电子封装的

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摘 要:简述了电子封装的类型,详细综述了金属封装材料、陶瓷封装材料和塑料封装材料的发展,详细综述了单列直插式封装(SIP)、双列直插式封装(DIP)、有引线塑料芯片载体(PLCC)、四方型扁平封装(QFP)、球栅阵列封装(BGA)和芯片级封装(CSP)等封装形式的概念、性能和优缺点.此外,还指出了电子封装的发展历程中面临的各种标准的统一问题.

关 键 词 :封装类型 封装材料 封装形式 封装标准

中图分类号:TN4 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2012)002-084-03

1.电子封装的类型

电子封装是指对电路芯片进行包装,保护电路芯片,使其免受外界环境的影响的封装.依据成型工艺来划分①,电子封装划分为预成型封装(pre-mold)和后成型封装(post-mold).依据使用的封装装材料来划分,电子封装分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装.依据封装外型来划分②,划分为单列直插式封装(SIP,single in-line package)、双列直插式封装(DIP,dual in-line package)、有引线塑料芯片载体(PLCC,plastic-leaded chip carrier)、塑料四方型扁平封装 (PQFP,plastic quad flat package)、小外形封装(SOP,all-outline package)、薄小外形封装(TSOP,thin all-outline package)、塑料针栅阵列(PPGA,plastic pin grid array)、塑料球栅阵列(PBGA,plastic ball grid array)、芯片级封装(CSP ,chip scale package)等.如果按第一级与第二级连接方式来划分,就划分为插孔式(或通孔式)(PTH,pin-through-hole)和表面贴装式T(surface-mount-technology).

2.封装材料的发展

2.1 金属封装③

金属封装是将分立器件或集成电路置于一个金属容器中,用镍作封盖,并镀上金属,是半导体器件封装的最初的形式,适合于低I/O引脚数的封装.在散热方面,很多封装也都用金属作为散热片或者热沉.金属材料多数作为壳体、底座和引线使用.

金属材料是作为芯片和基板的支撑和保护的,而芯片和基板材料都比较固定,如芯片材料一般是Si,GaAs;陶瓷材料一般是Al2O3,BeO,AlN.它们的热膨胀系数(CTE)在30-6K-1~70-6K-1.这就要求金属材料要具有以下特征:(1)与芯片和基板相匹配的热膨胀系数.(2)好的热导率.(3)加工性能要好,易于成批量生产.

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2.1.1 传统封装金属

常用芯片、基板及金属封装材料的性能如表1.

铜的热导率高达400 W(m-3K-1),是散热非常理想的封装壳体,但是它的热膨胀系数也高达17.30-6K-1,产生的热应力很大,此外,铜的退火后机械性能差,容易永久变形,所以阻碍了其使用.

表1 常用芯片、基板及金属封装材料的性能

铝的热膨胀系数非常高,也和铜面临同样的问题,与芯片和基板存在严重得热失配,阻碍了其广泛的使用.

钢的热膨胀系数也高,热失配也严重.不锈钢热导率为32.9 W(m-3K-1),比较低.它们应用范围小,主要在要求不高的,耐腐蚀的环境下使用.

可伐的热膨胀系数与芯片,基板的热膨胀系数匹配非常好,适合在传热要求比较低情况下使用.其低的热导率阻碍了其广泛的使用.

W和Mo与芯片,基板的热膨胀系数非常接近,热匹配都非常好,热导率也非常高,导热性能好.但是W的加工性能差,工艺复杂,可靠性差;Mo的重结晶后非常脆.此外,W,Mo的昂贵,这些阻碍了其发展.

2.1.2 新型的金属基复合材料

传统的金属封装材料都存在不同程度的缺陷,难以满足现代封装的要求.为了适应封装的需求,发展了新型的金属基复合材料.

金属基复合材料有很多种,作为封装的主要有铜基复合材料④和铝基复合材料.

铜基复合材料可克服铜退火后的机械性能变差的缺点.

为了满足封装需要,在铜里面掺入其它杂质构成铜基复合材料,提高铜的退火后的机械特性,或者让复合材料的热膨胀系数与芯片和基板的热膨胀系数匹配,或者提高热导率,以满足高散热要求等.如在铜里面掺入0.3%的Al2O3后得到Glidcop,Glidcop与50%的可伐构成的复合材料的屈服强度为760MPa,在一定程度上满足了需要.再如,在铜中掺入合金Invar(Fe-36Ni),热膨胀系数就改变了,为0.40-6K-1,但是热导率损失严重,仅为11 W(m-3K-1).同时,这种材料在烧结的过程中,铜和Invar相互扩散,这就对复合材料的导热、导电和热膨胀系数都有一定的影响.


铝与SiC按一定比例制成的铝基复合材料是应用最广泛的铝基复合材料,因为其在工艺、成本、毒性和密度方面综合起来看,都是比较满意的.

高硅铝合金材料的应用比较广泛,因为其膨胀系数低,密度低,在航空领域应用尤其突出.

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.少量产品用于特殊性能要求的军事或航空航天技术中.

