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    微電子封裝的發展歷史和新動態

    來源:UC論文網2016-06-21 14:46

    摘要:

    隨著電子產品向小型化、高集成度的方向發展,電子產品的封裝技術已逐步邁入到微電子封裝時代。電子產業巳成為當今世界最活躍、最重要的產業之一。

      0.引言
     
      隨著信息時代的發展,電子產業已成為當今世界最活躍,同時也是最重要的產業之一。根據美國電子消費協會發布的最新數據,2013年全球電子消費行業銷售額創造新髙,較上一年增長3%,達到1.068萬億美元。以中國為主的亞洲發展中國家則首次取代北美,成為全球最大電子消費市場[1]。與此同時,電子產業的強勁發展也帶動了與之密切相關的電子封裝產業。微電子封裝一方面朝著高集成度、高頻率、大功率、低成本的方向發展,另一方面,新工藝和新材料的不斷涌現,也使微電子封裝朝著更節能、更環保和更持久的道路前進。本文從微電子封裝的角度出發,介紹了其發展歷史及最新動態,同時對今后的發展給出了一些建議。
     
      1.電子封裝發展簡史
     
      自從1947年發明了第一只半導體晶體管,同時也就開啟了電子封裝的歷史。一般將電子封裝的發展分為3個階段。
     
      (1)20世紀70年代為通孔插裝器件時代。主流的封裝形式為通孔器件和插入式器件,包括DIP(雙列直插式)和PGA(針柵陣列),器件的電氣和機械聯接分別通過機械接觸和波峰焊接來實現。由于這類插裝器件要求具備高對準度,但是又受到當時的工作條件所限,使得封裝速率始終難以提高。
     
      (2)20世紀80年代出現了SMT(表面貼裝技術)。以PLCC(塑料有引線片式載體)和QFP(四邊引線扁平封裝)為代表,與傳統的插裝式不同,集成電路是通過將一些細微的引線貼裝在PCB板上,其電氣特性得到了提高,并且生產的自動化程度與70年代相比有了大幅的提升。此外,它還具有密度高、引線節距小、成本低和適于表面安裝的優點。
     
      (3)20世紀90年代為BGA(球柵陣列封裝)和CSP(芯片尺寸封裝)時代。在這個時期,集成電路規模飛速發展,引線間距不斷減小,以至于到后來在工作過程中達到技術所能支撐的極限。在這種情勢下,BGA的出現在很大程度上解決了遇到的問題。它以面陣列、焊球凸點為I/O引腳,大大提高了封裝的密度,進人了爆炸性發展時期[2_3]。
     
      2.當前廣泛應用的電子封裝技術

            2.1BGA/CSP封裝技術
     
      BGA封裝即球柵陣列封裝,是在封裝體基板的底部制作陣列焊球并作為電路的I/O端與PCB(印刷線路板)互連的技術。目前市場上出現的BGA封裝,按基板種類主要分為PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGAC陶瓷焊柱陣列)、TBGA(載帶BGA)、MBGA(金屬BGA)、FCBGA(倒裝芯片BGA)、EBGA(帶散熱器BGA)等。BGA封裝自感或互感效應小,信號傳輸延遲小,工藝技術操作起來方便快捷,產品制作成功率高。’不過封裝時對空氣濕度較敏感。
     
      CSP即芯片尺寸封裝,是目前最先進的集成電路封裝形式之一。與BGA結構基本一樣,只是錫球直徑和球中心距縮小變薄了,這樣在相同封裝尺寸時可有更多的I/O數,使組裝密度進一步提高,可以說CSP是縮小了的BGA。目前CSP封裝可分為LFT(傳統導線架形式)、RIT(硬質內插板型)、FIT(軟質內插板型)以及WLP(晶圓尺寸封裝)。csp的特點為組裝時占用印制板的面積小,可用于薄型電子產品的組裝;重量是相同引線數的QFP的1/5以下;在相同尺寸的各類封裝中,CSP的輸人/輸出端子密度允許做的更大。
     
      2.2多芯片組件封裝技術
     
      多芯片組件封裝簡稱MCM技術,是將兩個或以上的大規模集成電路的裸芯片共同封裝于同一個外殼內。按基板進行分類有厚膜MCM、薄膜MCM、陶瓷MCM和混合MCM。該技術實現了封裝的高密度化、小型化和輕量化,可靠性也得到提高。但缺點是MCM成本較高,并且由于高集成度而使器件熱量集中無法快速擴散,成為阻礙電子技術快速發展的一個主要因素。
     
