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電子封裝的技術范文1
1 點膠技術綜述
基于點膠原理的不同，可將點膠技術分為接觸式點膠和無接觸式點膠[3，4]，如圖1所示。接觸式點膠的工作原理是通過點膠針頭引導液同基板接觸，經過一段時間后待基板完全浸潤后，點膠針頭開始向上運動，膠液依靠同基板間的黏性力同點膠針頭分離在基板上形成膠點。接觸式點膠技術的特點是需要配置高精度的傳感器來控制針頭抬起和下降高度。無接觸式點膠是采用相關方式使膠液受到高壓作用，膠液在獲得足夠大的動能后按照規定的速度噴射到基本之上。膠液在噴射時，針頭沒有Z軸方向位移[3]。近幾年來，點膠技術得以快速發展，已經從接觸式點膠技術向無接觸式點膠技術轉變。當前國外已經開始研究和開發無接觸式點膠技術，并取得了一定的成績。不過，就我國而言，目前還有超過一般以上的點膠系統仍舊采用接觸式針頭點膠，且以時間/壓力型為主[2]；無接觸式點膠系統市場份額占有率低下，所以，針對我國點膠技術發展實際，加強對精度高、可靠性強的流體點膠技術研究和開發勢在必行[5]。
2 接觸式點膠
2.1大量式點膠
大量式點膠可細分為針轉式點膠和絲網印刷式點膠兩種。大量式點膠的突出特點是點膠速度快?？蛇m用于印刷電路板的大規模生產線，其缺點是柔性差，點膠的精度不是很高，一致性差，且膠液是直接暴露在空氣中，膠液容易吸水和揮發，影響膠液質量。針轉移式點膠的適應性比較差，對于不同的點膠樣式需要更換針板，在點膠時需不停加熱，重復適用性差。絲網印刷式點膠僅僅適用表面比較平整的元器件，而對于表面凸凹不平的集成電路則不適用。[2，4，6]。
2.2 針頭式點膠
2.2.1 計量管式點膠和活塞式點膠
計量式點膠和活塞式點膠是繼大量式點膠后的一種新型點膠方式。這兩種點膠方式都是通過壓力驅動膠液流出完成點膠。計量式點膠是由螺旋桿旋轉提供壓力，在壓力作用下膠液流出，針頭按照一定的軌跡移動可畫出線或者圓等圖案。活塞式點膠是通過活塞作用推動膠液流出完成點膠。該點膠方式的一致性好，不過膠液的量不好控制，活塞清洗困難，對活塞的密封性要求極高[2，4，6]。
2.2.2 時間/壓力型點膠
時間/壓力型點膠是當前應用最為廣泛的點膠方式之一，該種點膠方式最早的應用在表面貼裝中。其工作原理是通過脈動氣壓擠壓針筒內的活塞，將流體通過底部針頭擠出到基板上。該種點膠技術適用于黏度不是很高的流體；其膠點大小同氣體壓力和時間有關。該種點膠設備的造價比較低，容易操作，維護和清洗方便。不過該種點膠方式對流體的黏度很敏感，氣壓反復壓縮使流體溫度逐漸升高，對流體的流變特性造成了一定影響，比如膠液流出的直徑大小不一，點膠一致性效果差。
3 無接觸式點膠
無接觸式點膠是當前一種基于微電子技術的新型點膠技術，該點膠技術可細分為噴墨點膠和噴射點膠。其中噴射點膠又分為機械式噴射點膠和壓電式噴射點膠兩種方式。
3.1 噴墨技術
噴墨技術指的是將墨水噴涂到基底上面的技術。噴墨方式有熱氣泡式和壓電式。該種技術主要應用在印刷、壓電式噴墨和藥劑生產方面。熱氣泡式噴墨是對熱敏電阻通電，產生熱能加熱墨水產生氣泡，氣泡爆破后墨水噴出形成墨滴；壓電式噴墨是利用壓電材料壓電效應產生機械力，通過機械力將墨水“擠”或“推”出去。不過需要提出的是，微電子封裝中所使用的流體黏度一般都比較高，而噴墨技術只適用于低黏度流體的噴墨。在流體材料適用性方面表現的能力比較欠缺。
3.2 噴射點膠技術
噴射點膠技術當前還處于研發階段，技術還不夠成熟。該技術主要是通過瞬間高壓作用驅動膠液噴出，每次噴射只能形成一個膠點。經過多次噴射后膠點疊加在一起形成圖案。噴射點膠基本上對各種黏度的流體適用。并且噴射的速度快、適應性和一致性好。當前，噴射點膠技術有機械式和壓電式兩種。其中，壓電式點膠適用于低、中黏度流體；機械式點膠適用于黏度高的流體。
3.2.1 機械式噴射點膠
機械式噴射點膠主要用于噴射高黏度流體，目前在電子生產領域得以廣泛應用。采用機械師噴射點膠，流體在比較低的壓力作用下就能進入到料腔內。一般而言，芯片下填充料粘結劑的壓力控制在0.1MPa左右；液晶類黏度比較低的材料壓力控制在0.01MPa左右。該技術的特點是液體在噴嘴位置可獲得極強瞬時壓力，可對黏度高的流體進行噴射；其缺點是噴射出的膠點要比壓電式、熱氣泡式所噴射的膠點尺寸大很多[3，7]，并且其結構比較復雜，噴射頻率要低于壓電式。
3.2.2壓電式噴射點膠
壓電式噴射點膠裝置主要有兩大類型。一類是壓電式點膠作為熱噴墨印刷技術應用于LED中有機顏料的注入；另一類是壓電式噴射點膠是應用于電子器件紫外固化粘結劑包封。
4 結語
綜上，隨著現代科學技術的發展，微電子封裝點膠技術必將會向新臺階邁進。本文針對微電子封裝的接觸式點膠技術和無接觸式點膠技術的應用及優缺點進行了簡要的介紹和分析。僅供業內人士參考。
參考文獻
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電子封裝的技術范文2
[關鍵詞]電子封裝；新型材料；技術進展
中圖分類號：TN305.94 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）30-0005-01
隨著現代電子信息技術的迅速發展，電子系統及設備向大規模集成化、小型化、高效率和高可靠性方向發展。電子封裝正在與電子設計及制造一起，共同推動著信息化社會的發展[1]。由于電子器件和電子裝置中元器件復雜性和密集性的日益提高，因此迫切需要研究和開發性能優異、可滿足各種需求的新型電子封裝材料。
國外通常把封裝分為4級，即零級封裝、一級封裝、二級封裝和三級封裝：零級封裝指芯片級的連接；一級封裝指單芯片或多芯片組件或元件的封裝；二級封裝指印制電路板級的封裝；三級封裝指整機的組裝。由于導線和導電帶與芯片間鍵合焊接技術大量應用，一、二級封裝技術之間的界限已經模糊了。國內基本上把相對應國外零級和一級的封裝形式也稱之為封裝，一般在元器件研制和生產單位完成。把相對應國外二級和三級的封裝形式稱之為電子組裝。