集成电路集成度的不断提高,散热要求的不断升级,给金属封装材料提出来更高的要求.要求金属封装材料继续向金属基复合材料发展,要求金属基复合材料要与芯片、基板的热膨胀系数更加匹配,热导率更高,加工更容易,更便宜.

2.2 陶瓷封装

陶瓷封装,像金属封装一样,是气密性封装,是继金属封装后发展起来的另一种封装形式.陶瓷封装材料密度一般比金属封装材料的密度要低,也相对便宜.

陶瓷封装经过不断的改进,性能越来越好,尤其是陶瓷流延技术的改进,使得陶瓷封装在功能方面的灵活性有了较大的发展.

多层陶瓷封装外壳的发展重点是可靠性好、柔性大、开发成本低.

陶瓷封装优点有气密性好,热膨胀系数小、机械强度高、耐湿性好和热导率高,可实现多信号、地和电源层结构,并能对复杂的器件进行一体化封装.

陶瓷封装缺点是烧结精度差、贵,主要应用在一些特殊的场合.

多层陶瓷封装外壳的发展重点是可靠性好、柔性大、开发成本低.

陶瓷封装材料主要有Al2O3、BeO和AlN等.它们的主要性能如表1.

Al2O3陶瓷是目前应用最广泛的陶瓷封装材料,占据陶瓷基片材料的90%.其低廉、耐热冲击性和电绝缘性较好、化学稳定性好、制作和加工技术成熟.

BeO陶瓷虽然具有较高的热导率,但是其毒性和高生产成本是致命的,是阻碍其生产和应用的主要原因.

AlN陶瓷具有良好的热导率,热膨胀系数与芯片材料更匹配,材质坚硬,能制成很薄的材料,满足不同的应用.但是AlN陶瓷的成本高,制备工艺复杂,故至今未能进行大规模的应用.

2.3 塑料封装

相对而言,塑料封装发展迅猛,已占据了90%(封装数量)以上的封装市场份额⑤,且还在不断上升.在80年代以来,随着塑料封装技术和芯片钝化层技术的进步,芯片钝化层质量有了根本的提高,使其因潮气侵入而引起电子器件失效的能力已大大减低了,因此,塑料封装的地位越来越高.


塑料封装主要是热固性塑料,包括有机硅类聚酯类、酚醛类和环氧类,其中以环氧树脂应用最为广泛.

塑料封装具有绝缘性能好、低、质量轻等优点,性价比最诱人.

塑料封装的缺点气密性差,对湿度敏感,容易膨胀爆裂.

3.封装形式的发展

3.1 SIP

SIP是单列直插式封装,一般是通孔式的,从封装体的一边引出管脚,引脚只有一排,管脚插入印刷电路板的金属孔内,封装的形式多样.SIP的引脚数从2到23不等.

SIP具有设计周期短、开发成本低、灵活性高等特点,更适用在低成本、小面积、高速高频的电子产品中.

SIP的吸引人之处在于它们占据最少的电路板空间,且在高频器件中占有独特的优势,在高频器件中得到广泛的应用,但是,封闭式的电路板限制了SIP的高度和应用.

3.2 DIP

双列直插式封装DIP封装的管脚从封装体的两端直线式引出,是插装 型封装之一.DIP封装材料有陶瓷和塑料两种,其外形通常是长方形的,管脚从长的一边伸出.绝大部分的DIP是通孔式,少部分是表面贴装式,主要应用在存贮器LSI,标准逻辑IC,微机电路等.对DIP来说,其管脚数通常在6至64(6,8、14、16、18、20、22、24、28、40、48、52和64)之间,封装宽度通常是15.2mm,其中,24至40管脚数的器件最常用于逻辑器件和处理器,而14至20管脚的多用于记忆器件.当器件的管脚数超过48时,芯片面积/封装面积一般都在1:1.9,说明,封装效率很低,DIP结构变得不实用并且浪费电路板空间.

3.3 PLCC

PLCC是指带有引线的塑料芯片载体,引脚从四个侧面引出,是表面贴装型封装之一,对高引脚数器件来说,是较好的选择.其它一些缩写字可以区分是否有引脚或焊盘的互连,或是塑料封装还是陶瓷封装体.诸如LLC(lead chip carrier)有引脚,LLCC(leadless chip carrier)无引脚.PLCC的管脚间距是0.050英寸,与DIP管脚间距2.54mm相比,其优势是显而易见的.PLCC的引脚形状为J型,不容易变形,但外观检测困难,引脚数通常在18至84之间(18、20、28、32、44、52、68和84).

3.4 QFP

四方扁平封装(QFP)其实是微细间距、薄体LCC,引脚从四个侧面引出.引脚呈欧翅型,管脚间距比PLCC的0.050英寸还要细.QFP可以是塑料封装,可以是金属封装,可以是陶瓷封装.塑料QFP通常称为PQFP,PQFP有二种工业标准,PQFP角上有凸缘的封装,以便在运输和处理过程中保护引脚,其引脚间距是相同的,都为0.025英寸;另一种就是PQFP没有凸缘,其引脚间距有1.0mm,0.8mm和0.65mm三种.同一模块尺寸可以有不同的引脚数目,这意味着同一模具、同一切筋打弯工具可用于一系列引脚数的封装.引脚经常被弯曲,常见于28mm以上的器件.PQFP最常见的引脚数是84、100、132、164和196.为了提高其有效互连面积,在正方形结构中,并非所有模块下的通孔均可以插入,必须有一些芯片的连接要转换到模块外形的外面.长方形结构可以使短边引脚数少于64个、引脚间距不大于0.025英寸(1mm)的引脚都插入模块底下的通孔中.

