Anwendungen von Kupferfolie in Chip-Verpackungen

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

1. Kupferdrahtbonden

• Ersatz für Gold- oder AluminiumdrahtTraditionell 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 ideal für hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit.
• Verbesserte elektrische LeistungKupferdrahtbonden bietet einen geringeren Widerstand und eine bessere Wärmeleitfähigkeit bei Hochfrequenz- und Hochstromanwendungen. Dadurch werden Leistungsverluste bei Chipverbindungen effektiv reduziert und die elektrische Gesamtleistung verbessert. Die Verwendung von Kupferfolie als leitfähiges Material in Bondprozessen kann somit die Verpackungseffizienz und -zuverlässigkeit erhöhen, 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 seiner mechanischen Festigkeit bietet Kupfer eine höhere 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 dient als struktureller Träger und elektrischer Anschluss 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 und als Stromleitungspfad verwendet. Diese Anwendung erfordert Kupferfolie mit hoher Leitfähigkeit und ultradünnen Eigenschaften, um eine höhere Leistung auf begrenztem Bauraum 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, 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 Umverdrahtungsebene verwendet. Diese Technologie verteilt die Chip-E/A auf eine größere Fläche. Die hohe Leitfähigkeit und gute Haftung von Kupferfolie machen sie zum idealen Material für den Aufbau von Umverdrahtungsebenen, erhöhen die E/A-Dichte und unterstützen die 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 Hochleistungsrechneranwendungen wichtig, die kleinere Paketgrößen und eine höhere Leistung erfordern.
• Kupferfolien-Kühlkörper und WärmekanäleAufgrund 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)

Die Anwendung von Kupferfolie in Chip-Verpackungen beschränkt sich 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 Wirtschaftlichkeit von Chip-Verpackungen.