第三章 微电子封装形式的分类
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(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。
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 、 F B G A 、 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”
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?
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
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。
❖ 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3D MCM,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。
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
(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。
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:
❖ 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
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
3.1概论
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。
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。
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
❖ 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
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;
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)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。
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
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。
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
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。
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
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。
(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,以一定来自百度文库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。
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;
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。
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;
(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。