Introduzione al packaging elettronico

I sistemi di imballaggio elettronici sono la scienza e l'ingegneria di racchiudere, proteggere e interconnettere i dispositivi semiconduttori e altri componenti elettronici in sistemi funzionali. Fornisce supporto meccanico, connettività elettrica, gestione termica e protezione da fattori ambientali come umidità, polvere e vibrazioni.

Proprietà chiave richiesto in materiali di imballaggio avanzati

Per capire perché i materiali emergenti sono così importanti, aiuta a rivedere in prima persona le metriche di performance critiche che i materiali di imballaggio moderni devono soddisfare.

  • La conducibilità termica[[ – La dissipazione del calore elevata è essenziale per prevenire le macchie calde e garantire la longevità del dispositivo. I polimeri tradizionali hanno bassa conducibilità (~0.2–0.5 W/mK), mentre i materiali avanzati si rivolgono a 10–100+ W/mK.
  • Coefficiente di espansione termica (CTE)[ – Una stretta corrispondenza con il silicio (circa 2.6 ppm/°C) riduce lo stress termico e impedisce la crepa.
  • Dielettrico costante (Dk) e fattore di dissipazione (Df)[ – I valori Dk/Df bassi e stabili minimizzano la perdita del segnale e la traversata nelle applicazioni ad alta frequenza come 5G e radar.
  • La forza meccanica e la flessibilità[[[]] – I materiali devono resistere alle sollecitazioni di montaggio, al ciclismo termico e talvolta alla flessione dell'elettronica flessibile.
  • Compatibilità di adesione e processo[[[] – Il materiale deve legare bene con substrati, composti di stampo e strati di metallizzazione, ed essere compatibile con metodi di fabbricazione esistenti come laminazione, stampaggio ad iniezione, o sputtering.
  • La resistenza chimica e la mobilitÃ[[] – La protezione contro l'umidità, la corrosione e i solventi à ̈ necessaria per l'affidabilità a lungo termine.

Nessun singolo materiale eccelle in tutte le aree, quindi l'obiettivo è quello di progettare compositi o sostanze nuove che bilanciano queste proprietà per applicazioni specifiche. I materiali emergenti descritti di seguito affrontano una o più di queste sfide con opzioni tradizionali in outperforming.

Materiali emergenti Trasformazione di imballaggio elettronico

Grafene e Carbon-Based Nanomaterials

I materiali a bassa resistenza al carbonio sono stati utilizzati per la produzione di granuli, ma anche per la produzione di materiali a bassa resistenza, che hanno consentito di ottenere una maggiore flessibilità di utilizzo, e che hanno consentito di ottenere una maggiore flessibilità di utilizzo dei materiali a basso rendimento.

Quadri metallici-organici (MOF)

I sistemi di trasporto in metallo sono una classe di materiali cristallini porosi, costruiti da ioni metallici coordinati a leganti organici. Le loro proprietà di superficie ultra-alte e le dimensioni dei pori tunable li rendono utili per lo stoccaggio del gas, la separazione e la catalisi.

Compositi di polimerizzazione in ceramica

I materiali di riempimento in ceramica sono flessibili e facili da modellare, ma hanno bassa conducibilità termica. I compositi in ceramica-polimeri combinano il meglio di entrambi i mondi.

Materiali di interfaccia termica del metallo liquido

I metalli liquidi, come leghe a base di gallio, come ad esempio il Galinstan, il Ga‐In-Sn eutettico, stanno guadagnando la trazione come TIMs a causa della loro elevata conducibilità termica (28-39 W/mK) e la capacità di conformarsi perfettamente alle superfici ruvide.

Boron Nitride e altri materiali 2D

La capacità di assorbimento esagonale del boro (h‐BN) è un isolatore elettrico con elevata conducibilità termica, che lo rende un candidato naturale per gli spargitori di calore dielettriche.

Vantaggi e sfide di adozione dei materiali emergenti

I vantaggi di questi materiali sono chiari: maggiore conducibilità termica, migliore prestazione elettrica, minor peso e spessore, e la capacità di operare a temperature e frequenze più elevate. Ad esempio, i TIM basati su grafine possono abbassare le temperature di giunzione di 10-20°C rispetto ai grassi convenzionali, migliorando direttamente l'affidabilità e consentendo maggiori densità di potenza.

[FLT:] La stabilità [[FLT]] rimane l'ostacolo più grande. Produrre la grafite di alta qualità, h‐BN, o MOF in quantità di tonnellata a costi ragionevoli ha dimostrato difficile. Molti metodi di sintesi sono processi di batch con resa limitata Integrazione in linee di produzione esistenti richiedono che i nuovi materiali siano

La collaborazione tra industria è essenziale per superare queste sfide. I Consorzi come la IEEE Electronics Packaging Society e la International Microelectronics Assembly and Packaging Society (IMAPS) favoriscono la ricerca e la standardizzazione. Molte università e laboratori nazionali hanno programmi dedicati per i materiali di imballaggio avanzati e molte start-up stanno commercializzando soluzioni di nicchia.

Integrazione nella produzione reale-mondiale

I materiali di produzione di materiali emergenti non sono solo proprietà materiali, ma anche come possono essere incorporati nei flussi di produzione esistenti. Ad esempio, gli epossidi di granulometria possono essere utilizzati come strati di sostituzione a goccia per le paste tradizionali di sottopiede o TIM se soddisfano i requisiti di viscosità e cura. Tuttavia, i carichi di riempimento elevati spesso aumentano la viscosità, rendendo difficile l'erogazione.

Prospettive e direzioni di ricerca future

Il futuro dell'imballaggio elettronico sarà modellato da tre megatrend: integrazione eterogenea, imballaggio 3D, e l'aumento dei semiconduttori a larga banda (come GaN e SiC). Integrazione eterogenea combina chip di diverse funzioni (logic, memoria, analogico) in un unico pacchetto, esigenti pile multi-materiali con un'eccellente compatibilità termica e meccanica.

I ricercatori utilizzano modelli computazionali per prevedere la conducibilità termica di nuovi compositi, la morfologia del filler ideale e l'affidabilità a lungo termine dei sistemi materiali. Le piattaforme sperimentali automatizzate possono sintetizzare e testare centinaia di formulazioni materiali al giorno. Questo approccio combinatorio accorcierà il ciclo di sviluppo e identificare sinergie inaspettate. Un'altra direzione promettente è i materiali auto-riparatori che possono riparare i pacchetti automobilistici.

Molti materiali tradizionali contengono piombo, alomi o terre rare, e si cercano materiali alternativi che siano eco-compatibili e riciclabili. I Graphene e i MOF sono a base di carbonio e potenzialmente più sostenibili, anche se la loro produzione richiede ancora processi ad alta intensità energetica. L'industria si sta muovendo verso polimeri bio-derivi e riempitivi naturali, ma le loro prestazioni attualmente si pongono dietro opzioni sintetiche.

Conclusioni

I materiali emergenti per l'imballaggio elettronico ad alte prestazioni non sono solo miglioramenti incrementali, ma sono abilitatori di future capacità di dispositivo. Graphene, nanotubi di carbonio, MOF, compositi polimerici in ceramica, metalli liquidi e materiali 2D portano a proprietà uniche che rispondono alle esigenze di gestione termica, prestazioni elettriche e affidabilità.

Per ulteriori informazioni, vedere la roadmap della IEEE Electronics Packaging Society sui materiali di imballaggio avanzati (IEEE EPS) e gli articoli di revisione recenti in Materiali Natura e il Journal of Electronic Packaging.