Keramische Substratmaterialien für System-in-Package (SiP)-Anwendungen

Keramische Substratmaterialien für System-in-Package (SiP)-Anwendungen

Die System-in-Package-Technologie (SiP) integriert mehrere passive und aktive Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen in ein einziges Gehäuse und bildet so ein standardisiertes Modul, das Funktionalität auf System- oder Subsystemebene bereitstellt. Um den Marktanforderungen nach erhöhter Systemfunktionalität, reduziertem Volumen und Gewicht sowie niedrigeren Gesamtkosten gerecht zu werden, hat sich SiP zu einem der wichtigsten Entwicklungstrends im Bereich Advanced Packaging entwickelt.

1. Anforderungen an das Substratmaterial für SiP

SiP-Substrate müssen hervorragende mechanische, dielektrische, thermische und elektrische Eigenschaften aufweisen und gleichzeitig einfach zu formen, zu verarbeiten und kostengünstig sein. Zu den wichtigsten Anforderungen gehören:

① Niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk)

Die Signalübertragungsgeschwindigkeit wird maßgeblich von der Dielektrizitätskonstante und der Ausbreitungsdistanz beeinflusst. Ein niedrigerer Dk-Wert ermöglicht eine schnellere Signalausbreitung.

②Geringe dielektrische Verluste (Df)

Bei der elektrischen Leitung und Relaxationspolarisation wird ein Teil der elektromagnetischen Energie in Wärme umgewandelt. Geringe dielektrische Verluste reduzieren die Wärmeentwicklung im Substrat erheblich.

③Hohe Wärmeleitfähigkeit

Mit steigender Chipdichte, Leistungsaufnahme und Schaltgeschwindigkeit nimmt die Wärmeentwicklung stark zu. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine schnelle Wärmeableitung von dicht integrierten Chips.

④ Geeigneter Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

Eine unterschiedliche Wärmeausdehnung (CTE) zwischen Substrat und Chip erzeugt im Betrieb thermische Spannungen, die zu Lötstellenermüdung, Delamination oder sogar Chipbeschädigung führen können. Das Substratmaterial muss daher eine möglichst genaue Übereinstimmung mit der Wärmeausdehnung des Bauteils aufweisen.

⑤ Ausgezeichnete mechanische Festigkeit

Eine hohe Biegefestigkeit und ein hoher Elastizitätsmodul sind erforderlich, um Verformungen während des Sinterprozesses zu minimieren, die Maßgenauigkeit zu gewährleisten und die mechanische Robustheit bei Montage und Gebrauch sicherzustellen.

2. Keramische Substratmaterialien für SiP

Keramische Substrate dienen in SiP-Modulen sowohl der mechanischen Stabilität als auch der elektrischen Isolation. Traditionell waren Al₂O₃ und BeO die dominierenden Materialien; jedoch:

• Al₂DER₃ leidet unter geringer Wärmeleitfähigkeit und einer CTE-Fehlanpassung zu Si.
• BeO bietet zwar hervorragende Leistung, ist aber teuer und hochgiftig, was seine Verbreitung einschränkt.

Unter Berücksichtigung von Leistung, Kosten und Umweltverträglichkeit können diese Materialien die Anforderungen moderner Hochleistungshalbleiter nicht mehr vollständig erfüllen. Daher wurden AlN- und LTCC-Materialien in den letzten Jahren intensiv weiterentwickelt.

① Aluminiumnitrid (AlN)

Gestapelte SiP-Architekturen erzeugen eine erhöhte Wärmedichte, da die Wärmequellen konzentriert sind, während die Kühlfläche nicht proportional wächst. Die Wärmekopplung zwischen den gestapelten Chips verstärkt die thermischen Herausforderungen zusätzlich. Eingebettete passive Bauelemente verursachen ebenfalls eine zusätzliche Wärmelast. Daher ist die Wahl von Keramiksubstraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit für das Wärmemanagement von SiP unerlässlich.

AlN ist eine Keramik mit Wurtzitstruktur, die folgende Eigenschaften aufweist:

• Wärmeleitfähigkeit bis zu 170 W/(m·K)
• CTE von 4,2×10^-6°C⁻¹, eng angepasst an Si, GaAs und GaN
• Hohe mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Verdichtung gewährleisten die Hermetizität
• Niedrige Dielektrizitätskonstante, die einen Betrieb mit hoher Leistung und hoher Frequenz ermöglicht

AlN ist daher eines der bevorzugten Substrat- und Gehäusematerialien für Hochleistungs-SiP-Bauelemente mit großem Formfaktor und hoher Pin-Anzahl.

② Niedertemperatur-Kobrandkeramik (LTCC)

Die LTCC-Technologie nutzt Dickschichtmaterialien und brennt Keramikschichten, Elektroden und eingebettete passive Bauelemente in einem einzigen Prozess zusammen. Dadurch ist sie ein Schlüsselfaktor für die SiP-Integration. LTCC bietet:

• Geringe dielektrische Verluste und ausgezeichnete Hochfrequenzstabilität
• CTE-Kompatibilität mit ICs
• Einfache Integration mit Chips
• Hochdichte Mehrschichtverdrahtung und passive 3D-Strukturen

Diese Vorteile ermöglichen hochdichte, kompakte und multifunktionale Systemmodule.

Wichtigste Vorteile von LTCC-basierten SiP:

① Mehrschichtige Verbindungsfähigkeit

Erhöht die Systemintegrationsdichte erheblich.

② Eingebettete passive Bauelemente und Funktionsstrukturen

Hohlräume, vergrabene Bauelemente und passive 3D-Netzwerke reduzieren die Leiterlänge, senken die parasitären Effekte der Verbindungen, erhöhen die Verdrahtungsdichte und vereinfachen die externe Schaltung – was die Montageeffizienz verbessert und die Systemkosten senkt.

③ Breiter Einstellbereich der Dielektrizitätskonstanten

Durch die Anpassung der Materialzusammensetzung oder das gemeinsame Brennen verschiedener Materialien können LTCC-Substrate für diverse HF-, Mikrowellen- und Mixed-Signal-Anwendungen maßgeschneidert werden.

Niedrige Brenntemperaturen ermöglichen die Verwendung von Au-, Ag- und Cu-Leitern und minimieren so die Verbindungsverluste – ideal für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

④ Ausgezeichnetes Wärmemanagement

Die Wärmeleitfähigkeit von LTCC verbessert zusammen mit den Via-Füllstrukturen die vertikale Wärmeableitung.

⑤ CTE-Kompatibilität

Ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie bei Si, GaAs und InP ermöglichen die direkte Chipbefestigung und eine zuverlässige Langzeitleistung.

3. Zukunftstrends

Da die Packungsdichte stetig steigt und die Systemfunktionalität immer vielfältiger wird, reichen einphasige Materialien nicht mehr aus. Zukünftige Substrate für die Elektronikverpackung werden daher auf mehrphasigen Verbundkeramiken basieren, die komplementäre Eigenschaften kombinieren, um den Anforderungen von Halbleitersystemen der nächsten Generation gerecht zu werden.