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SIP中陶瓷基板材料的未来发展趋势


来源:电子发烧友网

中国粉体网讯  各种电子系统的封装密度不断提高、功能日趋多样化,目前现有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。


(1)具有系列化性能的材料体系的研究


SIP会在一个封装单元内涉及到多种芯片、多种互连、多种封装、多种组装和多种测试,因此必然要求其材料具有多种性能。比如,材料的介电常数应实现9~95的可调性系列化;热膨胀系数系列化可以使得基板与多种芯片和封装结构匹配良好,增加整个模块的可靠性;收缩率系列化可调性能够满足不同陶瓷材料的共烧等等。因此,系列化的陶瓷材料能够很好地实现SIP对材料性能的多样化需求,满足光、机、电等方面对封装的要求。


单一塑料封装材料、金属封装材料和陶瓷封装材料应用于SIP时均存在这样或那样的缺点,因此需要找到一种材料具有良好的综合性能。复合材料是由一种或几种材料组合在一起,具有组分材料的各项优异性能,是解决SIP对材料多样化要求的可行性途径。


(2)超高导热陶瓷材料的研究


随着电子晶片不断向高性能、高速度和高集成度的方向发展,电子元件的发热量及相对热流量越来越高,散热问题逐渐成为电子元器件要解决的关键技术之一。为了实现系统的功能多样,SIP必然也与高导热材料有密不可分的关系。


解决电子元器件的散热问题,除采用更高效的冷却技术外,热导率介于300~400W/m·K之间的高热导材料和热导率大于400W/m·K的超高热导材料,且具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数的新型封装材料越来越成为目前的研究热点。


碳质材料具有极高的热导率,而且密度小,部分材料具有很高的强度,是未来封装材料中必不可少的一类材料,也会在SIP中起到重要作用。特别是,第四代芯片材料石墨烯也是碳质材料,采用同类材料对其进行封装在热膨胀匹配性必然具有其他材料不可比拟的优势。碳质材料主要包括:金刚石、碳纤维碳纳米管等。但目前由于技术上的局限性,各种碳质材料主要作为第二项添加剂,提高复合材料的热导率。今后主要研究方向是三维碳质材料,例如金刚石的成型烧结技术、碳纤维的三维编制技术、C/C复合材料制备技术等。


(3)新型纳米陶瓷的开发


采用诸如溶胶-凝胶法、共沉淀法等纳米粉体的合成工艺制备的新型纳米陶瓷粉体具有很多传统陶瓷材料不具备的性能。例如,Si-AI-O-N材料可能就即具有AIN材料高导热的特性,又具有氮化硅的高强度和氧化硅的良好的介电性能;AI-B-N材料由于原子级的复合可能就比传统的AIN/BN复合材料具有更优异的导热性能而且烧结温度可能更低。因此,新型纳米陶瓷的开发将促进SIP技术的发展。


(4)低维材料的开发


为了满足高密度、高频率、高集成化的要求,封装向三维立体方向发展,而且内部具体的结构单元引入轻薄化的低维结构,薄膜材料已经被广泛应用到高密度封装领域。今后,随着电子元器件小型化要求越来越高,传统的三维材料甚至二维材料可能都不能满足要求,封装材料单元很有可能向一维材料(纤维或晶须)发展。例如,可以采用低K值陶瓷纤维布替代陶瓷基板起到绝缘作用;陶瓷纤维布表面或内部可用亚微米级金属纤维进行布线起到导通电路作用;采用高热导率碳纤维替代散热基片起散热作用;最后再用具有一定强度的密封性良好的材料密封承载。这样既能保证系统功能实现,又可以利用纤维材料的柔性使封装部分紧贴芯片减少封装面积,而且金属纤维更细导通性良好。SIP内植入某种晶须状材料,起到某种元件作用;制备晶须或纤维复合陶瓷基板,通过定向排列的一维材料,达到良好的散热作用,而基体材料可以采用机械性能良好材料起到良好的支撑作用。这些都对SIP的小型化和功能集成化起到革命性作用。


集成微系统技术逐渐成为电子器件小型化的主要发展方向,其内部集成多种类型的芯片对外部封装结构提出了更多样的需求。SIP技术能够很好地满足集成微系统封装多样性的要求。但是,首先需要从基础的基板材料进行相关的研究,实现材料性能的系列化和多样化,才能满足系统对封装的多样化需求。

(中国粉体网编辑整理/山川)

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