      2.3倒扣芯片技術
     
      倒扣芯片技術簡稱FCT,在當前也是一項廣為應用的技術形式。它與以往的組裝形式正好相反,將芯片有源區面對基板進行鍵合。之前一直未獲得廣泛應用的原因主要是價格成本高和工藝復雜等。該技術在芯片和襯底之間的間隙采用底層填充料進行填充,改善了芯片和襯底熱膨脹系數失配問題[5]。
     
      2.4三維電子封裝技術
     
      疊層芯片封裝簡稱3D封裝,是指在不增加封裝組件體積的情況下,在豎直層面上疊加兩個以上的芯片。近年來,疊層芯片封裝逐漸成為封裝技術的發展主流。與常規封裝技術相比,三維封裝尺寸和重量進一步減小,信號傳遞延遲現象有所改觀,并最終達到了高速、高效和高可靠性的工作狀態。
     
      3.微電子封裝的新動態
     
      從20世紀70年代的通孔插裝到目前的三維系統封裝,電子封裝技術無論是在封裝材料、封裝技術還是封裝的應用等方面幾經變遷,不斷完善,對人類生活產生了深遠的影響。隨著電子工業的進一步發展,電子封裝領域又發生了一些改變。
     
      3.1新型復合材料
     
      目前廣泛使用的電子封裝材料有金屬、金屬基復合材料、玻璃、塑料、陶瓷等等。隨著科技和經濟的發展,單一基體的封裝材料已無法適應時代的需求,所以迫切地需要開發新型復合基材料。由于現今科技的發展,電子封裝材料不僅要具有更高的熱導率及與芯片熱膨脹系數的匹配性,還應具有更低的密度。在對大量的復合材料進行各種性能比對后,Be0、’AlN、Al/_SiC與AlSi由于具有高熱導率、低密度及與芯片材料良好的熱膨脹匹配性等優點而脫穎而出,并已經逐步取代常規的一些封裝材料。
     
      3.2無鉛焊料
     
      新型的無鉛焊料優點突出,除了機械性能優良和穩定性高外,原料價格也較便宜,慢冷時焊接表面的孔洞較少。但是這種焊料的熔點普遍偏高,浸潤性也比較差,不利于操作,這些將是研究無鉛焊料亟待解決的問題m。通過各種性能測試試驗,已篩選出的可投人使用的無鉛合金焊料達幾百種之多,其中SnAgCu、SnZnBi、SnCu等幾類頗受市場青睞[8]。
     
      3.3低溫焊接技術
     
      近年來雖然一直在盡力推廣應用無鉛焊料,但是由于大部分無鉛焊料的熔點都較高,導致無鉛焊料在使用時需要消耗更多的能源。另外,廢舊產品處理的難度大、成本高也是必須面對的現實。因此,使用低熔點的無鉛焊料,實現無鉛焊料的低溫焊接就顯得尤為重要。使用低溫焊接技術,可以大大降低連接時的熱應力,降低成本,產品廢棄后處理也較容易,有實現循環利用的可能。
     
      4.結語
     
      電子封裝技術的發展關系到電路板以及整個工作器件的性能發揮和工作壽命的長短。芯片封裝技術幾經升級,但始終還是不夠完善。仍然需要在攻克關鍵性的技術瓶頸、考慮其市場占有價值、注重其可持續發展等方面不斷進取,完成產業從量向質的轉變。
     
      本文根據我國封裝技術的發展現狀,對未來的發展給出了幾點建議:
     
      (1)攻克技術瓶頸。在電子封裝不斷向高集成化、輕量化、高性能化發展的同時著力解決散熱問題、信號傳輸延遲問題、噪聲干擾問題等。
     
      (2)注重環保。實施綠色電子制造和采用綠色電子封裝材料。全面采用無鉛、無齒素及免清洗材料;導電膠成為替代無鉛釬料的另外一種材料與無鉛釬料共同發展?。
     
      (3)降低成本。不斷延長電子器件的使用壽命,用有機導電聚合物代替合金焊料,研究下部填充樹脂,提高廢棄元器件的回收技術,增加二次利用率。
     
      (4)關注應用在特殊領域的電子產品。對各種高溫、潮濕等惡劣工作環境或者對電子元器件有特殊要求的某些場所,研究具有針對性的封裝方式。
     
                                                                                               張翼,薛齊文,王云峰
                             (1.大連交通大學土木與安全工程學院,遼寧大連116028;2.唐山軌道客車有限責任公司,河北唐山063000)

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