Введение в электронную упаковку

Электронная упаковка - это наука и техника по включению, защите и соединению полупроводниковых устройств и других электронных компонентов в функциональные системы. Она обеспечивает механическую поддержку, электрическую связь, управление температурой и защиту от факторов окружающей среды, таких как влага, пыль и вибрация. По мере того, как потребительская электроника сокращается, вычислительные требования растут, а такие отрасли, как автомобильная и аэрокосмическая, требуют все большей надежности, традиционные упаковочные материалы часто не дотягивают. Эпоксидные смолы, медные свинцовые рамы и паяльные сплавы были рабочими лошадками в течение десятилетий, но их ограничения в теплопроводности, коэффициенте теплового расширения (CTE) и электрических характеристиках на высоких частотах становятся острыми узкими местами. Толчок к миниатюризации, более высокой плотности мощности и более быстрым скоростям сигнала требует нового поколения упаковочных материалов, которые могут обрабатывать экстремальные условия без ущерба для производительности или надежности. В этой статье рассматриваются наиболее перспективные новые материалы, которые изменяют высокопроизводительную электронную упаковку, их свойства, приложения и проблемы, которые остаются до того,

Основные свойства, необходимые в современных упаковочных материалах

Чтобы понять, почему новые материалы так важны, сначала необходимо рассмотреть критические показатели эффективности, которым должны соответствовать современные упаковочные материалы.

  • Теплопроводность — Высокий уровень рассеивания тепла необходим для предотвращения горячих точек и обеспечения долговечности устройства. Традиционные полимеры имеют низкую проводимость (~0,2–0,5 Вт/мК), тогда как передовые материалы нацелены на 10–100+ Вт/мК.
  • Коэффициент теплового расширения (CTE) — близкое соответствие с кремнием (около 2,6 ppm/°C) снижает тепловое напряжение и предотвращает растрескивание. Несоответствия приводят к расслоению и усталости.
  • Диэлектрическая постоянная (Dk) и коэффициент рассеивания (Df) — Низкие и стабильные значения Dk/Df минимизируют потерю сигнала и перекрестные разговоры в высокочастотных приложениях, таких как 5G и радар.
  • Механическая прочность и гибкость (FLT: 1) - Материалы должны выдерживать сборочные напряжения, тепловой цикл и иногда изгиб в гибкой электронике.
  • Адгезия и совместимость с процессом — материал должен хорошо связываться с подложками, соединениями плесени и слоями металлизации и быть совместимым с существующими методами изготовления, такими как ламинирование, литье под давлением или распыление.
  • Влажность и химическая стойкость — Защита от влажности, коррозии и растворителей необходима для долгосрочной надежности.

Ни один материал не превосходит во всех областях, поэтому цель состоит в том, чтобы спроектировать композиты или новые вещества, которые уравновешивают эти свойства для конкретных применений. Новые материалы, описанные ниже, решают одну или несколько из этих проблем с превосходящими традиционными вариантами.

Новые материалы, преобразующие электронную упаковку

Графен и углеродные наноматериалы

Графен, один атомный слой атомов углерода, расположенных в гексагональной сотовой решетке, вызвал огромный интерес из-за его экстраординарных свойств. Его термопроводность в плоскости превышает 5000 Вт/мК, что делает его одним из лучших теплопроводников. Электрически, графен предлагает высокую мобильность несущих и низкое сопротивление. Эти характеристики идеально подходят для материалов с термоинтерфейсом (TIM) и в качестве наполнителей в полимерных композитах. Исследователи разработали графен-наполненные эпоксидные клеи, которые достигают теплопроводности 10-20 Вт/мК при низкой нагрузке фракций, по сравнению с менее чем 1 Вт/мК для чистой эпоксидной. Графен также показывает перспективу в обеспечении ультратонкой, гибкой упаковки слоев из-за его механической прочности и гибкости. Однако, проблемы остаются в производстве больших областей, без дефектов графен при низкой стоимости, и в обеспечении хорошей дисперсии в матричных материалах, чтобы избежать агломерации. Углеродные нанотрубки (CNT) предлагают аналогичные преимущества - высокая

Металлоорганические структуры (MOF)

Металлоорганические каркасы представляют собой класс пористых кристаллических материалов, построенных из ионов металлов, скоординированных с органическими линкерами. Их сверхвысокие площади поверхности и настраиваемые размеры пор делают их полезными для хранения, разделения и катализа газа. В электронной упаковке MOFs появляются для двух основных ролей: терморегуляции и газобарьерных пленок. Включая частицы MOF в полимерные матрицы, исследователи имеют повышенную теплопроводность на 400% по сравнению с аккуратными полимерами. Пористая структура позволяет осуществлять транспортировку фононов, в то время как металлические центры способствуют теплопередаче. Кроме того, MOF со специфической химией пор могут блокировать влагу и кислородное проникновение, служа защитными покрытиями для чувствительных органических полупроводников. Например, тонкая пленка гидрофобного MOF может снижать скорость передачи водяного пара на несколько порядков, защищая компоненты от коррозии. Текущие ограничения включают стоимость синтеза, стабильность при высокотемпературной обработке (например, переливная пайка) и совместимость со стандартными рабочими процесса

