薄厚膜混合集成电路

混合集成电路中的新型封装工艺

摘要：文章介绍了几种新的封装工艺,如单芯片封装、多芯片封装钎焊气密封接技术、激光熔焊封接技术、铜工艺等

引言：当将有源器件和无源元件组装到已完成膜层印烧/蒸发/溅射的基片上以后，这个混合微电路就可以进行封装了。组装和封装作为产品开发中的关键技术在业界引起人们日益增多的关注。

正文

广义的封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学技术。

狭义的封装(Packaging,PKG)是指裸芯片与布线板实现微互连后，将其密封在塑料、玻璃、金属或陶瓷外壳中，以确保半导体集成电路芯片在各种恶劣条件下正常工作。

无论是单芯片封装前的裸芯片，还是多个裸芯片装载在多层布线板上的多芯片组件(MCM),在不经封装的状态下，由于空气中湿气和氧的影响，半导体集成电路元件表面及多层布线板表面的导体图形及电极等，会随时受到氧化的腐蚀，使其性

能退化。因此，无论是单芯片封装还是MCM制造，在整个工

艺过程中，应避免在空气中放置，而应在氮气气箱等非活性气

氛中加以保护。否则，会出现半导体元件的内侧引线凸点因氧

化而难以键合，多层布线板的导体电极因氧化而不能钎焊等问

题。

即使已完成了微互连，不经封装而在含有湿气的空气中工作加之迁移现象，半导体元件及多层布线板上的导体电路会发生突然短路。因此，多层布线板及半导体元件表面露出的导体图形必须与外界气氛隔绝。无论对于单个使用的裸芯片还是MCM，封装都是必不可少的。

封装除对混合电路起机械支撑、防水和防磁、隔绝空气等的作用外，还具有对芯片及电连接的物理保护、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格标准化等多种功能。

下面介绍几种混合集成电路中的新型封装工艺

一、非气密性树脂封装技术

1、单芯片封装

单芯片封装分气密性封装型和非气密性封装型两大类：前者包括金属外壳封接型、玻璃封接型(陶瓷盖板或金属盖板)、钎焊(Au/Sn共晶焊料)封接型；后者包括传递模注塑封型、液态树脂封装型、树脂块封装型等。其中传递模注塑封法价格便宜，便于大批量生产，目前采用最为普遍。

传递模注塑封技术

a.模注树脂成分及特性

树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲，可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。

树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物。

按树脂分子主链组成分类:

按此方法可将树脂分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。

碳链聚合物是指主链全由碳原子构成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

杂链聚合物是指主链由碳和氧、氮、硫等两种以上元素的原子所构成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。

元素有机聚合物是指主链上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、铝、钛、硼、硫、磷等元素的原子构成，如有机硅。

b.传递模注工艺过程

先将模具预热，将经过微互连的芯片框架插入上下模具中，上模具下降，将芯片框架固定。

注塑压头按设定程序下降，树脂料饼经预加热器加热，粘度

下降，在注塑压头压力作用下，由料筒经流道，通过浇口分配器进入浇口，最后注入到型腔中。

注入中不加压力，待封装树脂基本上填满每个型腔之后再加压力。在加压状态下保持数分钟，树脂聚合而硬化。

上模具提升，取出模注好的封装体。切除流道、浇口等不必要的树脂部分。

此时树脂聚合仍不充分，特性也不稳定，需要在160~180摄氏度经数小时的高温加热，使聚合反应完结。

由于模注时树脂可能从模具的微细间隙流出，故最后还要利用高压水及介质(玻璃粉等)的冲击力，使残留在外引脚表面的树脂溢料(又称毛边、飞边等)剥离。

外引脚经过电镀焊料或电镀Sn等处理，以改善引脚的耐蚀性及微互连时焊料与它的浸润性。至此，传递模注封装全部完成。

c.模注树脂流速及粘度对Au丝偏移(冲丝)的影响

封装树脂在型腔内流动会造成微互连Au丝的偏移(冲丝)。

为了减小Au丝偏移，应降低封装树脂的粘度，并控制封装树脂尽量缓慢的在型腔内流动。

2、多芯片封装

MCM封装也可按其气密性等级，分为气密封装和非气密封装两大类。非气密封装的代表是树脂封装法，依树脂的加入方式不同，进一步还可分为注型(casting)法、浸渍(dipping)法、滴灌(potting)法及流动浸渍法(粉体涂装法)等；气密性封装包括低熔点

玻璃封接法、钎焊封接法、缝焊封接法及激光熔焊法等。

封装可靠性与其价格具有明显的关系，可靠性越高则封装价格越贵。

树脂封装价格低，但从可靠性角度，特别是耐湿性存在问题，对于可靠性要求高的大型电子计算机等领域，必须采用气密性封装。

采用钎焊密封法，可以做到完全的气密性封接，金属性腔体内还可封入氦气、氮气等非活性气体。但这种方法存在焊料与多层布线板上导体层之间的扩散问题，若在高温环境下使用，则耐热性及长期使用的可靠性都不能保证。

对可靠性有更高要求的应用，需采用熔焊法。其中之一是缝焊封接(seamweld),但现有缝焊焊机的功率有限，只能焊比较薄(厚度约0.15mm)的金属盖板，不能用于大型MCM。为了能对大型MCM中采用比较厚(0.25~0.5mm)的金属盖板进行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。

采用缝焊封接时，先用环氧树脂及焊料等粘结剂，将陶瓷布线板支持固定在金属外壳中，而粘结剂在散热性及耐机械冲击性等方面都存在问题。为解决这些问题，可以在陶瓷布线板上，通过银浆料，粘结固定与布线板热膨胀系数基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封环，并作为激光熔焊时的金属基体。

二、气密性封装技术

a.钎焊气密封接技术