Matériaux de substrat céramique pour applications de systèmes intégrés (SiP)

Matériaux de substrat céramique pour applications de systèmes intégrés (SiP)

La technologie SiP (System-in-Package) intègre plusieurs composants passifs et actifs aux fonctions différentes dans un seul boîtier, formant un module standardisé offrant des fonctionnalités au niveau système ou sous-système. Afin de répondre aux exigences du marché en matière de fonctionnalités système accrues, de taille et de poids réduits, et de coût global inférieur, la technologie SiP est devenue l'une des principales tendances de développement dans le domaine de l'encapsulation avancée.

1. Exigences relatives aux matériaux de substrat pour les SiP

Les substrats SiP doivent présenter d'excellentes propriétés mécaniques, diélectriques, thermiques et électriques, tout en étant faciles à mettre en forme, à traiter et économiques. Les principales exigences sont les suivantes :

①Faible constante diélectrique (Dk)

La vitesse de transmission du signal est fortement influencée par la constante diélectrique et la distance de propagation. Une constante diélectrique (Dk) plus faible permet une propagation plus rapide du signal.

② Faibles pertes diélectriques (Df)

Lors de la conduction électrique et de la polarisation de relaxation, une partie de l'énergie électromagnétique est convertie en chaleur. De faibles pertes diélectriques réduisent considérablement l'accumulation de chaleur au sein du substrat.

③ Conductivité thermique élevée

L'augmentation de la densité des puces, des niveaux de puissance et des vitesses de commutation entraîne une forte hausse de la production de chaleur. Une conductivité thermique plus élevée permet une dissipation thermique rapide des puces à forte densité d'intégration.

④Coefficient de dilatation thermique (CTE) approprié

Un écart de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le substrat et la puce génère des contraintes thermiques en fonctionnement, provoquant la fatigue des joints de soudure, le délaminage, voire l'endommagement de la puce. Les matériaux du substrat doivent présenter un CTE très proche de celui du composant.

⑤ Excellente résistance mécanique

Une résistance à la flexion et un module d'élasticité élevés sont nécessaires pour minimiser la déformation pendant le frittage, maintenir la précision dimensionnelle et assurer la robustesse mécanique lors de l'assemblage et de l'utilisation.

2. Matériaux de substrat céramique pour SiP

Les substrats céramiques assurent à la fois le support mécanique et l'isolation électrique des modules SiP. Traditionnellement, Al₂O₃ et BeO étaient les matériaux dominants ; cependant :

• Al₂LE₃ Elle souffre d'une faible conductivité thermique et d'un désaccord de coefficient de dilatation thermique avec le silicium.
• L'oxyde de béryllium (BeO) offre des performances exceptionnelles, mais il est coûteux et très toxique, ce qui limite son adoption.

Compte tenu de leurs performances, de leur coût et de leur impact environnemental, ces matériaux ne répondent plus pleinement aux besoins des semi-conducteurs modernes hautes performances. C'est pourquoi les matériaux AlN et LTCC ont fait l'objet d'un développement important ces dernières années.

① Nitrure d'aluminium (AlN)

Les architectures SiP empilées génèrent une densité de chaleur accrue car les sources de chaleur sont concentrées tandis que la surface du dissipateur thermique n'augmente pas proportionnellement. Le couplage thermique entre les puces empilées accentue encore les problèmes de dissipation thermique. Les composants passifs intégrés introduisent également une charge thermique supplémentaire. Par conséquent, le choix de substrats céramiques à haute conductivité thermique est essentiel pour la gestion thermique des SiP.

AlN est une céramique à structure wurtzite présentant les caractéristiques suivantes :

• Conductivité thermique jusqu'à 170 W/(m·K)
• CTE de 4,2×10^-6°C⁻¹, très proche de Si, GaAs et GaN
• Haute résistance mécanique et excellente densification, assurant l'herméticité
• Faible constante diélectrique, permettant un fonctionnement à haute puissance et à haute fréquence

L'AlN est donc l'un des matériaux de substrat et d'encapsulation les plus prisés pour les dispositifs SiP haute puissance, grand format et à grand nombre de broches.

②Céramiques co-cuites à basse température (LTCC)

La technologie LTCC utilise des matériaux en couches épaisses et réalise la co-cuisson de couches céramiques, d'électrodes et de composants passifs intégrés en une seule étape, ce qui en fait un élément clé de l'intégration SiP. LTCC offre :

• Faibles pertes diélectriques et excellente stabilité à haute fréquence
• Compatibilité CTE avec les circuits intégrés
• Intégration facile avec les puces
• Câblage multicouche haute densité et structures passives 3D

Ces avantages permettent de réaliser des modules système haute densité, compacts et multifonctionnels.

Principaux avantages des SiP à base de LTCC :

① Capacité d'interconnexion multicouche

Augmente considérablement la densité d'intégration du système.

② Composants passifs intégrés et structures fonctionnelles

Les cavités, les dispositifs enterrés et les réseaux passifs 3D réduisent la longueur des conducteurs, diminuent les parasites d'interconnexion, augmentent la densité de câblage et simplifient les circuits externes, améliorant ainsi l'efficacité de l'assemblage et réduisant le coût du système.

③ Large plage de réglage des constantes diélectriques

En ajustant la composition des matériaux ou en co-cuisant différents matériaux, les substrats LTCC peuvent être adaptés à diverses applications RF, micro-ondes et à signaux mixtes.

Les basses températures de cuisson permettent l'utilisation de conducteurs en Au, Ag et Cu, minimisant ainsi les pertes d'interconnexion, ce qui est idéal pour les circuits à haute fréquence et à grande vitesse.

④ Excellente gestion thermique

La conductivité thermique du LTCC, associée aux structures de remplissage des vias, améliore la dissipation thermique verticale.

⑤ Compatibilité CTE

Des valeurs de CTE similaires à celles du Si, du GaAs et de l'InP permettent une fixation directe de la puce et des performances fiables à long terme.

3. Tendances futures

Face à l'augmentation constante de la densité d'intégration et à la diversification croissante des fonctionnalités des systèmes, les performances des matériaux monophasés ne suffisent plus. Les futurs substrats d'encapsulation électronique s'orienteront vers des céramiques composites multiphasées, combinant des propriétés complémentaires pour répondre aux exigences des systèmes semi-conducteurs de nouvelle génération.