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第一章 电子封装工程概述

一、电子封装工程的定义和范围、功能及分类:
1、定义:
a.“封装”这个词用于电子工程的历史并不久,在真空电子管时代,将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装或装配”,当时并没有“封装”这一概念;
b.在半导体器件制作过程中,有前工程和后工程之分,二者以硅圆片wafer切分成芯片chip为界,在此之前为前工程,在此之后为后工程;
c.狭义的封装(packaging PKG)主要是在后工程中完成,并可定义为:利用膜技术及微细连接技术,将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接,引出接线端子,并通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺;
d.封装工程是指将封装体与基板连接固定,装配成完整的系统或电子机器设备,以确保整个系统综合性能的工程;
e.广义的电子封装应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和,将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能。转变为适用于机器或系统的形式,并使之为人类社会服务的科学与技术,统称为电子封装工程。

2、范围:
a.电子封装包括薄厚膜技术、基板技术、微细连接技术、封接及封装技术等四大基础技术,由此派生出各种各样的工艺问题。从材料上讲,电子封装要涉及到各种类型的材料,例如焊丝框架、焊剂焊料、金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉料、表面活性剂、有机粘结剂、有机溶剂、金属浆料、导电填料、感光树脂、热硬化树脂、聚酰亚胺薄膜、感光性浆料,还有导体、电阻、介质及各种功能用的薄膜厚膜材料等。从设计、评价、解析技术讲,涉及到膜特性、电气特性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析、评价与检测;
b.以超级计算机和ISDN为例,构成整个电子设备包括6个层次,其中层次1为0级封装,层次2为1级封装,层次3为2级封装,层次4、5、6为3级封装;
c.从几何维数的角度,可将电子封装工程所涉及的范围及各工序、各部分之间的关系分解为点、线、面、体、块、板等,对应到电子封装中的键合、连接、封接、封装、实装、安装等术语。

3、功能:一般来说,顾客需要的并不是芯片,而是芯片和PKG构成的半导体器件,PKG的功能主要分为:芯片电气特性的保持功能、芯片保护功能、应力缓和功能、尺寸调整配合功能(间距变换)、规格通用功能;

4、分类:
a.分类方法:
■按芯片在基板(或中介板)上的装载方式(一级封装)分类:正装片和倒装片、引线键合WB方式和无引线键合方式、倒装片键合、TAB(Tape automated bonding,自动键合带)及微机械键合之分;
■按基板类型分:有机基板和无机基板、单层(包括柔性带基)、双层、多层、复合基板等;
■按封接或封装方式分:气密性(hermetic or seal)封接和树脂封装;
■按PKG的外形、尺寸、结构分类:根据PKG接线端子的排布方式进行分类,依次出现DIP、PGA、QFP、BGA、CSP等几大类;
■按封装材料、封装器件和封装结构分类:金属封装、陶瓷封装、金属-陶瓷封装、塑料封装;
b.几种典型的PKG类型:
■DIP dual in-line package 双列直插式封装;
■PGA pin grid array package 针栅阵列插入式封装;
■QFP quad flatpack package 四边引线扁平封装;
■SOP small outline package 小外形表面封装;(派生出LCCC/PLCC/TCP/TAB等)
■BGA ball grid array 球栅阵列封装(曾称为OMPAC ove model pad array carrier或bump grid array),常见类型有PBGA(plastic ball grid array)、CBGA(ceramic ball grid array)、TBGA(tape ball grid array)、SBGA(super ball grid array);
■CSP chip size package CSP具有多种多样的结构,并不是一种新的封装类型,但CSP应具有下述特征:CSP是芯片尺寸等同或略大的封装的总称、就封装形式而论,属于已有封装形式的派生品、从96年开始向便携式信息电子设备推广,其标准化、一次性回流焊特性及价格等与QFP不相上下、目前的CSP不仅从外观(实装时的互连结构),而且从内部连接方式上有多种不同的结构、各大电子公司为了在包括低档产品在内的一般便携式信息设备中实现超高密度化,都在积极开发极限超小型封装,CSP的发展极为迅速,各种新型的CSP结构会不断出现;
c.各种实装方式(二级封装或一级加二级封装)
■COX chip on X,为裸芯片直接装载在布线基板上的实装方式,X可以是有机膜片(F)、印刷电路板(B)、陶瓷基板(C)、玻璃基板(G)、硅片基板(S)等;
■MCM multi chip module,多芯片组件,又分为MCM-C(ceramic)、MCM-L(lamination)、MCM-D(deposition);
■WSI wafer scale integration 硅圆片规模的集成封装,其基本思想是实现硅片上系统(system on wafer);
■SOC system on a chip 及芯片上系统;

二、技术课题:
1、信号的高速传输:
■应保证布线长度最短和布线长度偏差最小;
■为降低反射噪声、串扰噪声(cross talk noise)以及接地噪声,需要采用多层布线基板;
■开发特性阻抗匹配的多端子插接板
2、高效率冷却:高效率的冷却、散热是大规模集成电路必须考虑的问题;
3、高密度化;
4、防止电磁波干扰技术,EMC(electronic magnetic compatibility)和EMI(electronic magnetic interference)等电磁干扰不可忽视,频率越高现象越严重;

三、从电子封装技术到电子封装工程:
1、电子封装技术的体系与范围:四大技术为支柱,设计、评价、可靠性技术;封装工艺技术(薄厚膜、封接、封装等);基板及搭载的元器件(各种原材料及元器件工艺等);实装技术(微互联、成型、组装等);

