第三章微电子封装形式的分类.

3.1概论3.2按封装材料、封装器件、封装结构分类3.2.1金属封装(M)3.2.2塑料封装(P)3.2.3陶瓷封装(C)3.3按封装的外形、尺寸、结构分类裸芯片与布线板实现互连之后，需要通过封装技术将其密封在塑料、玻璃、金属或陶瓷外壳中，以确保芯片能在各种恶劣条件下正常工作。如果不经过封装，由于受空气中湿气和氧气的影响，芯片或电路元件表面及布线板表面的导体图形和电极等，会随时受到氧化和腐蚀。因此，封装技术是十分重要的技术环节。当第一只半导体晶体管出现时，同时也就开始了封装技术发展。3.1概论器件和封装发展进展电子管安装,1900—1950年1900年，发明真空三极管，世界开始迈进电子时代1918年，各种无线电设备开始普遍采用电子管1920年，采用酚醛层压板作为连线基板1936年，提出“印制电路”的概念1942年，发明最早实用化的双面PCB1947年，美国国家标准局以PWB应用于电子管电路为前提，就材料、布线方法、搭载部件等提出包括26项的提案，涉及到涂布法、喷涂法、化学沉积法、模压法、粉末烧结法等6种工艺，其中不少已包含当今PWB技术的雏形晶体管封装时期（1950—1960年）1948年，发明晶体管1957年，出现适于晶体管连接的TO（圆柱外壳封装）型封装方式1958年，发明平面晶体管制造技术1958年，第一个集成电路（IC）1958年，首次实现晶体管树脂塑封1960年，杜邦公司开发出Ag-Pd系厚膜浆料20世纪60年代，厚膜浆料达到实用化20世纪70年代以后，厚膜混合IC获得长足发展。元器件插装时期（1960—1975年）1961年，氧化铝流延片10叠层共烧技术，金属化通孔工艺法的多层板制造工艺技术1962年，薄膜晶体管1963年，扁平封装问世1969年，陶瓷扁平封装60年代，环氧玻璃布基覆铜箔层压板，环氧树脂多层基板。热塑性薄膜底基材料60年代初，平面矩阵球形焊料端子、芯片用模注树脂封装60年代后半期，氧化铝多层基板70年代中期，1000℃以下的玻璃陶瓷基板元器件插装时期（1960—1975年）70年代，连续自动化卷轮（盘）式操作的新工艺聚酰亚胺薄膜带作载体的带载式IC封装工艺塑料封装的双列直插式封装（DIP）扁平形态塑料封装引线型DIPPWB（特别是多层板）用材料和生产技术的研发，特别是积层粘结方法，半固化法（粘结片）的改良，覆膜电镀等方面SMT技术应用于TV高频头、VTR等混合IC热印头表面贴装（SMT）时期（1975年一）70年代中期，适应SMT要求，PWB开发实质进展柔性．刚性基板厚膜化学镀技术、通孔电镀技术18微米铜箔技术盲孔及层间互连孔金属化技术1975年，塑料封装的QFP1978年，“J”型引线式的表面贴装的PLCC（塑料无引线芯片载体）1980年，富士通，莫来石型基板。比氮化铝基板有更低的介电常数特性1982年，实用化的SiC型陶瓷基板，玻璃陶瓷基板表面贴装（SMT）时期（1975年一）1980年开始，针栅阵列封装PGA问世1991年，塑料BGA，BGA进入真正的实用化阶段。国外专家，一般将以QFP、TSOP为代表的周边引线型封装的出现看作为SMT的“第一次革命”，而把20世纪90年代中期真正大力普及起来的以BGA、FBGA、μBGA(CSP)为代表的平面栅阵布置引线型封装看作为SMT的“第二次革命”1984年，日本NEC公司，引线框架式连接的HIC1985年，富士通，42层超多层PCB。62层玻璃陶瓷低温共烧多层基板（LTCC）1986年，接触型IC卡问世高密度封装时期（20世纪90年代初—）1990年，日本IBM，SLC积层多层板。用感光性树脂作绝缘层，通过光致法制作微细通孔的崭新技术。开创了PCB业一个新的时代20世纪80年代末90年代初，多芯片组件技术兴起1992年起，通用电气公司3DMCM，开拓了实现系统集成的新途径，发展三维立体封装的先例。1996年，索尼公司，数码相机中搭载了20个CSP封装器件高密度封装时期（20世纪90年代初—）1997年，日本率先将CSP产品投放于市场。