Керамо-полимерные композиты

Керамика, такая как глинозем, нитрид алюминия и нитрид бора, предлагает высокую теплопроводность и низкий CTE, но они хрупкие и трудные для обработки. Полимеры гибкие и простые в формовке, но имеют низкую теплопроводность. Керамические полимерные композиты объединяют лучшее из обоих миров. Путем диспергирования керамических наполнителей (частицы, волокна или даже ориентированные хлопья) в полимерную матрицу, производители достигают теплопроводности в диапазоне 1-15 Вт / мК при сохранении механической гибкости и перерабатываемости. Композиты борного нитрида (BN) особенно привлекательны, потому что BN имеет высокую теплопроводность (до 600 Вт / мК в плоскости для шестиугольного BN) и электрически изоляционны, что имеет решающее значение для избегания шорт. Эти композиты используются в качестве тепловых подушечек, зазорных наполнителей и материалов подложки в силовой электронике, светодиодном освещении и аккумуляторных системах. Последние достижения включают использование выровненных на

Жидкий металл Термический интерфейс Материалы

Жидкие металлы, такие как сплавы на основе галлия (например, Galinstan, эвтектический Ga-In-Sn), набирают тягу как TIMs из-за их чрезвычайно высокой теплопроводности (28-39 Вт / мК) и способности идеально соответствовать шероховатым поверхностям. В отличие от твердых TIMs, они не требуют отверждения и могут применяться в качестве тонкого слоя, который остается в жидком состоянии в широком температурном диапазоне (до -19 ° C для некоторых сплавов). Это делает их идеальными для мощных чипов, лазерных диодов и автомобильных силовых модулей, где тепловой поток может превышать 500 Вт / см2. Однако жидкие металлы являются электропроводящими и могут вызывать короткие замыкания, если они текут или мигрируют, поэтому необходима тщательная инкапсуляция. Они также имеют тенденцию к коррозии алюминия и меди, вызванной галлием, требуя защитных покрытий или альтернативной металлизации. Несмотря на эти проблемы, несколько компаний теперь предлагают жидкие металлические пасты для энтузиастов PC-строит

Нитрид бора и другие 2D материалы

Помимо графена изучаются и другие двумерные материалы для упаковки. Гексагональный нитрид бора (h-BN) является электрическим изолятором с высокой теплопроводностью, что делает его естественным кандидатом на диэлектрические теплораспределители. Тонкие пленки h-BN, выращенные химическим осаждением паров (CVD), могут служить пассивирующими слоями, которые также рассеивают тепло. Дисульфид молибдена (MoS2) и другие дихалькогениды переходных металлов (TMD) исследуются для гибкой и прозрачной электроники, но их использование в упаковке еще рано. Способность укладывать различные 2D-материалы в гетероструктурах ван дер Ваальса открывает возможности для многофункциональных пленок, которые сочетают в себе управление теплом, электрическую изоляцию и барьерные свойства в одном слое толщиной в несколько атомов. Основными препятствиями являются синтез больших областей, передача без загрязнения и долгосрочная стабильность окружающей среды. Тем не менее, 2D-материалы представляют собой долгосрочную границу для окончательной миниатюризации и производительности.

Преимущества и проблемы внедрения новых материалов

Преимущества этих материалов очевидны: более высокая теплопроводность, лучшие электрические характеристики, уменьшенный вес и толщина, а также способность работать при более высоких температурах и частотах. Например, TIM на основе графена могут снизить температуры соединения на 10-20 ° C по сравнению с обычными смазками, непосредственно повышая надежность и обеспечивая более высокую плотность мощности. Керамо-полимерные композиты позволяют заменять твердые керамические подложки гибкими ламинатами, снижая вес и стоимость системы. MOF и 2D покрытия обеспечивают беспрецедентную производительность барьера, продлевая срок службы чувствительных к влаге устройств.

Тем не менее, проблемы столь же значительны. Масштабируемость остается самым большим препятствием. Производство высококачественного графена, h-BN или MOFs в тоннах в количествах по разумной цене оказалось трудным. Многие методы синтеза представляют собой пакетные процессы с ограниченным выходом. Интеграция в существующие производственные линии требует, чтобы новые материалы были совместимы со стандартными процессами, такими как рефлекторный отток припоя (пик 260°C), проволочное склеивание и инкапсуляция. Стоимость Стоимость является еще одним барьером: в то время как графен был когда-то чрезвычайно дорогим, цены упали, но все еще превышают данные обычных наполнителей для многих применений. Надежность [

Для решения этих проблем необходимо сотрудничество в промышленности. Такие консорциумы, как IEEE Electronics Packaging Society и International Microelectronics Assembly and Packaging Society (IMAPS), способствуют исследованиям и стандартизации. Несколько университетов и национальных лабораторий имеют специальные программы для передовых упаковочных материалов, и многие стартапы коммерциализируют нишевые решения. По мере увеличения объемов производства и модификации процессов баланс затрат и производительности этих материалов будет улучшаться.