3.5 BGA

球栅阵列封装BGA是20世纪90年始应用,现主要应用于高端器件的封装,发展空间还相当大.

BGA封装技术是在模块底部或上表面焊有按阵列形式分布的许多球状,通过焊料实现封装体与基板之间互连的一种封装技术.

BGA具有很多优点:成品率高、寄生参数减小、可靠性高、传输延迟小、散热性能好、芯片面积/封装面积为1:1.14,更接近1,封装效率高.BGA缺点就是功耗大.

广义的BGA封装还包括矩栅阵列(LGA)和柱栅阵列(CGA).BGA目前主要应用于高性能、高密度领域,如PC芯片组、ASIC、DSP、PLD等.BGA的节距有1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.65mm、0.5mm.其发展趋势是细节距、高I/O数.

3.6 CSP

芯片级封装CSP⑥是芯片尺寸与封装尺寸相当的封装形式,其芯片面积/封装面积超过1:1.15.与BGA相比,同等面积下,CSP封装存储容量是BAG的3倍.

CSP有引线框架CSP、硬质基片CSP、柔性基片CSP、圆片级CSP和叠层CSP五种.

CSP的特点是:电气性能好、可靠性高、热效应良好、体积相当较小.

CSP主要应用于高性能的存储器中,并逐步向ASIC、DSP、网络等领域进军.

圆片级封装WLP(Wafer Level Package)将是CSP发展的主流.

4.封装面临的问题

封装在全国和全世界发展来看,发展不平衡,标准也不同,工艺也有差异,导致现状封装面临了一系列的问题.为了加速封装产业的发展,推动微电子产业的加速,对封装的问题必须进行讨论,并统一标准.封装主要要统一如下问题:统一的名词术语标准⑦、机械尺寸标准、测试方法标准、考核鉴定标准等.

4.1 名词术语的统一

名词术语太多,每个企业都有自己的标准,其他企业与其交流的时候,理解就会遇到不一致的情况,不便于交流和发展.如SOP,有的认为是Small Outline Package(小外形封装),有的人认为是System on Package(系统封装).BGA就有“焊球阵列”、“球栅阵列”、“ 焊球格状阵列”、“焊球网格阵列”等.WLP的名称有“圆片级封装”、“晶片级封装”、“晶圆级封装”等.所以封装名词术语急待统一.

4.2 外形尺寸标准的统一

截止到2000年,JEDEC已注册的BGA共分为7类,其中CBGA的尺寸就有102种,PBGA为150种,还有TBGA若干种.

现在封装加工的自动化程度高、速度快,如引线键合速度已达到每秒14线,封装关键尺寸的不统一、工艺就容易出问题,一旦失控都将导致大量的废品,或生产效率下降.所以封装工艺,封装尺寸必须统一,封装产业才能可靠,高速的运转.

4.3 封装测试方法标准的统一

在BGA封装测试中,翘曲、共面性、球直径等测试方法都是百花齐放.在JEDEC和SEMI封装测试中,也有一系列封装测试方法,如机械尺寸测试、引线电阻、电容、电感、热阻的测试等.

4.4 封装性能考核鉴定标准的统一

对CSP性能的考核,尚没有统一的标准.如温度循环,有的是65℃~+150℃,600次循环;有的65℃~+125℃,300次循环.有的在150℃高温贮存,有的在125℃做高温贮存.

所以,封装的考核标准问题也要统一,以便加速封装产业的发展.

5.结论

伴随着集成电路的封装,封装技术的发展正在日新月异的变化,封装种类繁多,为了加速封装产业的发展,开发新型的封装材料,封装形式日益重要,同时,统一封装标准更是当务之急.

(基金项目:贵州大学2010年实验室建设项目基金(黔科计 [2010]4006);贵州大学研究生创新基金(校研理工2011003))

注释:

① 方明,王爱琴,谢敬佩,等.电子封装材料的研究现状及发展[J].材料处理技术,2011,40(3):84-85.

② 杨会娟,王志法.电子封装材料的研究现状及发展[J].材料导报,2004,18(6):87-90.

③ 聂存珠,赵乃勤.金属基电子封装复合材料的研究进展[J].金属热处理,2003,28(6):1-5.

④ 蔡辉,王亚平,宋晓平,等.铜基封装材料的研究进展[J].材料导报,2009,23(8):24-27.

⑤ 张蜀平,郑宏.电子封装技术的新进展[J].电子与封装,2004,4(1).

⑥ 王振宇,成立,高平,等.先进的芯片尺寸封装(CSP)技术及其发展前景[J].封装测试技术,2003,28(12):40-42.

⑦ 贾松良.微电子封装的发展及封装标准[J].信息技术与应用,2003,(3):37.