1 電子封裝的內涵
電子封裝工藝技術指將一個或多個芯片包封、連接成電路器件的制造工藝。其作為銜接芯片與系統的重要界面，也是器件電路的重要組成部分，已從早期的為芯片提供機械支撐、保護和電熱連接功能，逐漸融入到芯片制造技術和系統集成技術之中，目前已經發展到新型的微電子封裝工藝技術，推動著一代器件、電路并牽動著整機系統的小型化和整體性能水平的升級換代，電子封裝工藝對器件性能水平的發揮起著至關重要的作用。
電子封裝是為電子產品提供合適環境的技術，它在一段時間內為電子產品提供可靠性。封裝它不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強導熱性能的作用，而且還是溝通芯片內部世界與外部電路的橋梁。對于很多電子產品而言，封裝技術都是非常關鍵的一環。
2 電子封裝的技術要求
2.1 對材料的技術要求
熱膨脹系數、熱導率和密度是現代電子封裝材料必須考慮的三大要素。只有充分滿足這3項基本要求，并具有合理封裝工藝性能的材料才能順應現代電子封裝技術的發展要求。理想的電子封裝材料應滿足以下性能要求[2]：1）較低的熱膨脹系數（Coefficient of thermal expansion，CTE），要求與Al2O3和Ga As芯片相匹配，以避免CTE相差過大產生熱應力使芯片受損；2）較高的熱導率（>100W/（m?K）），保護芯片不因溫度過高而失效；3）較低的密度（100GPa），對機械部件起到穩定支撐及保護作用；5）穩定的化學性質。
2.2 對象的技術要求
封裝技術針對功能相對單一的器件，結構相對簡單、體積較小；微組裝密封針對面向電子整機的多功能和高頻組件，結構較為復雜（如異形等），體積較大。
2.3 對工藝的技術要求
多層基板結構不同：封裝技術采用的多層基板通常只包括電路連接線；微組裝采用的多層基板通常不但包括電路互聯線，而且包括功分器和電橋等微波功率器件。
組裝焊接工藝方法有差別：封裝技術采用的元器件和材料種類較少，需應用適合少品種、大批量的焊接方法；微組裝采用的元器件和材料種類較多，需應用適合多品種、多材料的焊接方法。
密封焊接工藝不同：由于封裝件結構相對外形規則，封裝較多采用平行焊接工藝；由于微組裝組件結構復雜，外形有異形，因此常采用激光密封焊接。
3 電子封裝技術的發展
過去的40多年，國外微電子封裝技術在封裝材料、封裝方式、封裝性能以及封裝的應用等方面均取得了巨大的進步，封裝效率（硅片面積與封裝面積的比值）成幾何倍數增長，PGA（針柵陣列）的封裝效率不足10%，BGA（球柵陣列）的封裝效率為20%，CSP（芯片尺寸封b）的封裝效率大于80%，MCM的封裝效率可達90%。隨著新的封裝技術的出現，封裝效率可超過100%，五芯片疊層封裝的封裝效率可達300%，電子封裝技術已經成為電子器件領域的關鍵技術。
器件級封裝是整個電氣互聯技術發展的關鍵，縱觀近幾年的電子封裝業，其發展趨勢如下：電子封裝技術繼續朝著超高密度的方向發展，出現了三維封裝、多芯片封裝（MCP）和系統級封裝（SIP）等超高密度的封裝形式；電子封裝技術繼續朝著超小型的方向發展，出現了與芯片尺寸大小相同的超小型封裝形式――圓晶級封裝技術（WLP）；電子封裝技術從二維向三維方向發展，不僅出現了3D-MCM，也出現了3D-SIP等封裝形式[3，4]；電子封裝技術繼續從單芯片向多芯片發展，除了多芯片模塊（MCM）外還有多芯片封裝（MCP）、系統級封裝（SIP）及疊層封裝等；電子封裝技術繼續向高性能、多功能方向發展，高頻、大功率和高性能仍然是發展的主題；電子封裝技術向高度集成化方向發展，出現了板級集成、片級集成和封裝集成等多種高集成方式。
電子封裝技術發展的新領域：MEMS封裝、光電子（OE）封裝、高溫（高溫半導體材料）封裝和微光電子機械系統（MOEMS）封裝等。
4 電子封裝材料的分類
4.1 低溫共燒陶瓷材料（LTCC）
LTCC材料是一類由玻璃陶瓷組成的封裝材料，燒結溫度僅有850℃左右，可與金、銀和銅等金屬共燒，介電常數低，介電損耗小，并可以無源集成，尤其是其特別優良的高頻性能，使其成為許多高頻應用的首選[3]。該技術開始于20世紀80年代中期，經過多年的開發和應用，已經日臻成熟，并在許多領域獲得了應用。
4.2 高導熱率氮化鋁陶瓷材料
氮化鋁陶瓷材料是20世紀90年代才發展起來的一種新型高導熱電子封裝材料，由于其熱導率高、熱膨脹系數與硅匹配、介電常數低和絕緣強度高，而成為最理想的功率電子封裝材料，目前已經在微波功率器件、毫米波封裝和高溫電子封裝等領域獲得了應用。
4.3 AlSiC金屬基復合材料
AlSiC金屬復合材料是用于高級熱管理的封裝材料，它具有以下特性，第一該材料可以凈尺寸加工，避免了繁雜的后處理工藝，第二該材料具有高的熱導率、與半導體芯片相匹配的熱膨脹系數以及非常低的密度。該材料適用于航空航天等對輕型化比較敏感的領域。
參考文獻
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電子封裝的技術范文3
一、DIP雙列直插式封裝
DIP(DualIn－linePackage)是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數中小規模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。
DIP封裝具有以下特點：
1.適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。
2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。
Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式，緩存(Cache)和早期的內存芯片也是這種封裝形式。
二、QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝
