【技术】SIP技术的概念、特点及使用陶瓷基板材料的优缺点和未来发展趋势

时间： 2021-09-26 来源：矽池半导体

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系统级封装技术能够将不同类型的元件通过不同的技术混载于同一封装之内，是实现集成微系统封装的重要技术，在航空航天、生命科学等领域中有广阔的应用前景。陶瓷基板材料是系统级封装技术的基础材料之一。本文矽池半导体介绍了系统级封装技术的概念及其特点，分析几种系统级封装用陶瓷基板材料的优缺点，同时指出了陶瓷基板材料的未来发展趋势。

系统级封装技术（SIP技术）是指将不同类型的元件通过不同的技术混载于同一封装之内。图１给出了某种典型的SIP高密度电子集成模块的横切面，这是在一块核心基板（Core）上根据需要逐层造出各元件连线层，各有源无源元件埋入层，光学系统层等；再在造好的基板上用倒装形式（Flip-Chip）或线焊（Wire-Bonding）方式安装上各个IC和MEMS，也包括不能埋入的无源元件和传感器。根据上述实例SIP具有以下优点：①封装效率高，可在同一封装体内加多个芯片，减少了封装体积；②兼容性好，实现了不同的工艺、材料制作的芯片封装成一个系统，并可实现嵌入集成无源组件的梦幻组合；③电性能好，SIP技术可以使多个封装合为一体，这样在减少了总的焊点数的同时显著减小了封装体积、重量，缩短了组件的连接路线，提高了电性能；④SIP可提供低功耗和低噪音的系统级连接，在较高的频率下工作可获得几乎与系统级芯片（SoC）相等的总线宽度；⑤系统成本低、开发时间短，由于可以大量采用成熟器件，SIP无论从研发成本、生产成本方面和研发周期方面均低于SOC。

但是，SIP是一庞大的系统工程，涉及到多种材料（半导体材料、陶瓷材料、金属材料、金属基复合材料）、多种芯片（逻辑芯片、数字芯片、模拟芯片、功率芯片）、多种互连（高密度多层互连、芯片与芯片互连、倒装焊、线键合）、多种封装（BGA、CSP、无源集成）、多种组装（封装堆叠、芯片堆叠、高精度组装）和多种测试（裸片测试、封装测试、系统测试）等。其中，陶瓷基板材料是SIP的基础材料之一，对电路起到支撑和绝缘的作用，如图１中大部分灰色部分均由陶瓷材料组成。

只有制备出各项性能优异的封装材料，才能实现SIP多种封装结构、组装方式等。具体来说，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ε。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tgδ。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；

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。

长期以来，绝大多数陶瓷基板材料一直沿用AI₂O₃和BeO陶瓷，但AI₂O₃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。