浅谈电子封装技术的重要性及发展趋势

《科技传播》2010•12（上）253信息科技InformationTechnology浅谈电子封装技术的重要性及发展趋势李荣茂南京信息职业技术学院，江苏南京210046摘要 电子封装技术是系统封装技术的重要内容，是系统封装技术的重要技术基础。它要求在最小影响电子芯片电气性能的同时对这些芯片提供保护、供电、冷却，并提供与外部世界的电气与机械联系等。本文论述了电子封装技术在电子信息产业所占的地位和重要性以及电子封装功能及其种类；同时也简单描述了电子封装的发展趋势。关键词 电子封装；重要性；芯片；保护作用中图分类号TN04 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2010）32-0253-020引言集成电路产业已成为国民经济发展的关键，而集成电路设计、集成电路制造、集成电路封装和集成电路测试是集成电路产业发展的四大支柱产业。它们既相互独立，又密不可分，不仅影响电子信息产业乃至国家经济的发展，而且与每个家庭的生活也息息相关。一块集成电路芯片设计出来了，就包含了设计者所设计的一切功能，其实只要使用中能从分发挥它的功能，并且使其具有较高的可靠性，要不要对芯片进行“封装”本来是没有关系的，因为封装并不能增加加任何经济价值；相反，不合适的封装反而会使它的性能下降。在芯片开发早期，芯片设计者很早就想不对芯片进行封装，而是将集成电路芯片直接安装到PWB（印制电路板）上。但是这种想法由于种种原因，至今仍未能实现。这是因为使用经封装的集成电路芯片有许多好处，如可对集成电路芯片加以保护，容易于进行电性能测试，容易于传输，容易于检修，元器件的引脚可以便于实行标准化设计进而适于装配，还可改善集成电路芯片的热性能等等，所以目前对各类集成电路芯片芯片仍要进行封装。电子封装不仅直接影响着集成电路本身的电、光、机械和热性能，影响其可靠性和经济成本，而且在很大程度上决定着电子整机系统的小型化。随着微电子技术的发展，芯片特征尺寸不断缩小，在一块硅芯片上已能集成六七千万或更多个门电路，必然会促使集成电路的功能向着更高、更强的方向发展，再加上电子产品的小型化、高性能、高密度、高可靠性的要求，市场上的性价比的竞争，以及集成电路种类和应用的不断扩展，这些都促使电子封装的设计和制造技术不断向前发展，各类新封装结构也层出不穷。反过来，电子封装技术的提高，又促进了集成电路和电子器件的发展。而且，随着电子系统的小型化和高性能化，电子封装对系统的影响已变得和芯片一样重要。电子封装技术是信息产业的重要技术基础。虽然电子封装技术在不同产品中作用各不相同，但有下面6个方面的基本作用：1）电子封装市场巨大；2）决定了产品的性能；3）决定了产品的体积；4）决定了产品的可靠性与寿命；5）决定了产品的成本；6）决定了现代工业的技术水平。1电子封装功能及封装种类1.1电子封装功能封装最初的定义是：保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。所以，在最初的微电子封装中，是用金属罐作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，及包装保护，它的作用是从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。目前，集成电路芯片的I/O线越来越多，它们的电源供应和信号传送都是要通过封装来实现与系统的连接；芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日趋严重；由于芯片钝化层质量的提高，封装用以保护电路功能的作用其重要性正在下降。1.2电子封装的种类从使用的包装材料来分，可以将封装划分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装。金属封装是半导体器件最早的封装形式，它将芯片放置于一个金属容器中，用镍作封盖并镀上金。金属圆形外壳采用由可伐合金材料冲制成的金属底座，借助封接玻璃，在氮气保护气氛下将可伐合金引线按照规定的布线方式熔装在金属底座上，经过引线端头的切平和磨光后，再镀镍、金等惰性金属给与保护。