铝基碳化硅在电子封装上的应用

铝碳化硅AlSiC (有的文献英文缩略语写为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方面作用极为凸现，成 为封装材料应用开发的重要趋势。

1、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、外形都已标准 化、系列化，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 M080 Cu20、Cu/ Invar/Cu、Cu/ Mo/Cu 等合金 在热传导方面优于Kovar，但其比重大于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芯片的微波器件封装 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、无需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。
2、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合金成分。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）嵌人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预成形件内，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含量髙达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较匹配，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。

3、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的预制件的SiC颗粒大小多在1 um-80um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含量难于机加工成形等问题，成为 理想的封装材料。
制备50vol% ~ 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 熔点比其低的金属填充预制件，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，脱模无需机械加 工，在其表面上覆盖有一层0.13mm?0.25nm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，获得实用性发展。后者是将Al合 金锭放置在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，易于低成本制备，但产品的机械性能与热 性能略低，对基体合金的成分有较为严格的要求，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、低粘度、55% ~ 75%高体积分架料的制备与 浆粒原位固化技术等问题。
4、封装AlSiC的应用
IC产业的发展与其设计、测试、流片、封装等 各环节密切相联，最终在市场应用中体现价值认同，良 性循环形成量产规模，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，确保器件、模块、组件、系统的整体可靠性。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。
4.1 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、多功能综合射频系统、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美元，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，在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个、探测范围为360°全周向。

AESA由数以千计的T/R模块（有的高达9 000 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、低噪声接收放大器、T/ R开关、多功能增益/相位控制等电路芯片，最终 生产关键在其封装技术上，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2 000个T/R模块构成，每个T/R模块 输出功率10W，移相器6位，接收噪声系数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，接收噪声系 数降低1倍，体积重量减少83%,成本下降82%。 以1 000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2 OOOh以上。试验表明，即使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。用无压溶渗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。
4.2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产 品的电性能、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，同时还具有髙 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。
4.3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巳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。
4.4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。
5、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 道：“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。