QFP（PlasticQuadFlatPackage）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設備技術）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點，即可實現與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
PFP（PlasticFlatPackage）方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。
QFP/PFP封裝具有以下特點：
1.適用于SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝布線。
2.適合高頻使用。
3.操作方便，可靠性高。
4.芯片面積與封裝面積之間的比值較小。
Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用這種封裝形式。
三、PGA插針網格陣列封裝
PGA(PinGridArrayPackage)芯片封裝形式在芯片的內外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據引腳數目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時，將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現一種名為ZIF的CPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。
ZIF(ZeroInsertionForceSocket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就可很容易、輕松地插入插座中。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結構生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。
PGA封裝具有以下特點：
1.插拔操作更方便，可靠性高。
2.可適應更高的頻率。
Intel系列CPU中，80486和Pentium、PentiumPro均采用這種封裝形式。
四、BGA球柵陣列封裝
隨著集成電路技術的發展，對集成電路的封裝要求更加嚴格。這是因為封裝技術關系到產品的功能性，當IC的頻率超過100MHz時，傳統封裝方式可能會產生所謂的“CrossTalk”現象，而且當IC的管腳數大于208Pin時，傳統的封裝方式有其困難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現今大多數的高腳數芯片（如圖形芯片與芯片組等）皆轉而使用BGA(BallGridArrayPackage)封裝技術。BGA一出現便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。
BGA封裝技術又可詳分為五大類：
1.PBGA（PlasricBGA）基板：一般為2-4層有機材料構成的多層板。Intel系列CPU中，PentiumII、III、IV處理器均采用這種封裝形式。
2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式。Intel系列CPU中，PentiumI、II、PentiumPro處理器均采用過這種封裝形式。
3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬質多層基板。
4.TBGA（TapeBGA）基板：基板為帶狀軟質的1-2層PCB電路板。
5.CDPBGA（CarityDownPBGA）基板：指封裝中央有方型低陷的芯片區（又稱空腔區）。
BGA封裝具有以下特點：
1.I/O引腳數雖然增多，但引腳之間的距離遠大于QFP封裝方式，提高了成品率。
2.雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能。
3.信號傳輸延遲小，適應頻率大大提高。
4.組裝可用共面焊接，可靠性大大提高。
BGA封裝方式經過十多年的發展已經進入實用化階段。1987年，日本西鐵城（Citizen）公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片（即BGA）。而后，摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發BGA的行列。1993年，摩托羅拉率先將BGA應用于移動電話。同年，康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應用。直到五六年前，Intel公司在電腦CPU中（即奔騰II、奔騰III、奔騰IV等），以及芯片組（如i850）中開始使用BGA，這對BGA應用領域擴展發揮了推波助瀾的作用。目前，BGA已成為極其熱門的IC封裝技術，其全球市場規模在2000年為12億塊，預計2005年市場需求將比2000年有70%以上幅度的增長。
五、CSP芯片尺寸封裝
隨著全球電子產品個性化、輕巧化的需求蔚為風潮，封裝技術已進步到CSP(ChipSizePackage)。它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒（Die）大不超過1.4倍。
CSP封裝又可分為四類：
1.LeadFrameType(傳統導線架形式)，代表廠商有富士通、日立、Rohm、高士達（Goldstar）等等。
2.RigidInterposerType(硬質內插板型)，代表廠商有摩托羅拉、索尼、東芝、松下等等。