在底座中心进行芯片安装和在引线端头用铝硅丝进行键合。组装完成后，用10号钢带所冲制成的镀镍封帽进行封装，构成气密的、坚固的封装结构。金属封装的优点是气密性好，不受外界环境因素的影响。它的缺点是价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件日益快速发展的需要。现在，金属封装所占的市场份额已越来越小，几乎已没有商品化的产品。少量产品用于特殊性能要求的军事或航空航天技术中。陶瓷封装是高可靠度需求的主要封装技术。在各种IC元器件的封装中，陶瓷封装能提供IC芯片气密性的密封保护，使其具有优良的可靠度：陶瓷封装被用做集成电路芯片封装的材料，是因它在热、电、机械特性等方面极稳定，而且陶瓷材料的特性可通过改变其化学成分和工艺的控制调整来实现，不仅可作为封装的封盖材料，它也是各种微电子产品重要的承载基板。当今的陶瓷技术已可将烧结的尺寸变化控制在0.1%的范围内。陶瓷也是制作多芯片组件（MCM）封装基板主要的材料之一。它的缺点包括：与塑料封装比较，陶瓷封装的工艺温度较高，成本较高；工艺自动化与薄型化封装的能力逊于塑料封装；陶瓷材料具有较高的脆性，易致应力损害；在需要低介电常数与高连线密度的封装中。塑料封装的散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封装具有低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产等优点，它的应用范围极广，从一般的消费性电子产品单精密的超高速电脑中随处可见，也是目前微电子工业使用最多的封装方法。塑料封装工艺步骤主要有：芯片切割等前段制作、芯片互连、打线键合、铸模成型、烘烤硬化、引脚镀锡切割成块。塑料封装的成品可靠度虽不如陶瓷，但数十年来材料与工艺技术的进步，这一缺点已获得相当大的改善，塑料封装在未来的电子封装技术中所扮演的角色越来越重要。2电子封装的发展趋势在电子封装，特别是先进IC封装如QFP、BGA、CSP、MCM等基础上，电子封装已经出现并继续发展着，表现出以下几种趋势：1）电子封装将由有封装向少封装和无封装方向发展；2）芯片直接贴装（DAC）技术，特别是其中的倒装焊（FCB）技术将（下转第251页）12月上.indd2532010-12-919:32:36《科技传播》2010•12（上）251信息科技InformationTechnology数据传输速度快；不足是可管理的存储设备少，不利于备份系统共享，不大适合于现在大型的数据备份需求，不能提供实时的备份需求。2）NAS采用网络（TCP/IP、ATM、FDDI）技术，通过网络交换机连接存储系统和服务器主机，建立专用及数据存储的存储私网，其继承了磁盘阵列的所有优点，可以将设备通过标准的网络拓扑结构连接，摆脱了服务器和异构化构架的束缚。3）SANSAN存储区域网是基于高速光纤通道（FibreChannel）SCSI技术，通过光纤通道交换机连接存储阵列，在服务器之间以及服务器和存储设备之间建立高速的数据传输链路。SNA技术在保障高速数据传输的同时，又不占用LAN的资源，极大的增强了传统的TCP/IP网络带宽使用效率。经过近十年发展，已经成为业界事实标准。面对迅速增长的数据存储需求，正成为大型企业和服务提供商的选择。此外基于NSA+SAN模式的存储解决方案也日趋成熟、完善。4）云存储技术云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念。它是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。云存储随着云计算的发展而快速发展应用。它将成为一种很好的第三方模式数据备份方案。4数据安全主要是从逻辑上和物理上对数据的安全性进行研究。1）逻辑安全。指因为操作失误、病毒破坏、黑客入侵、软件故障（应用程序或操作系统出错）等造成的数据破坏；2）物理安全。指存储设备因为物理损坏造成存储数据失效。