2、电子封装工程的主要课题:
a.目前电子封装中遇到大量的工程问题,总起来有:互联技术-interconnection、金属材料及相关工艺-metallugy、有机材料-organic materials、厚膜及薄膜-thick and thin films、界面与表面-interface and surface、粘结与封接-adhesion、电极及阻挡层-electrodes barrier metals、精细镀层-plating、光电子学-optoelectronics、微细加工-micromachining、包覆保护-protection、微细结构内应力-inner stress、可靠性-reliability、基板-substrates、电磁波辐射-EMI、电路图形设计-design、散热-thermal management;
b.基础封装理论:封装理论、封装设计和封装的计算机模拟;
c.制膜工程:膜材料及成膜工艺、微细加工、特俗功能膜;
d.基板及布线工程:基板材料及结构、布线材料及工艺、封装总体结构及可靠性;
e.微细连接工程:冶金学连接、微机械连接、化学连接;

3、电子封装材料:从根本上说,电子封装的性能、制作工艺、应用及发展等决定于构成封装的各类材料,包括半导体材料、封装基板材料、绝缘材料、导体材料、键合连接材料和封装封接材料等,涉及到这些材料的可加工成形性。包括热膨胀系数、热导率、介电常数、电阻率等性能在内的材料物性、相容性及价格等;

4、电子封装发展的国内外现状(略)

四、工程问题:
1、工程问题之一:封装结构1
a.从周边引脚到平面阵列引脚(BGA与QFP的比较);
b.利用双金属层上下对称型的QFP(树脂-芯片-树脂3层结构);
c.引脚应力(应变)的吸收;
d.安装在基板上也能确保封装的可靠性;
e.平面阵列相对于封装体内部非对称的排布结构;
f.通过应力吸收,使封装体与基板间不产生应力;
g.二维热分析;

2、工程问题之二:封装结构2
a.封装体四角处电极焊盘的最大应力分析;
b.应力随树脂种类、多少发生变化的分析(CSP);
c.凸点焊盘的表面张力在电极中引起的应力;
d.结构设计的最优化;
e.基板、树脂的热膨胀系数、耐热性、吸湿性;
f.焊盘与电极材料的合金化过程分析;
g.微球的均匀性、结晶性、合金特性;

3、工程问题之三:键合连接
a.从钎焊键合到微机械接触连接;
b.各向异性导电连接能否普遍推广;
c.导电性连接材料的可靠性;
d.从金丝键合、带载连接到微球凸点;
e.电镀过程的解析与控制;
f.由于材料热膨胀系数的差引起的热应力疲劳;
g.材料的熔点、加工性、成膜性、耐湿性、散热性;

4、工程问题之四:ACF ACP连接法
a.各向异性导电膜ACF、各向异性导电浆料ACP的开发;
b.压接各向异性连接倒装片技术;
c.各向异性连接用于FCOB(flip chip on board);
d.ACF、ACP连接法在MCM、CSP中的推广;

5、工程问题之五:高密度多层基板
a.积层build-up多层基板:埋孔直径,L/S(线宽/间距)为50um的埋孔加工法、加工精度、粗糙度、多层膜的结合强度;
b.激光加工埋孔:激光波长、能量分布、吸收效率、加工效率、位置精度;
c.光刻法加工埋孔:材料的感光性与其他物性的关系,深径比的提高;
d.布线蚀刻:新加工方法的开发与加工精度的提高;
e.新绝缘材料的开发;
f.芯片多层布线技术的导入;
g.新型埋孔制作技术的开发;

6、工程问题之六:EMI
a.伴随回路高速化(500MHz以上)出现的问题;
b.与误动作、辐射、放热等紧密相关的问题;
c.布线图形设计不当会形成内部天线;
d.内部耦合可能造成系统的误动作;
e.阻抗匹配与信号反射;
f.电路图形与EMI解析软件的开发;
g.对电源、接地线等增加的限制;
h.电路设计、封装设计与防止EMI措施的协调;

7、工程问题之七:无铅焊料
a.现在普遍采用的Pb-Sn共晶合金MP183℃,半导体、电子部件的耐热温度为220℃,希望开发强度、熔点、价格等综合性能不低于Pb-Sn的无铅焊料;
b.有希望的焊料为Sn-Bi、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge;
c.需要从相图、界面现象、迁移现象等方面检查、分析、筛选;
d.能否在某些条件下,某些场合达到实用化;
e.需要进一步弄清楚焊剂的作用;

五、电子封装工程的发展趋势(略)

六、我国应该高度重视电子封装产业:(理由如下)
1、从范围上讲,整个微电子产业或电子信息产业应包括以下五大部分:大规模集成电路(芯片)及相关技术、电子元器件及电子封装工程、电子显示器(特别是平板显示器)技术、计算机、通信、网络及信息处理技术、软件技术;
2、发展电子封装产业充满商机:电子信息产业已成为世界性的支柱与先导产业,半导体集成电路元件被称为“工业之米”;
3、目前在世界范围内广泛研究开发的CSP、MCM封装及HDI工艺等涉及到目前微电子封装中的许多前沿热门课题;
4、电子封装涉及到各种材料,这些材料是电子封装、平板显示乃至整个电子工业基础中的基础。“制作材料者制作技术”,从战略上、全局上。这些基础材料的国产化亟待解决;
5、包括电子封装在内的大规模集成电路技术和包括平板显示器在内的显示器技术史点脑子信息产业的两块基石,只有踏稳这两块基石,整个电子信息产业才有基础、才有后劲、才有稳步发展的空间;
6、目前微电子产业已逐渐演变为设计、制造和封装三个相对独立的产业,由于电子封装产业相对于其他二者涉及的相关行业多,可带动一大批基础产业,而且要求投资较少、技术相对较低、劳动力密集、投资收益快,对于解决就业问题意义重大,因此亟待在我国迅速发展。

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