3.FlexibleInterposerType(軟質內插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表廠商包括通用電氣（GE）和NEC。
4.WaferLevelPackage(晶圓尺寸封裝)：有別于傳統的單一芯片封裝方式，WLCSP是將整片晶圓切割為一顆顆的單一芯片，它號稱是封裝技術的未來主流，已投入研發的廠商包括FCT、Aptos、卡西歐、EPIC、富士通、三菱電子等。
CSP封裝具有以下特點：
1.滿足了芯片I/O引腳不斷增加的需要。
2.芯片面積與封裝面積之間的比值很小。
3.極大地縮短延遲時間。
CSP封裝適用于腳數少的IC，如內存條和便攜電子產品。未來則將大量應用在信息家電（IA）、數字電視（DTV）、電子書（E-Book）、無線網絡WLAN／GigabitEthemet、ADSL／手機芯片、藍芽（Bluetooth）等新興產品中。
六、MCM多芯片模塊
為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯基板上用SMD技術組成多種多樣的電子模塊系統，從而出現MCM(MultiChipModel)多芯片模塊系統。
MCM具有以下特點：
1.封裝延遲時間縮小，易于實現模塊高速化。
2.縮小整機/模塊的封裝尺寸和重量。
3.系統可靠性大大提高。
電子封裝的技術范文4
電氣互聯技術的作用（1）電氣互聯技術的發展使元器件精細化元器件與互聯工藝技術的發展，使原本大體積的元器件只能插裝在電路板上，從而改變成微型器件（片式元件）直接貼在基板表面，而且基板可以是雙面電路的，使電子元件符合小型化、高性能、安全性和電磁兼容性的需求，并向多層化、大容量、耐高壓和集成化方向發展。如鋁電解電容和鉭電容改片式后，對元件的參數高Q值、低失真、高性能，精小化設計起到飛躍的發展，由于減少了大量分立元件的安裝，大大減少了虛焊、脫焊引起的故障發生，提高了電路的精確度和使用壽命。（2）電氣互聯技術的提高有利于制造業高水平發展很多世界發達國家都引用、開發這些先進技術，從60年代飛利浦公司研制出鈕扣狀微型器件（SOIC）表面組裝手表工業，和后來的日本開始使用方形扁平封裝的集成電路（QFP）來制造計算機，到美國研制的塑封有引線芯片載體（PLCC）器件，和后期飛速發展的裸芯片及倒裝芯片（FC）技術涉及到微處理器、高速內存和硬盤驅動器等，也使互聯技術向精細化、高科技方面突飛猛進?，F在使用的超薄型智能筆記本電腦，及超薄型LED液晶顯示器以及應用在各行各業中的電氣及機電設備等，就是這些技術的代表作品，其中內部精密的互聯技術設計更加嚴謹、更加先進。當今元器件的發展趨勢是表面組裝化、微型化、多芯片集成化，IC成扁平、窄小、多引腳、引腳陣列化和多芯片疊層化方向發展。
電子器件間互聯與封裝工藝技術
電子器件間的封裝類型電氣系統設備中，電子元器件的封裝技術是電氣互聯技術中體系中重要技術之一，它是將IC集成電路芯片黏結固定、與集成外引腳互連，并給予外殼進行密封保護的制造工藝技術，其中固定芯片及外引腳與外部電路的互聯技術的優劣，取決于IC的工作可靠性、性能、質量及成本等。一般電子元件的封裝有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝幾種，按元件引腳區分有短引腳、針型和球型等封裝，按芯片數量劃分有單芯和多芯片封裝，還有芯片疊層封裝和三維立體封裝等。封裝的工藝流程及其作用（1）封裝的工藝流程對電氣器件的功能、可靠性的要求不同，封裝的工藝也有一定的差異，但一般的基本工藝是接近的或相同的，其基本的形式是先將芯片黏固在基板的正確位置上，利用金線與芯片外引腳或焊球互連，然后加外殼密封材料模壓成形。電子元器件封裝工藝基本流程如圖2所示，主要工藝通過研磨或磨削等方法將硅等基體去掉，使芯片的圓片厚度降低，使整個封裝高度也隨之降低，提高散熱性能，去掉芯片背面表面氧化物并增加粗糙度，使芯片焊接時保持良好的黏固性，接觸性能好；也可以將芯片背面金屬化，滿足減小阻抗接觸、增加散熱面，通過金屬固有特性濺射、蒸發等工藝，增強熱均勻性使芯片可靠工作；切割利用工具將圓片上的芯片切割成單個芯片的過程。（2）裝片和鍵合工藝將芯片安裝到外殼內或電路板上的過程為裝片，將芯片與固定物連接時可用膠、焊料或其它進行黏結，黏結時要對焊點、金線、鈍化層、粘結層孔隙等全面檢查，防止膠合、虛焊、軟接觸不良等接觸問題出現；鍵合是利用導電金屬絲、金屬帶或焊膏等材料，將芯片焊膏與封裝體（外殼或基板）連接起來的過程，其作用是使芯片與封裝體引出端之間實現電氣連接，是關鍵的工藝，所以要進行抗拉強度和焊球抗剪測試。（3）密封工藝密封是將被封裝體與封裝界面進行封口的過程，一般有氣密性封口和非氣密性封口兩種，氣密性封口是使封裝體完全與外界隔離進行完全密封起來，這種方法使元器件能在惡劣的環境下使用而不會進入水氣，保障元件的可靠性。而非氣密性封口要受使用環境條件的限制，使用在要求環境比較低的裝置中，制造工藝也相對簡單而降低制造成本；還有打標、成形剪邊、包裝等工藝，使元器件在傳輸、運輸、檢測和儲存等方面更加安全和便利，即通過氣密性檢測，用油墨移印或絲印的方法打標，也可用激光、噴碼打印等方法打標；成形剪邊是在封裝過程中有保護引腳連筋的器件，去除連筋及將引腳彎曲成便于安裝形狀的過程；最后將電子元器件安放在特定的容器中使其不受各種機械沖擊而損壞，也可以防止污染、氧化、腐蝕等損傷。
電子封裝的技術范文5
關鍵詞：半導體封裝；封裝機器；裝備維護
引言
隨著我國經濟的發展，計算機技術也得到了巨大的發展。在計算機發展的過程中，半導體器件的發展具有重要的作用。在計算機剛發明的時候，其體積非常巨大，而如今的計算機越來越小，集成度越來越高，這主要就是歸功于半導體科技的不斷發展。半導體芯片的集成度不斷提高使計算機的處理功能越來越強，同時計算機的體積也越來越小。而在提高集成度這一環節中，半導體封裝技術具有重要的作用。從最初的封裝設備需要從國外引進，到如今自己能夠制造出先進的封裝設備，半導體封裝技術在國內取得了迅速的發展。本文將先介紹半導體封裝機器的相關概念和重要作用，再探討封裝機器的管理和維護工作。
