Anwendungen von Kupferfolie in Chip-Verpackungen

KupferfolieAufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verarbeitbarkeit und Kosteneffizienz gewinnt es im Chip-Packaging zunehmend an Bedeutung. Hier ist eine detaillierte Analyse seiner spezifischen Anwendungen im Chip-Packaging:

1. Kupferdrahtbonden

• Ersatz für Gold- oder Aluminiumdraht: Traditionell wurden Gold- oder Aluminiumdrähte in Chipgehäusen verwendet, um die internen Schaltkreise des Chips elektrisch mit externen Anschlüssen zu verbinden. Mit Fortschritten in der Kupferverarbeitungstechnologie und aus Kostengründen setzen sich Kupferfolie und Kupferdraht jedoch zunehmend durch. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer beträgt etwa 85–95 % der von Gold, die Kosten liegen jedoch bei etwa einem Zehntel. Kupfer ist daher die ideale Wahl für hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit.
• Verbesserte elektrische Leistung: Kupferdrahtbonden bietet einen geringeren Widerstand und eine bessere Wärmeleitfähigkeit bei Hochfrequenz- und Hochstromanwendungen, wodurch der Leistungsverlust bei Chipverbindungen effektiv reduziert und die elektrische Gesamtleistung verbessert wird. Daher kann die Verwendung von Kupferfolie als leitfähiges Material in Bondprozessen die Verpackungseffizienz und -zuverlässigkeit verbessern, ohne die Kosten zu erhöhen.
• Wird in Elektroden und Mikro-Bumps verwendet: Beim Flip-Chip-Gehäuse wird der Chip umgedreht, sodass die Ein-/Ausgabe-Pads (I/O) auf seiner Oberfläche direkt mit der Schaltung auf dem Gehäusesubstrat verbunden sind. Kupferfolie dient zur Herstellung von Elektroden und Mikro-Bumps, die direkt auf das Substrat gelötet werden. Der geringe Wärmewiderstand und die hohe Leitfähigkeit von Kupfer gewährleisten eine effiziente Signal- und Stromübertragung.
• Zuverlässigkeit und Wärmemanagement: Aufgrund seiner guten Beständigkeit gegen Elektromigration und mechanischen Festigkeit bietet Kupfer eine bessere Langzeitzuverlässigkeit bei unterschiedlichen Temperaturzyklen und Stromdichten. Darüber hinaus trägt die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer dazu bei, die beim Chipbetrieb entstehende Wärme schnell an das Substrat oder den Kühlkörper abzuleiten und so das Wärmemanagement des Gehäuses zu verbessern.
• Leiterrahmenmaterial: Kupferfoliewird häufig in Leadframe-Verpackungen verwendet, insbesondere für die Verpackung von Leistungsbauelementen. Der Leadframe bietet strukturellen Halt und elektrische Verbindung für den Chip und erfordert Materialien mit hoher Leitfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit. Kupferfolie erfüllt diese Anforderungen, senkt effektiv die Verpackungskosten und verbessert gleichzeitig die Wärmeableitung und die elektrische Leistung.
• Oberflächenbehandlungstechniken: In der Praxis wird Kupferfolie häufig Oberflächenbehandlungen wie Vernickeln, Verzinnen oder Versilbern unterzogen, um Oxidation zu verhindern und die Lötbarkeit zu verbessern. Diese Behandlungen erhöhen die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Kupferfolie in Leadframe-Verpackungen zusätzlich.
• Leitfähiges Material in Multi-Chip-Modulen: Die System-in-Package-Technologie integriert mehrere Chips und passive Komponenten in einem einzigen Gehäuse, um eine höhere Integrations- und Funktionsdichte zu erreichen. Kupferfolie wird zur Herstellung interner Verbindungsschaltungen verwendet und dient als Stromleitungspfad. Diese Anwendung erfordert eine hohe Leitfähigkeit und ultradünne Kupferfolie, um eine höhere Leistung auf begrenztem Raum zu erzielen.
• HF- und Millimeterwellenanwendungen: Kupferfolie spielt auch in Hochfrequenz-Signalübertragungsschaltungen in SiP eine entscheidende Rolle, insbesondere bei Hochfrequenz- (RF) und Millimeterwellenanwendungen. Ihre geringen Verluste und ihre hervorragende Leitfähigkeit ermöglichen es ihr, die Signaldämpfung effektiv zu reduzieren und die Übertragungseffizienz in diesen Hochfrequenzanwendungen zu verbessern.
• Wird in Umverteilungsschichten (RDL) verwendet: Beim Fan-Out-Packaging wird Kupferfolie zum Aufbau der Umverteilungsschicht verwendet, einer Technologie, die die Chip-E/A auf eine größere Fläche verteilt. Die hohe Leitfähigkeit und gute Haftung von Kupferfolie machen sie zu einem idealen Material für den Aufbau von Umverteilungsschichten, die Erhöhung der E/A-Dichte und die Unterstützung der Multi-Chip-Integration.
• Größenreduzierung und Signalintegrität: Die Verwendung von Kupferfolie in Umverteilungsschichten trägt zur Reduzierung der Paketgröße bei und verbessert gleichzeitig die Integrität und Geschwindigkeit der Signalübertragung. Dies ist insbesondere bei Mobilgeräten und Hochleistungscomputeranwendungen wichtig, die kleinere Paketgrößen und eine höhere Leistung erfordern.
• Kupferfolien-Kühlkörper und Wärmekanäle: Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit wird Kupferfolie häufig in Kühlkörpern, Wärmekanälen und Wärmeleitmaterialien in Chipgehäusen verwendet, um die vom Chip erzeugte Wärme schnell an externe Kühlstrukturen abzuleiten. Diese Anwendung ist besonders wichtig bei Hochleistungschips und -gehäusen, die eine präzise Temperaturregelung erfordern, wie z. B. CPUs, GPUs und Power-Management-Chips.
• Wird in der Through-Silicon Via (TSV)-Technologie verwendet: In 2,5D- und 3D-Chip-Verpackungstechnologien wird Kupferfolie als leitfähiges Füllmaterial für Silizium-Durchkontaktierungen verwendet, die eine vertikale Verbindung zwischen Chips ermöglichen. Die hohe Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit von Kupferfolie machen sie zu einem bevorzugten Material in diesen fortschrittlichen Verpackungstechnologien. Sie ermöglicht eine höhere Integrationsdichte und kürzere Signalwege und verbessert so die Gesamtsystemleistung.

2. Flip-Chip-Verpackung

3. Leadframe-Verpackung

4. System-in-Package (SiP)

5. Fan-Out-Verpackung

6. Wärmemanagement- und Wärmeableitungsanwendungen

7. Fortschrittliche Verpackungstechnologien (wie 2,5D- und 3D-Verpackungen)

Insgesamt beschränkt sich die Anwendung von Kupferfolie in Chip-Verpackungen nicht nur auf herkömmliche leitfähige Verbindungen und Wärmemanagement, sondern erstreckt sich auch auf neue Verpackungstechnologien wie Flip-Chip, System-in-Package, Fan-Out-Verpackungen und 3D-Verpackungen. Die multifunktionalen Eigenschaften und die hervorragende Leistung von Kupferfolie spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit, Leistung und Kosteneffizienz von Chip-Verpackungen.