Интеграция в реальный мир производства

Успешное развертывание новых материалов зависит не только от свойств материала, но и от того, насколько хорошо они могут быть включены в существующие рабочие процессы изготовления. Например, заполненные графеном эпоксидные материалы могут использоваться в качестве замены для традиционных паст с недостаточным наполнением или TIM, если они отвечают требованиям вязкости и отверждения. Однако высокие нагрузки наполнителя часто увеличивают вязкость, что затрудняет раздачу. Это можно решить с помощью гибридных наполнителей (например, графен плюс более крупные хлопья BN) для поддержания потока при повышении проводимости. Жидкие металлы требуют специализированного оборудования для раздачи и инкапсуляции для предотвращения утечки - некоторые упаковки используют прокладку или пористую керамическую матрицу для содержания жидкости. Керамические полимерные композиты уже широко используются в качестве препрегов в печатных платах и встроенных кристаллических приложениях. MOF и 2D пленки все еще в значительной степени исследуются на стадии исследования и прототипирования, но обработка рулона и осаждение атомного слоя (ALD) исследуются для масштабируемого производства. В целом тенденция к совместному

Будущие перспективы и направления исследований

Будущее электронной упаковки будет формироваться тремя мегатрендами: гетерогенная интеграция, 3D-упаковка и рост полупроводников с широким диапазоном (таких как GaN и SiC). Гетерогенная интеграция объединяет чипы различных функций (логика, память, аналог) в единую упаковку, требуя многоматериальных стеков с отличной термической и механической совместимостью. 3D-упаковка через сложенные штампы и сквозные сумы (TSV) создает экстремальные проблемы управления температурой - тепло должно рассеиваться через несколько слоев, требуя материалов с анизотропной проводимостью и низким тепловым сопротивлением. Широкополосные устройства работают при температурах выше 200 ° C и переключающих частотах выше 10 МГц, что исключает многие традиционные упаковочные материалы, такие как высокотемпературные полиимиды с наполнителями BN, спекаемым серебром (для штамповки), и жидкие металлы уже тестируются в этих суровых условиях.

Искусственный интеллект и машинное обучение ускоряют открытие материалов. Исследователи используют вычислительные модели для прогнозирования теплопроводности новых композитов, идеальной морфологии наполнителей и долгосрочной надежности материальных систем. Автоматизированные экспериментальные платформы могут синтезировать и тестировать сотни составов материалов в день. Этот комбинаторный подход сократит цикл разработки и выявит неожиданные синергии. Еще одним перспективным направлением являются самозаживляющиеся материалы, которые могут ремонтировать микротрещины, вызванные тепловым циклом, продлевая срок службы упаковок в автомобильных и аэрокосмических системах.

На выбор материалов также влияют нормативные требования и требования к устойчивости. Многие традиционные материалы содержат свинец, галогены или редкоземельные элементы, а также ищут альтернативные материалы, которые являются экологически чистыми и пригодными для вторичной переработки. Графен и МОФы основаны на углероде и потенциально более устойчивыми, хотя их производство по-прежнему требует энергоемких процессов. Промышленность движется в сторону биопроизводных полимеров и натуральных наполнителей, но их производительность в настоящее время отстает от синтетических вариантов.

Заключение

Новые материалы для высокопроизводительной электронной упаковки - это не просто постепенные улучшения - они являются инструментами будущих возможностей устройств. Графен, углеродные нанотрубки, MOF, керамические полимерные композиты, жидкие металлы и 2D-материалы приносят уникальные свойства, которые отвечают насущным потребностям терморегулирования, электрических характеристик и надежности. В то время как масштабируемость и проблемы интеграции сохраняются, темпы инноваций ускоряются, обусловленные спросом со стороны высокопроизводительных вычислений, электромобилей, связи 5G / 6G и аэрокосмической промышленности. Материалологи и инженеры по упаковке тесно сотрудничают, и с продолжающимися инвестициями в исследования, эти передовые материалы будут переходить от лабораторных любопытств к основным решениям. Результатом будет электроника, которая быстрее, холоднее, меньше и надежнее, чем когда-либо прежде, - питание следующего поколения технологий.

Для дальнейшего чтения см. дорожную карту Общества по упаковке электроники IEEE по передовым упаковочным материалам (IEEE EPS) и последние обзорные статьи в Nature Materials и Журнале электронной упаковки.