1 半導體封裝機器概述和作用
1.1 半導體封裝機器概述
半導體器件是電子產品的重要組成部分，它在電子產品中起著信號控制和處理的作用。在半導體封裝的過程中可以分為以下幾步：
第一，進行劃片工作，對晶圓進行貼膜后，利用晶圓切割機器對晶圓進行切割，切割同時機器還具有自動清洗功能，以去除各種殘留的粉塵和硅渣，以避免影響產品的質量。第二，進行粘片工作，粘片時用銀漿將芯片進行粘貼，方便產品的散熱，并有良好的導電性。粘片機所使用的動力來自于壓縮空氣。第三，進行引線壓焊工作，目前比較先進的壓焊技術為超聲壓焊，它是利用壓焊機器的劈刀將焊接面和焊線進行摩擦，從而保證焊接面的光滑，順利完成焊接工作。第四，塑封工藝，首先要用排片機將壓焊好后的產品放到預熱臺上進行預熱，然后用包封機進行合模加壓，用高頻預熱機進行封料軟化，最后進行注塑后固化工作。第五，進行后固化工作，需要用專業的烘箱設備對塑封后的產品進行4個小時的加熱，使產品的性能更佳。第六，進行打標工作，需要利用激光打標機對產品進行標記的刻印。第七，進行電鍍，電鍍前需要用溢料機對產品進行溢料，然后對產品表面進行鍍錫工作。第八，進行切筋切斷工作，利用相關切斷設備將整條已經電鍍的產品進行切割。第九，測試包裝工作，將經過上述多道工序后的產品進行電性測試，自動區分合格品和不合格品。將測試合格后的產品進行封裝。
最初的封裝形式為三極管時代的插入式封裝，后面出現了表面貼裝式封裝，如今模塊封裝和系統封裝應用比較廣泛等。半導體封裝的相關機器有很多，根據封裝形式的不同，封裝機器也有很多種。
1.2 半導體封裝機器的作用
在半導體封裝過程中會用到很多的封裝機器，封裝機器的整體作用是完成整個半導體封裝的過程。而半導體封裝不僅要保護內部免受外界環境的影響，也要加強芯片內外的連接能力。綜合來說，封裝機器進行半導體封裝具有以下作用：
第一，對芯片進行物理保護。芯片是一個非常重要的部分，所以一旦受到損害，產生的后果非常嚴重。通過半導體封裝，芯片與外界得到了隔離，一方面可以避免空氣中的雜質對芯片進行腐蝕，另一方面也能夠避免溫度過高等產生應力而損壞芯片。
第二，實現電氣連接。根據功能的需求，利用封裝可以對電路板上的間距進行合理的調整，從而便于實際的安裝，保證電氣連接合理通暢。合理的封裝不僅可以降低相關的材料費用，而且還能保證芯片的高質量和可靠性。比如，合理的布線長度以及阻抗配比可以保證芯片的質量和效率。
第三，實現標準規格化。在半導體封裝時，需要確定封裝的尺寸、形狀以及長度間距等等，這不僅僅可以建立封裝的標準，而且能夠跟電路板等廠家進行配合，從而實現整個產品的標準化過程。
2 半導體封裝機器的維護
半導體封裝機器的可靠性在很大程度上決定著半導體產品的質量，所以封裝企業要做好封裝機器的質量和維護工作，保證封裝機器的正常運行。
半導體封裝機器雖然操作簡單，工作精度高，但這同時也決定了它的機械結構比較復雜，自動化的程度比較高，發生故障的概率以及解決成本更加高。半導體機器中具有機械系統、電氣系統以及軟件系統等等，在每個系統中也都存在著很多子系統。多個系統的相結合，設計不到位，就很容易降低封裝機器的可靠性。
為了加強半導體封裝機器的可靠性，就要從以下幾個方面加強工作。第一，加強工作人員素質的培養，讓工作人員在封裝過程中盡職盡責，盡量減少人為失誤造成機器故障。第二，提高封裝機器的可靠度，不斷將新技術融合到封裝機器上，比如自動故障診斷識別系統以及生產報告生產系統等等。第三，加強封裝機器的檢修工作，建立定時的檢查機制，實時監控封裝機器的運行情況，發現問題能夠及時的進行修理維護工作。
結語
半導體的迅速發展對電子計算機技術以及經濟的發展都具有重要作用，而半導體封裝機器的封裝環節在半導體器件中具有重要作用。本文介紹了半導體封裝機器的相關概念和重要作用，探討了封裝機器的管理和維護工作。
參考文獻
電子封裝的技術范文6
關鍵詞:系統級封裝技術;系統級封裝工藝;系統級封裝設計;系統級封裝產品
System in Package Technology and the Application
Jeff Chen,Jacky Zhang,Tony Li,Wolly Wang,Kevin Gao
(JCST.Co.Ltd, Jiangyin 214431 China)
Abstract: This paper introduced System in Package technology and the background, made a deep comparison with SoC technology. The advantages of SiP technology are demonstrated by analyzing the technical characteristics. The BOM constitution and cost characteristics of SiP are also analyzed. This paper analyzed the opportunities and challenges of domestic SiP industry in the point of view of IC industry integration, introduced the key techniques and the current capability in SiP designing and manufacturing, taking JCST as a example, and also analyzed the potential trends and challenges. This paper also gave a detail introduction of SiP products and the application.
