Materiales de sustrato cerámico para aplicaciones de sistema en paquete (SiP)

Materiales de sustrato cerámico para aplicaciones de sistema en paquete (SiP)

La tecnología System-in-Package (SiP) integra múltiples componentes pasivos y activos con diferentes funciones en un único paquete, formando un módulo estandarizado que ofrece funcionalidad a nivel de sistema o subsistema. Para satisfacer las demandas del mercado de mayor funcionalidad, menor tamaño y peso, y menor coste total, SiP se ha convertido en una de las principales tendencias de desarrollo en el empaquetado avanzado.

1. Requisitos del material del sustrato para SiP

Los sustratos de SiP deben exhibir excelentes propiedades mecánicas, dieléctricas, térmicas y eléctricas, además de ser fáciles de conformar, procesar y rentables. Los requisitos clave incluyen:

①Baja constante dieléctrica (Dk)

La velocidad de transmisión de la señal se ve fuertemente afectada por la constante dieléctrica y la distancia de propagación. Un valor de Dk más bajo permite una propagación de la señal más rápida.

② Baja pérdida dieléctrica (Df)

Durante la conducción eléctrica y la polarización por relajación, parte de la energía electromagnética se convierte en calor. Las bajas pérdidas dieléctricas reducen significativamente la acumulación de calor dentro del sustrato.

③ Alta conductividad térmica

A medida que aumentan la densidad de chips, los niveles de potencia y las velocidades de conmutación, la generación de calor se incrementa drásticamente. Una mayor conductividad térmica permite una rápida disipación del calor en chips densamente integrados.

④ Coeficiente de dilatación térmica (CTE) adecuado

La diferencia en el coeficiente de dilatación térmica (CTE) entre el sustrato y el chip genera estrés térmico durante el funcionamiento, lo que puede provocar fatiga en las uniones de soldadura, delaminación o incluso daños en el chip. Los materiales del sustrato deben tener un CTE muy similar al del dispositivo.

⑤Excelente resistencia mecánica

Se requiere una alta resistencia a la flexión y un módulo elástico elevado para minimizar la deformación durante la sinterización, mantener la precisión dimensional y garantizar la robustez mecánica durante el montaje y el uso.

2. Materiales de sustrato cerámico para SiP

Los sustratos cerámicos proporcionan tanto soporte mecánico como aislamiento eléctrico en los módulos SiP. Tradicionalmente, el Al₂O₃ y el BeO han sido los materiales predominantes; sin embargo:

• Alabama₂EL₃ Presenta baja conductividad térmica y un desajuste en el coeficiente de dilatación térmica (CTE) con el silicio.
• El BeO ofrece un rendimiento excepcional, pero es caro y altamente tóxico, lo que limita su adopción.

Teniendo en cuenta el rendimiento, el coste y los factores medioambientales, estos materiales ya no satisfacen plenamente las necesidades de los semiconductores modernos de alto rendimiento. Por ello, en los últimos años se ha desarrollado ampliamente el uso de materiales como el AlN y el LTCC.

①Nitruro de aluminio (AlN)

Las arquitecturas SiP apiladas generan una mayor densidad de calor debido a la concentración de fuentes de calor, mientras que el área del disipador no aumenta proporcionalmente. El acoplamiento térmico entre los chips apilados intensifica aún más los desafíos térmicos. Los componentes pasivos integrados también introducen una carga térmica adicional. Por lo tanto, la elección de sustratos cerámicos de alta conductividad térmica es esencial para la gestión térmica de los SiP.

El AlN es una cerámica con estructura de wurtzita que presenta las siguientes características:

• Conductividad térmica de hasta 170 W/(m·K)
• CTE de 4,2×10^-6°C⁻¹, muy similar a Si, GaAs y GaN
• Alta resistencia mecánica y excelente densificación, lo que garantiza la hermeticidad.
• Constante dieléctrica baja, que permite un funcionamiento de alta potencia y alta frecuencia.

Por lo tanto, el AlN es uno de los materiales de sustrato y encapsulado preferidos para dispositivos SiP de alta potencia, gran formato y con un elevado número de pines.

②Cerámica cocida a baja temperatura (LTCC)

La tecnología LTCC utiliza materiales de película gruesa y cuece simultáneamente capas cerámicas, electrodos y componentes pasivos integrados en un único proceso, lo que la convierte en un elemento clave para la integración de SiP. LTCC ofrece:

• Bajas pérdidas dieléctricas y excelente estabilidad de alta frecuencia.
• Compatibilidad de CTE con circuitos integrados
• Fácil integración con chips
• Cableado multicapa de alta densidad y estructuras pasivas 3D

Estas ventajas permiten la creación de módulos de sistema de alta densidad, compactos y multifuncionales.

Ventajas clave de los SiP basados ​​en LTCC:

① Capacidad de interconexión multicapa

Mejora notablemente la densidad de integración del sistema.

② Componentes pasivos integrados y estructuras funcionales

Las cavidades, los dispositivos enterrados y las redes pasivas 3D reducen la longitud de los conductores, disminuyen los efectos parásitos de las interconexiones, aumentan la densidad del cableado y simplifican los circuitos externos, lo que mejora la eficiencia del ensamblaje y reduce el coste del sistema.

③ Amplia capacidad de ajuste de las constantes dieléctricas

Ajustando la composición de los materiales o mediante la cocción conjunta de diferentes materiales, los sustratos LTCC pueden adaptarse a diversas aplicaciones de radiofrecuencia, microondas y señales mixtas.

Las bajas temperaturas de cocción permiten el uso de conductores de Au, Ag y Cu, minimizando las pérdidas de interconexión, lo que resulta ideal para circuitos de alta frecuencia y alta velocidad.

④ Excelente gestión térmica

La conductividad térmica del LTCC, junto con las estructuras de relleno de las vías, mejora la disipación de calor vertical.

⑤ Compatibilidad con CTE

Los valores de CTE similares a los de Si, GaAs e InP permiten la conexión directa del chip y un rendimiento fiable a largo plazo.

3. Tendencias futuras

A medida que aumenta la densidad de empaquetado y se diversifica la funcionalidad de los sistemas, el rendimiento de los materiales monofásicos ya no es suficiente. Los futuros sustratos de empaquetado electrónico tenderán hacia cerámicas compuestas multifásicas, que combinarán propiedades complementarias para satisfacer las demandas de los sistemas semiconductores de próxima generación.