原因包括不可抗拒的自然灾害（雷击、火灾、洪灾、地震等）、硬件故障、电源故障、人为损坏等因素造成的数据破坏。5数据恢复数据恢复包括数据备份恢复、损坏设备数据的数据修复。1）备份恢复。使用原有备份数据对系统或数据进行恢复，这种方法可以保证数据进行全新恢复；2）数据修复。使用相关方法和软件进行数据修复，这种方法不能保证数据百分之百修复。但也是数据恢复的最后补救方式。6信息安全体系管理分级制度数据安全和备份恢复技术的发展与信息安全管理分级制度的建立有着重要关系，为了对数据安全进行系统规范管理，需要建立信息系统安全管理系统分级制度，即由国家相关部门对企事业单位涉及安全的数据划分安全等级，并提出规范管理要求，使其成为各级各类单位数据安全管理方面的一个引领性、方向性的规定与规范，一方面可以促进各单位部分对数据安全进行规范管理，使其按不同数据的备份级别、安全设置、安全标准进行安全管理，另一方面也能促进数据安全和备份恢复技术向系统化方向全面发展。这是完善数据安全保障工作的一个重要部分。国外也一直很重视该数据安全的保护和实施，并能在国家相关的评价基准指导下开展数据安全保护工作，美国国家计算机安全中心颁布的橘皮书（TrustedComputerSystemEvaluationCriteria，即受信任计算机系统评量基准），就是权威的计算机系统安全标准之一，9.11以后更是强化了该评价基准的执行。比如它对广泛使用的商用操作系统，如Windows、各类Unix、Linux等，规定其安全分级为中等安全C1或C2级别，并要求必需开展相应的数据备份工作。目前我国行业开展的数据安全保护工作主要还停留在技术研究方面，各个单位按自己认为的重要程度来开展数据安全与备份恢复工作，缺乏系统化的管理规范，尽管部分省市也开始执行信息系统管理分级制度，特别是08年汶川地震后国内很多行业开始建立相关的数据备份中心。总之，如果从以上这些方面系统的开展数据安全研究，在未来日子里，随数据安全、数据存储、数据备份与恢复、安全管理等概念的深入人心，随着我国信息安全系统分级制度的建设和实施，越来越多的企业和人们将会认识其重要性，更多契合企业需求和IT开销预算各种数据安全、存储备份恢复技术的研究方案与技术必将大行其道。数据安全、备份恢复技术研究将会迎来一片崭新的空间。参考文献[1]华师傅资讯.数据备份与恢复实用宝典[M].中国铁道出版社，2008，10.[2]王改性.师鸣若.数据存储备份与灾难恢复[M].电子工业出版社，2009，6.[3]扶干儒.浅谈数据备份技术[J].黑龙江科技信息，2007，8.成为微电子封装的主流形式；3）三维（3D）封装技术将成为实现电子整机系统功能的有效途径；4）无源元件将逐步走向集成化；5）系统级封装（SOP或SIP）将成为新世纪重点发展的微电子封装技术。一种典型的SOP一一单级集成模块（SLIM）正被大力研发；6）圆片级封装（WLP）技术将高速发展；7）微电子机械系统（MEMS）和微光机电系统（MOEMS）正方兴未艾，它们都是微电子技术的拓展与延伸，是集电子技术与精密机械力加工技术、光学元器件技术为一体的新兴技术，真正达到了机、电、光的一体化。3电子封装中的技术挑战从系统和应用的角度看，电子封装技术的挑战可以归纳为成本低和高性能这两大方面。一方面，电子芯片加工技术在高速发展，目前已经实现12in、0.093um的工业化大批量生产，纳米级加工时代已经来临，芯片加工成本不断降低，封装开支在产品成本中的比例逐年上升。另一方面，面对越来越多高性能和高密度的要求，封装越来越成为提升微系统性能的制约因素。电子封装技术可能是所有工程技术、所有工业技术中涉及技术面最宽、跨学科特征最明显、最富有挑战性的一项技术。相对于设计业、制造业的成熟理论体系，微电子封装技术的发展要严重滞后于整个微系统的发展，难于满足产业发展的需求。总之，电子封装技术已涉及到各类材料、电子、热学、力学、化学、可靠性等多种学科，是越来越受到重视、并与集成电路芯片同步发展的高新技术产业。目前正进入从平面封装到三维封装的发展阶段。在芯片-封装协同设计以及为满足各种可靠性要求而使用具成本效益的材料和工艺方面，还存在很多挑战。为满足当前需求并使设备具备高产量大产能的能