Keywords: System in Package technology; System in Package process; System in Package designing; System in Package product
1引言
封裝技術大致每十年更新一代,從第一代插孔元件、第二代表面貼裝、第三代面積陣列到當今第四代芯片封裝,封裝承包商和芯片制造商緊密合作,研究和開發了若干種先進的封裝和測試技術,以滿足不同領域的需求。這些不斷涌現的封裝新技術為系統級封裝技術( System in Package, SiP)的實現奠定了堅實的基礎[1]。所謂系統級封裝,是指將多個具有不同功能的有源組件與無源組件,以及諸如微機電系統(MEMS)、光學(Optics)元件等其它元件組合在同一封裝中,成為可提供多種功能的單顆標準封裝組件,形成一個系統或子系統[2]。
2SiP興起背景
2.1 摩爾定律的挑戰與SoC的局限
早在20世紀90年代后期,SiP的觀念就已在歐美半導體業界萌芽,而此時SoC設計開始在集成電路業內興起。SoC與SiP的目標均是在同一產品中實現多種系統功能的高度整合,前者是利用半導體前段制程的電路設計來完成,后者是利用后段封裝技術來達到,從根本上講兩者殊途同歸。由于基于CMOS工藝的集成電路技術的進展日新月異,SoC的發展隨著摩爾定律的腳步不斷演進[3],發展速度遠快于SiP,成為大量集成電路解決方案的主流設計技術,SiP的發展受到限制。
隨著集成電路技術沿摩爾定律發展至深亞微米工藝節點,SoC的發展面臨極大的瓶頸。首先,SoC的設計方法學、設計工具、設計驗證等設計挑戰日漸加劇,研發時間往往長達一年半以上,這在競爭激烈的集成電路產業是非常不利的;其次,SoC所需研發費用和研發風險急劇增加,為SoC的發展限制了很高的門檻;再次,由于設計方面和集成電路工藝方面的限制(如采用GaAs和SiGe等技術),SoC在射頻電路、傳感器、驅動器,甚至無源元件等異質元件整合上面臨巨大的困難。而隨著消費性電子與移動通訊產品需求的快速增長,相關電子產品功能整合日趨多樣(個性化、客戶定制化),在外觀設計薄型化與產品開發周期日益縮短等雙重壓力下,SoC由于其本身的技術瓶頸,很難面面俱到,因而使得兼具尺寸與開發彈性等優勢的SiP技術躍然而起。并且自深亞微米、超深亞微米工藝節點開始,集成電路工藝技術沿摩爾定律持續發展本身也遭遇了諸多困難,更突出了SiP的重要性。
2.2 集成電路產業鏈整合的背景與封測行業的機遇
除了臺積電外,封測大廠如日月光(ASE)、艾克爾(Amkor)與矽品(SPIL)等,也已將SiP列為未來技術發展主軸;英特爾(Intel)更成功運用此一技術在其四核心處理器產品的開發上,順利搶得市場先機;與此同時,包括瑞薩(Renesas)、意法半導體(STMicroelectronics)、飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(Infineon)等國際整合元件制造商(IDM),亦已大量采用SiP技術發展各種高整合度解決方案[4]。因此對于國內半導體產業,尤其是對于封裝企業來說,掌握SiP封裝技術產品的研發和應用將會帶來前所未有的一次發展,是拉近和國際一線企業之間差距的最好機會。
隨著SiP封裝技術的出現,封裝測試業在整個半導體產業鏈上的地位有了明顯的提高,越來越被重視,從以前的從屬地位慢慢轉變成關鍵地位,對最終產品開發的成敗起到關鍵作用;SiP技術在最近五年左右的時間才得到廣泛的推廣和應用,因此對該項技術的認知程度和應用上我們與國際公司的差距沒有想像的那么大。
3SiP的優勢
SiP與SoC的目標均是在同一芯片中實現多種系統功能的高度整合,前者是利用半導體前段制程的電路設計來完成,后者則是仰賴后段封裝技術來達到,兩者殊途同歸。SiP的實現方法是采用微互連技術將不同集成電路工藝技術制造而成的若干裸芯片和微型無源元件集成在同一個小型基板(Substrate)上,形成具有系統功能的高性能微型組件。以下分別闡述SiP相對于SoC技術或者其它封裝技術的優勢。
3.1 廣泛的應用領域和設計彈性
SiP 可以作為一塊標準單元用于PCB 組裝,也可以是最終的電子產品。與傳統的芯片封裝不同,SiP 不僅可以處理數字系統,還可以應用于光通訊、傳感器以及微機械MEMS等領域,在計算機、自動化、通訊業等領域得到廣泛的應用。SiP可以靈活而及時地對個別芯片或器件進行升級換代,因此可以縮短IC設計周期,降低設計費用,減少芯片測試時間。SiP 產品設計彈性大,開發時間快速,開發成本低,整合密度高,尺寸小,并使用更少的系統電路板空間,讓產品設計擁有更多的想像空間。
3.2 改善電磁干擾(EMI)與信號完整性(SI)