CSP是实现高密度、微小型化的封装，是21世纪初高密度封装技术发展的主流。1997年，不含溴、不含锑的绿色型PCB基材开始工业化，并投放市场。半导体IC的金属互连在整个IC芯片中所占的面积越来越大，金属互连问题成为了此后IC发展的关键1998年，Motorola，IBM，六层铜互连工艺新发明1999－2000年，日本、美国、中国台湾，环氧／CLAY纳米级复合材料在覆铜板中应用成果的专利申请，纳米技术在封装基板上的应用目前，芯片封装技术已经历了几代变迁，芯片面积与封装面积之比越来越接近1，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，适用频率更高，耐温性能更好，可靠性提高，使用更加方便。因此，我们去买芯片，经常会问到某芯片采用什么封装方式，或者说，它们采用何种封装形式？同时也会进一步问，该种封装形式有什么样的技术特点以及优越性？本章将介绍几种主要芯片封装形式、分类方法及特点。3.2微电子封装形式的分类微电子封装形式按封装材料分，主要可以分为四种形式：金属封装、塑料封装、陶瓷封装和金属陶瓷封装；根据气密性可以分为气密封装和非气密封装。典型的封装形式3.2.1金属封装(M)1.金属封装的概念金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上的一种电子封装形式。为了避免器件的性能受到影响，金属封装的信号和电源引线大多采用玻璃-金属密封工艺或金属陶瓷密封工艺。由于金属封装具有良好的散热能力和电磁屏蔽能力，因而常被用作高可靠要求和定制的专用气密封装。目前，主要应用于模件、电路和器件中，包括：（1）光电器件封装：带光窗型、带透镜型、带光纤型（2）微波模块和混合电路封装：双列直插型、扁平型（3）特殊器件封装：矩阵类、多层多腔型、无磁材料型（4）分立器件封装：（5）专用集成电路封装：2.金属封装的工艺流程典型的金属封装工艺流程工艺注意问题：(1)在装配前，需进行烘焙，目的将金属中的气泡或者湿气驱赶出来，减小与腐蚀相关的实效；(2)在装配过程中，温度不能始终维持高温，而是要按照一定的降温曲线配合各个阶段的工艺，减小后工艺步骤对先前工艺的影响；(3)封装盖板和壳体的封接面上不可以出现任何空隙或没有精确对准，会引起器件的密封问题；(4)为减少水汽等有害气体成分，封盖工艺一般在氮气等干燥保护气氛下进行。封盖工艺：封盖工艺是金属封装中比较特殊的一道工艺，目前常见的封盖工艺有：平行缝焊、激光封焊和低温焊料焊接等。(1)平行缝焊平行缝焊封接法是指用两个端部倾角45°角的圆柱形电极，以一定压力同时压在金属盖板和金属焊接环上进行电气熔焊的气密性封接方法。该方法不宜采用形状复杂的外形。平行缝焊法平行缝焊的焊接环形状平行缝焊是一种可靠性较高的封盖方式，盖板和焊接环等平行封焊材料对封装中气密性以及气密性成品率有重要影响。因此，高质量的平行缝焊盖板必须具备以下特性：(a)盖板的热膨胀系数要与底座焊接环相匹配、与瓷体相近；(b)焊接熔点温度要尽可能低；(c)耐腐蚀性能优良；(d)尺寸误差小；(e)平整、光洁、毛刺小、玷污小。(2)激光封焊在多层布线的设定位置上，银焊料作为封焊金属基体的焊接环，将金属外壳扣在焊接环上，使二者处于紧密接触状态；在激光束能量的作用下，焊接环和金属外壳同时熔化，冷却后完成的气密性封接方法。该方法属于气密性封接技术，与上述的平行缝焊封接技术相比，可以用于大型的MCM以及外形复杂的MCM，并且能保证高可靠性。激光封焊技术(3)低温焊料焊接低温焊料焊接是指通过钎焊将金属外壳固定在多层布线板上，将IC芯片与外气隔绝。为了利用钎焊实现气密性封接的目的，要求钎焊与被钎焊材料之间具有良好的浸润性。通常采用Sn63/Pb37（锡铂）共晶焊料。3.金属封装特点金属封装精度高，尺寸严格；金属零件以冲、挤为主，便于大量生产；价格低廉，性能优良；芯片放置容易，应用灵活，可靠性高，可以得到大体积的空腔。