,绝大多数陶瓷基板材料一直沿用Al2O3和BeO陶瓷,但Al2O3基板的热导率低,热膨胀系数和Si不太匹配;BeO虽然具有优良的综合性能,但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。因此从性能、成本和环保等因素考虑,二者已不能完全满足现代电子器件发展的需要。近年来,各国学者又逐渐开发出AIN、LTCC等材料,以适应高速发展的电子器件领域。
表 几种常用的陶瓷封装材料的主要性能

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1.AIN

SIP芯片堆叠后发热量将增加,但散热面积相对并未增加,因而发热密度大幅提高,而且由于热源的相互连接,热耦合增强,从而造成更为严重的热问题。同时,内埋置基板中的无源器件也有一定的发热问题。因此,SIP在封装体积缩小、组装密度增加的同时必然带来散热的问题,选择散热效果更好即热导率更高的陶瓷材料是实现SIP的关键。

AIN是一种具有纤锌矿结构的化合物,利用AIN陶瓷制成的多层陶瓷基板的热导率可达170W/(m·K),热膨胀系数仅为4.2x10-6°C-1,与Si、GaAs及GaN器件接近,其力学强度高,致密性好,能够满足封装气密性要求,且介电常数低,适用于高功率、多引线和大尺寸芯片,是SiP封装优选的基板材料和封装材料。

2.低温共烧陶瓷材料

LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic,低温共烧陶瓷)采用厚膜材料,根据预先设计的结构,将电极材料、基板、电子器件等一次烧成,是实现SIP的重要途径。LTCC工艺采用多层陶瓷叠压烧结,高频介质损耗小,高温稳定性好,膨胀系数与集成电路接近易匹配,容易与芯片集成,适合高低频混合和数模一体化封装。同时,LTCC工艺又是一种三维无源基板,可以满足系统高密度布线和紧凑复杂的无源电路要求,能充分发挥大规模集成电路的性能优势。采用LTCC技术的SIP具备高集成度,方便集成无源元件无源功能器件,通过调整配料和多种不同介电常数基板混合共烧的方式提高电路设计灵活性等。

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图 系统级封装横截面示意图

基于LTCC的SIP相比传统的SIP具有良好的高速、微波性能和极高的集成度。具体表现在以下几个方面:
①LTCC技术采用多层互连技术,可以提高集成度;
②LTCC可以制作多种结构的空腔,并且内埋置元器件、无源功能元件,通过减少连接芯片导体的长度与接点数,能集成的元件种类多,易于实现多功能化和提高组装密度。提高布线密度和元件集成度,减少了SIP外围电路元器件数目,简化了与SIP连接的外围电路设计和降低了电路组装难度和成本。
③根据配料的不同,LTCC材料的介电常数可以在很大的范围内变动,可根据应用要求灵活配置不同材料特性的基板,提高了设计的灵活性。另外,由于共烧温度低,可以采用Au、Ag、Cu等高电导率的材料作为互连材料,具有更小的互连导体损耗,特别适合高频、高速电路的应用。
④基于LTCC技术的SIP具有良好的散热性。LTCC材料具有良好的热导率,且由于LTCC的连接孔采用填孔方式,能够实现较好的导热特性。

⑤基于LTCC技术的SIP同半导体器件有良好的热匹配性能。LTCC的热膨胀系数与Si、GaAs、InP接近,可以直接在基板上进行芯片的组装。

随着封装密度不断提高、功能日趋多样化,单一材料的性能已不能满足需求。未来电子封装材料将会朝着多相复合化的方向持续发展。

资料来源:

1.《系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和发展趋势》,高岭,赵东亮.

2.《基于LTCC技术的SIP研究》,洪求龙,等.
3.《一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计,许立讲,等.
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推荐活动:【邀请函】第二届陶瓷封装产业论坛(11月·石家庄)
第二届陶瓷封装产业论坛
The 2nd Ceramic Packages Industry Forum
2024年11月

河北·石家庄

一、会议议题

序号

暂定议题

拟邀请

1

集成电路陶瓷封装的发展概况

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

2

光通信技术的发展及陶瓷封装外壳的应用趋势

拟邀请光通信企业/封装厂商/高校研究所

3

电子封装陶瓷的研究进展

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

4

陶瓷封装技术在传感器领域的应用

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

5

基于DPC的3D成型陶瓷封装技术

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

6

集成电路陶瓷封装外壳仿真设计

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

7

系统级封装用陶瓷材料研究进展和发展趋势

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

8

基于3D-SiP集成技术的新型微波模块

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

9

陶瓷封装结构优化及可靠性分析

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

10

低温玻璃-陶瓷封装技术的研究进展

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

11

低温共烧陶瓷基板及其封装应用

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

12

微电子陶瓷封装的金属化技术

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

13

高温共烧陶瓷金属化膜厚影响因素分析

拟邀请陶瓷封装厂商/高校研究所

14

铜浆在多层陶瓷封装外壳制备技术中的应用

拟邀请陶瓷封装/浆料厂商/高校研究所

15

电子陶瓷封装用玻璃粉的开发

拟邀请陶瓷封装/玻璃粉厂商/高校研究所

16

金属陶瓷胶黏剂封装工艺及可靠性研究

拟邀请陶瓷封装/材料厂商/高校研究所

17

陶瓷封装外壳钎焊工艺研究

拟邀请钎焊设备企业/高校研究所

18

高密度陶瓷封装外壳散热问题探讨

拟邀请陶瓷封装/材料厂商/高校研究所

19

陶瓷封装平行缝焊工艺与技术

拟邀请陶瓷封装/设备厂商/高校研究所

20

陶瓷封装缺陷自动检测技术

拟邀请检测方案商

更多议题征集中,欢迎自拟或者推荐议题。演讲&赞助&会议报名请联系李小姐:18124643204(同微信)
二、报名方式

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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):一文了解系统级封装SIP用陶瓷基板材料

先进封装设备类似前道晶圆制造设备,供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展,Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例,主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等,因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等,材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展,互通有无,欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。

作者 gan, lanjie