系統總線傳輸數據的帶寬與時鐘頻率f、數據寬度W 成正比。一般來說,當功能整合愈復雜時,芯片尺寸相對愈大,造成內部信號線路在進行全局布線(Global Wiring)時路徑太長,信號傳遞過久的情形,且容易產生電磁干擾現象。與板級連線相比,SiP 封裝內裸片間的互連引線長度更短,這有效減小了系統的互連線延遲和串擾,降低了容抗,使器件能夠工作在更高的工作頻率,從而有效提高了帶寬。裸片間較短的互連還會帶來一些潛在的好處:裸片的I/O 輸出不必采用強驅動設計,使用小功率的I/O緩沖器就可保證裸片間傳輸信號的完整性,因此可以采用更低的工作電壓,從而進一步減小了器件的功耗。此外也可以減少為屏蔽高速信號管腳引起的寄生電容和寄生電感而引入的電源和接地引腳,減少了和PCB 間的I/O 管腳數量。
3.3 簡化元件采購,改善終端產品制造效率
電子類終端產品的功能是系統性的體現,由若干個電子子系統或子模塊構成,因此子模塊數量越少,其元件采購流程越簡單,且相應的制造效率也越高。SiP技術類產品本身是具有系統或子系統的功能,當其應用于電子類終端產品時,無疑會極大地簡化元件采購流程,改善其制造效率,并且更加符合消費類電子產品輕、薄、短、小的需求。
4SiP的成本
SiP相對于SoC在成本上具有諸多爭議。SiP一般使用多層結構的BT材質的基板作為封裝的載體,加上各類元件組裝、芯片組裝及整個封裝產品的測試費用,從封裝制造的角度來說其成本比封裝單芯片的SoC產品高。但SiP產品開發時間較SoC大幅縮短,在很多新產品的開發上,時間就是金錢;透過封裝產品的高度整合可減少印刷電路板(PCB)尺寸及層數,降低整體材料清單(BOM)成本,大大減少了終端產品的制造和運行成本,提高了生產效率;SiP使用更少的電路板空間,讓終端產品設計擁有更多想象空間,可以使終端產品做的輕、薄、短、小,具有時尚個性化的外觀設計,增加產品的附加值,從產品銷售的角度來看,SiP產品價值較SoC高出許多;并且SiP較SoC具有更小的設計、制造風險和更低的門檻,對于企業來說,這也是無形中的成本優勢。
5SiP、SoC和SoB技術的比較
SiP、SoC和SoB的關系,可以用圖1形象的說明。
歸根結底,SiP仍須以SoC為發展基礎,技術上,兩者相輔相成,但應用上,雙方則是各善其長。換而言之,只要SoC持續發展,SiP就可基于新的SoC讓整合度更上一層樓。
6國內SiP發展現狀
上文所述,SiP產業依靠整個半導體產業鏈的配合。相比于國外和臺灣地區,中國大陸半導體產業起步較晚,目前整體水平仍有差距,面對國外和臺灣地區的行業競爭,壓力較大。半導體產業是國家重點扶植的產業,發展較快。當前的狀況對國內的封測產業來說,既是機遇,也是挑戰。
長電科技股份有限公司是封測行業中內資企業的指標性企業,于2005年籌備SiP產業設施與人力團隊,從事SiP技術與市場的研究,協助相關業者了解SiP技術的優點并凝聚產業合作的共識,通過與各大系統設計公司、芯片制造商的緊密合作,并且利用自身在封裝領域的強大技術優勢加大科研投入,在國內企業中脫穎而出,使國內SiP領域的發展取得質的飛躍。下文以長電科技為例,介紹SiP產業的關鍵技術和當前的能力與挑戰。
6.1 關鍵工藝介紹與當前工藝能力
6.1.1 晶圓磨劃
對于存儲類產品,若要在規定的尺寸內集成最大化的存儲容量,芯片堆疊是必需的,這就必須最大化的減小芯片厚度。晶圓減薄工藝中最大的問題是碎裂。目前長電科技的晶圓減薄工藝能力是能將12英寸晶圓減薄至25μm。
隨著集成電路工藝技術的持續進步,銅互連工藝中使用低介電常數(Low-K)介質,此類晶圓稱為Low-K晶圓。由于Low-K晶圓材料和物理特性,其在磨劃中較傳統晶圓容易出現諸如分層、崩角等問題[5]。Low-K晶圓的磨劃將是未來一段時間內的趨勢與挑戰。
6.1.2 先進的裝片技術
SiP 3D封裝強調芯片的多芯片堆疊,可堆疊不同類型、不同廠商的多種芯片,包括閃存(Flash)芯片、數字 ASIC芯片及RF芯片等,解決了SoC所遇到的麻煩。它為便攜式電子產品小型化、多功能化、低成本化和快速多變化提供了一條有效的途徑。因此,大尺寸、超薄厚度芯片的堆疊裝片技術是實現高密度系統封裝的重要基礎,是不可或缺的關鍵工藝技術。而芯片堆疊技術中關鍵的一環是FOW技術[6](圖2)。
多種結構芯片堆疊技術主要有載板芯片堆疊裝片技術、“Spacer Die”式芯片堆疊裝片技術、“金字塔”式芯片堆疊裝片技術和“臺階”式芯片堆疊裝片技術(圖3)。
6.1.3 高密度互連形成
引線鍵合技術[7]是形成高密度互連的基礎。通常SiP產品中需要在有限的空間中集成數顆尺寸大小各異的芯片,一般都會采用芯片堆疊的封裝工藝,同時此類產品中芯片的壓焊點間距非常的小,壓焊點的數量非常多,因此這類產品的焊線技術比傳統的封裝產品有著更高的要求;為了實現多層堆疊芯片的金線焊接工藝,提升焊線工藝的穩定性和確保產品成品率的穩定,采用芯片間金線串連的焊線技術必不可少;在一些超薄塑封體的產品中,為了避免金絲露出塑封體表面,需要嚴格控制芯片的金線弧高,因此穩定的低弧度金線倒打工藝是確保成品率的關鍵焊線技術;為了滿足壓焊點間距達到45～60微米、壓焊點開口尺寸小于45微米的芯片的焊線工藝,需要開發超密間距劈刀的小球徑焊線工藝。當焊線的層數增加時,不同線環形層之間的間隙相應減少,需要降低較低層的引線鍵合弧高,以避免不同的環形層之間的引線短路,因此必須采用高密度立體多層焊線技術。以上幾種高密度互連技術如圖4所示。