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的A/D或D/A转换器)融为一体，既适合低I/O数的单芯片和多芯片的封装(如振荡器、放大器、混频器、鉴频鉴相器、DC/DC变换器、滤波器、继电器等产品)，也适合MEMS、射频、微波、光电、声表面波和大功率器件的封装。4.金属封装材料要求为实现对芯片支撑、电气连接、热耗散、机械和环境的保护，金属封装材料应满足以下要求：(1)与芯片或陶瓷基板的热膨胀系数匹配，减小或避免热应力的产生；(2)非常好的导热性，提供热耗散；(3)非常好的导电性，减少传输延迟；(4)良好的EMI/RFI（电磁干扰/射频干扰）屏蔽能力；(5)较低的密度，足够的强度和硬度，良好的加工或成型性能；(6)可镀覆性、可焊性和耐腐蚀性，易实现与芯片、盖板、印刷板的可靠结合、密封和环境的保护；(7)较低的成本。5.传统金属封装材料金属材料的选择与金属封装的质量和可靠性有直接的关系，常用的传统金属封装材料有：Al、Cu、Mo、W、钢以及CuW、Ni-Fe、CuMo和CuW合金等。它们都有很好的导热能力，并且具有比硅材料高的热膨胀系数。6.新型金属封装材料近年来新开发出很多种金属基复合材料，它们都是以Mg、Al、Cu、Ti等金属或金属间化合物为基体，以颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料。与传统的金属封装材料相比，主要有以下优点：(1)可以通过改变增强体种类、体积分数、排列方式或改变基体合金，来改变材料的热物理性能，满足封装热耗散的要求，甚至简化封装的设计；(2)材料制造灵活，成本不断降低，特别是可直接成型，避免了昂贵的加工费用和加工造成的材料损耗；(3)特别研制的低密度、高性能金属基复合材料非常适用于航空航天。随着电子封装向高性能、低成本、低密度和集成化方向发展，对金属封装材料的要求越来越高，金属基复合材料将发挥着越来越重要的作用，因此，金属基复合材料的研究和使用将是今后的重点和热点之一。3.2.2塑料封装(P)1.塑料封装的概念和特点塑料封装是指采用环氧树脂、塑料、硅树脂等有机树脂材料覆盖在半导体器件或电路芯片上，经过加热固化完成封装，使其与外界隔绝。一般认为它是非气密性封装。目前，塑料封装产品约占IC封装市场的95%，并且可靠性不断提高，在3GHz以下的工程中大量使用。塑料封装的主要特点：工艺简单、成本低廉、便于自动化大生产。2.塑料封装材料标准的塑料封装材料主要有：70%的填充料（主要是二氧化硅）、18%环氧树脂、固化剂、耦合剂、脱模剂、阻燃剂和着色剂等。上述各种配料成分应用与哪些因素有关：(1)取决于应用中的热膨胀系数、介电常数、密封性、吸湿性、强韧性等参数的要求(2)提高强度、降低价格等因素。3.塑料封装的工艺流程塑料封装若无特别的说明，都是指转移成型封装。具体的工艺流程包括：硅片减薄、切片、芯片贴装、引线键合、转移成型、后固化、去飞边毛刺、上焊锡、切筋打弯、打码等多道工序。有时也将工序分成前后道两部分，塑料包封前的工艺步骤称为装配或前道工序；塑料包封后的工艺步骤称为后道工序。典型的塑料封装工艺流程4.覆盖树脂的方法(1)涂布法用毛笔或毛刷等蘸取环氧树脂或硅脂，直接在在半导体芯片及片式元件上涂布，经加热固化完成封装。(2)滴灌法用注射器及布液器将粘度比较低的环氧树脂、硅树脂等液态树脂滴灌在微互联于布线板上的半导体芯片上，经加热固化完成封装。(3)浸泡法将完成微互联的半导体芯片或片式元件浸入装满环氧树脂或酚树脂液体的浴槽中，浸泡一定时间后向上提拉，经加热固化完成封装。(4)注型法（模注法）将完成微互联的半导体芯片或片式元件置入比其尺寸略大的模具或树脂盒中，构成模块，在其中的间隙中注入环氧树脂或酚树脂等液态树脂，经加热固化完成封装。(5)流动浸泡法将完成微互联的布线板在预加热的状态下，浸入装满环氧树脂与氧化硅粉末的混合粉体，并处于流动状态的流动浴槽中，浸泡一定时间，待粉体附着达到一定厚度后，经加热固化完成封