Synthesis, characterization and thermal properties of polymers based composites materials for High Power Electronic Packaging Applications

As devices evolve, it s necessary that also interconnections and all hardware circuits evolve, including packaging. Nowadays are required significant improvement in packaging properties: low resistance interconnections, less noise, less parasitic oscillations, increased reliability and improved thermal behaviour. For these purpose has designed a research activity for the synthesis of new composites materials capable to dissipating heat better in relation to the current ones. These materials, having to act both as a protective casing (eg. radiation, humidity) and as heat sinks, must also be equipped with a good thermal efficiency. Thermal efficiency of a system depends on material degradation temperature and its thermal conductivity. Therefore, in the initial phase we proceeded with the investigation on the current materials used for commercial package characterizing their properties. Later we moved to the synthesis of several epoxy resins and composites materials based on epoxy resin (as polymeric matrix) filled with synthetic or commercial techno-material to improve resin thermal efficiency. These filler were chosen for their peculiar properties: aramides were chosen for their thermal stability and high thermal conductivity; polyimide has been chosen to solve the aramide hygroscopicity problems, graphene oxide and MoS2 for their thermal conductivity. In general, all obtained composites have a start degradation temperature, in air, higher than maximum reached by the latest generation devices (250 °C) , this makes possible their use as microelectronic packaging. Then, two methods for conductivity measurements were developed, direct and indirect; both were then verified by the application on some synthesized package. On the basis of collected data, almost all obtained composites, can be used as packaging having a better thermal efficiency than commercials.

Oggigiorno, l'evoluzione dei dispositivi microelettronici è in notevole incremento: è necessario che anche le interconnessioni e tutti i circuiti hardware evolvano di paripasso, compreso il packaging. Sono richieste, pertanto, significativi passi avanti nel miglioramento delle proprietà del packaging: interconnessioni a bassa resistenza, meno rumore, meno oscillazioni parassite, maggiore affidabilità e una migliore comportamento termico. Per questi fini si è progettata un'attività di ricerca per la sintesi di nuovi materiali compositi in grado di dissipare il calore meglio rispetto a quelli attuali. Questi materiali, dovendo fungere sia da un involucro protettivo sia da dissipatori di calore, devono anche essere dotati di una buona efficienza termica, ovvero possedere buona resistenza alla degradazione e buona conducibilità termica Pertanto, nella fase iniziale si è proceduto con l'indagare sugli attuali materiali utilizzati per il packaging di dispositivi elettronici commerciali, caratterizzandone le proprietà termiche. In seguito, si è proceduto con la sintesi di diverse resine epossidiche e materiali compositi aventi la resina epossidica come matrice polimerica ed opportuni techno-filler di sintesi o commerciali. I vari filler sono stati scelti per le loro proprietà peculiari: le aramidi per la loro stabilità e conducibilità termica; la poliimmide è stata scelta per risolvere i problemi di igroscopicità legati alle aramidi, ossido di grafene e MoS2 per la loro conducibilità termica. In generale, tutti i compositi ottenuti hanno una temperatura di degradazione iniziale, in aria, superiore alla massima temperatura di utilizzo, raggiunta dai dispositivi di ultima generazione (250 ° C), questo rende possibile il loro impiego per il packaging microelettronico. Successivamente, sono stati sviluppati due metodi per le misurazioni di conducibilità termica, diretta e indiretta; entrambi sono stati poi verificati, l'applicandoli su alcuni dei compositi ottenuti. Sulla base dei dati raccolti, quasi tutti i compositi ottenuti, possono essere utilizzati come packaging, avendo una migliore efficienza termica rispetto a quelli commercialmente utilizzati ad oggi.