电子封装的现状及发展趋势

电子封装的现状及发展趋势

现代电子信息技术飞速发展,电子产品向小型化、便携化、多功能化方向发展.电子封装材料和技术使电子器件最终成为有功能的产品.现已研发出多种新型封装材料、技术和工艺.电子封装正在与电子设计和制造一起,共同推动着信息化社会的发展

一．电子封装材料现状

近年来,封装材料的发展一直呈现快速增长的态势.电子封装材料用于承载电子元器件及其连接线路,并具有良好的电绝缘性.封装对芯片具有机械支撑和环境保护作用,对器件和电路的热性能和可靠性起着重要作用.理想的电子封装材料必须满足以下基本要求: 1)高热导率,低介电常数、低介电损耗,有较好的高频、高功率性能; 2)热膨胀系数(CTE)与Si或GaAs芯片匹配,避免芯片的热应力损坏;3)有足够的强度、刚度,对芯片起到支撑和保护的作用; 4)成本尽可能低,满足大规模商业化应用的要求;5)密度尽可能小(主要指航空航天和移动通信设备),并具有电磁屏蔽和射频屏蔽的特性。电子封装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料.

1.1基板

高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的最基本要求,同时还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本并具有一定的机械性能电子封装基片材料的种类很多,包括:陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料等.

1.1.1陶瓷

陶瓷是电子封装中常用的一种基片材料,具有较高的绝缘性能和优异的高频特性,同时线膨胀系数与电子元器件非常相近,化学性能非常稳定且热导率高随着美国、日本等发达国家相继研究并推出叠片多层陶瓷基片,陶瓷基片成为当今世界上广泛应用的几种高技术陶瓷之一目前已投人使用的高导热陶瓷基片材料有A12q,AIN,SIC和B或)等.

1.1.2环氧玻璃

环氧玻璃是进行引脚和塑料封装成本最低的一种,常用于单层、双层或多层印刷板,是一种由环氧树脂和玻璃纤维(基础材料)组成的复合材料.此种材料的力学性能良好,但导热性较差,电性能和线膨胀系数匹配一般.由于其价格低廉,因而在表面安装(SMT)中得到了广泛应用.

1.1.3金刚石

天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的优良的性能,如高热导率(200W八m·K),25oC)、低介电常数(5.5)、高电阻率(1016n·em)和击穿场强(1000kV/mm).从20世纪60年代起,在微电子界利用金刚石作为半导体器件封装基片,并将金刚石作为散热材料,应用于微波雪崩二极管、GeIMPATT(碰撞雪崩及渡越时间二极管)和激光器,提高了它们的输出功率.但是,受天然金刚石或高温高压下合成金刚石昂贵的价格和尺寸的限制,这种技术无法大规模推广.

1.1.4金属基复合材料

为了解决单一金属作为电子封装基片材料的缺点,人们研究和开

发了低膨胀、高导热金属基复合材料.它与其他电子封装材料相比,可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式,基体的合金成分或热处理工艺实现材料的热物理性能设计;也可以直接成型,节省材料,降低成本.用于封装基片的金属基复合材料主要为Cu基和Al基复合材料

1.2布线材料

导体布线由金属化过程完成.基板金属化是为了把芯片安装在基板上和使芯片与其他元器件相连接.为此,要求布线金属具有低的电阻率和好的可焊性,而且与基板接合牢固.金属化的方法有薄膜法和厚膜法,前者由真空蒸镀、溅射、电镀等方法获得,后者由丝网印刷、涂布等方法获得.薄膜导体材料应满足以下要求:电阻率低;与薄膜元件接触电阻小,不产生化学反应和相互扩散;易于成膜和光刻、线条精细;抗电迁移能力强;与基板附着强度高,与基板热膨胀系数匹配好;可焊性好,具有良好的稳定性和耐蚀性;成本低,易成膜及加工.Al是半导体集成电路中最常用的薄膜导体材料,其缺点是抗电子迁移能力差.Cu导体是近年来多层布线中广泛应用的材料.Au,Ag,NICrAu,Ti-Au,Ti-Pt-Au等是主要的薄膜导体.为降低成本,近年来采用Cr-Cu-Au,Cr-Cu-Cr,Cu-Fe-Cu,Ti-Cu-Ni-Au等做导体薄膜.

1.3层间介质

介质材料在电子封装中起着重要的作用,如保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等.它分为有机和无机2种,前者主要为聚合物,后者为SiO2:,Si3N4和玻璃.多层布线的导体间必须绝缘,因此,要求介质有高

的绝缘电阻,低的介电常数,膜层致密.

1.3.1厚膜多层介质

厚膜多层介质要求膜层与导体相容性好,烧结时不与导体发生化学反应和严重扩散,多次烧结不变形,介质层与基板、导体附着牢固,热膨胀系数与基板、导体相匹配,适合丝网印刷.

薄膜介质分以下3种:

(1)玻璃一陶瓷介质既消除了陶瓷的多孔结构,又克服了玻璃

的过流现象,每次烧结陶瓷都能逐渐溶于玻璃中,提高了玻

璃的软化温度,适合多次烧结.

(2)微晶玻璃.

(3)聚合物.

1.3.2薄膜多层介质

薄膜多层介质可以通过CVD法、溅射和真空蒸镀等薄膜工艺实现,也可以由Si的热氧化形成5102介质膜.有机介质膜主要是聚酞亚胺(PI)类,它通过施转法进行涂布,利用液态流动形成平坦化结构,加热固化成膜,刻蚀成各种图形.此方法简单、安全性强.由于Pl的介电常数低、热稳定性好、耐侵蚀、平坦化好,且原料价廉,内应力小,易于实现多层化,便于元件微细化,成品率高,适合多层布线技术,目前国外对聚合物在封装中的应用进行了大量研究

1.4密封材料

电子器件和集成电路的密封材料主要是陶瓷和塑料.最早用于封装的材料是陶瓷和金属,随着电路密度和功能的不断提高,对封装技术

提出了更多更高的要求,同时也促进了封装材料的发展.即从过去的金属和陶瓷封装为主转向塑料封装.至今,环氧树脂系密封材料占整个电路基板密封材料的90%左右.

二．电子封装技术的现状

20世纪80年代以前,所有的电子封装都是面向器件的,到20世纪90年代出现了MCM,可以说是面向部件的,封装的概念也在变化.它不再是一个有源元件,而是一个有功能的部件.因此,现代电子封装应该是面向系统或整机的.发展电子封装,即要使系统小型化,高性能、高可靠和低成本.电子封装已经发展到了新阶段,同时赋予了许多新的技术内容.以下是现代电子封装所涉及的几种主要的先进封装技术

2.1球栅阵列封装

该技术采用多层布线衬底,引线采用焊料球结构,与平面阵列(PGA)(见图1)和四边引线扁平封装(QFP)(见图2)相比,其优点为互连密度高,电、热性能优良,并且可采用表面安装技术,引脚节距为1.27mm 或更小.由于多层布线衬底的不同,可有不同类型的球栅阵列封装