隨著半導體行業的競爭日趨激烈,降低制造成本是企業提高競爭力的有效且必要的途徑之一。封測行業的制造成本中很重要的一環是用于連接芯片與基板所用的金線成本。采用銅線鍵合技術[8]可以減少這一成本,提高產品的競爭力。但是銅線鍵合技術由于尚未成熟,目前仍有諸多挑戰。
6.1.4 倒裝芯片應用的金屬突點與RDL
消費類與通信類電子產品多數需要高速芯片與射頻芯片,此類芯片多以倒裝芯片(Flip Chip)的形式封裝[9],以減小由于信號傳輸路徑過長而引起的不必要的延遲,以及由于引線鍵合而引入的多余的電感,改善信號完整性與電磁兼容性。倒裝芯片也可以應用于SiP中,其原理是通過芯片焊盤的再分布層(RDL,Redistribution Layer)[10]重新布局芯片的焊盤,并且通過在再布局后的焊盤上形成金屬突點的形式,使得芯片可以倒裝在基板上。在某些特殊的芯片堆疊情況下,可以通過RDL技術制造載板芯片,為特殊的堆疊提供可行性。
6.2 SiP設計
現代的封裝結構已變得越來越復雜,芯片的速度也變得越來越快,封裝設計變得越來越重要。封裝生產前需要進行大量的設計工作,如封裝種類的選取、疊層的設計、布線設計、芯片與封裝結構的連接及可制造性分析、電性能及其它物理性能的分析等。一個良好的封裝布線設計,不僅能夠保證系統信號在發送端和接收端都具有較高的信號質量,而且能夠保證系統在時序上也能滿足設計要求。
由于深刻意識到封裝設計能力對于SiP封裝產品的重要性,長電科技于2007年7月建立了自己的設計團隊,目前擁有封裝設計工程師20余人,積累了兩年的SiP封裝產品的設計開發經驗,協同各類客戶成功開發產品100余款。SiP封裝設計能力的建立,標志著長電科技由傳統制造密集型企業逐步轉向設計和產權密集型封裝企業。長電科技的SiP設計流程如圖5所示。
隨著消費類和通信類電子產品對性能和功能的更高及更多樣化的需求,SiP封裝面臨諸多的挑戰,其中最突出的是含有射頻芯片的情況[11]。包含有高速數字芯片、存儲芯片、射頻芯片的SiP封裝產品越來越多,此類產品需要在IC設計階段即考慮封裝因素,即采用芯片-封裝協同設計的方式,以期取得最佳的性能、最短的設計周期,并且為取得產品的最大成品率打下基礎。業界對此類產品在設計方法學上仍在探索階段,且此類產品的設計需要強大的EDA工具支持,目前是整個業界的核心課題。
7SiP產品的市場狀況
隨著“后PC時代”的到來,以“3C”為主體的電子產品將會更多地采用SiP形式。在國內市場,一方面隨著“3G”的深入普及,更多具有概念性的業務在逐步開展,SiP是此類概念性電子產品的首選形式;另一方面,數字電視(DTV)、CMMB等業務在國內逐步開展,與“3G”結合,將會推出更多的電子產品種類,為SiP提供更多的發展空間。
長電科技目前開發的產品已經涉及大容量存儲、移動支付、移動身份認證、地磁傳感器、加速傳感器、射頻+ 基帶模塊等諸多領域;其產品類型涉及MicroSD卡、MiniSD卡、 SD卡、LGA、 BGA、 USB模塊、其它特殊模塊等。長電科技在SiP領域的突破充分證明:只有合作共贏才能完善SiP的產業鏈,建立SiP的良好發展環境;只有在技術領域的勇敢開拓才能擁有SiP市場的主動權。圖6所示是長電科技的SiP產品路線圖。
SiP封裝技術和產品有著非常廣闊的應用和市場前景,現階段國內SiP封裝產品的需求已經來勢洶洶,日漸迫切。SiP封裝產品及應用的大量推出,將會對未來信息社會的社會形態和人們的日常生活方式造成巨大的影響。SiP產品的短小輕薄、開發彈性及優異的異質整合能力,使其在移動電子消費品市場快速崛起,并逐漸受到半導體業者重視。未來,隨著電子產品對嵌入式存儲器需求日增,及高頻設計訊號品質的要求,SiP仍將持續維持高度成態勢,并成為SoC之外,IC設計的另一重要取向。
8總結
SiP封裝技術給國內半導體產業、尤其是封裝企業帶來了一次前所未有的發展機會,標志我國封裝產品將由低端轉為高端,封裝行業由制造密集型產業轉向設計和產權密集型產業的過程即將到來。SiP封裝技術應用不僅將又一次促使半導體產業鏈的重新整合,而且將會促進消費類電子、通信、智能卡等應用型產業與半導體封測產業的整合。因此,產業鏈間如何打破藩籬、攜手合作,共同營造更完善的SiP發展環境,將是當務之急。以長電科技為標桿的內資企業一定可以在其中擔當重要的角色,為中國半導體產業的發展作出重大的貢獻。
參考文獻
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[4] 王智弘, 半導體產業鏈總動員,SiP技術來勢洶洶[A], 新電子,2007年9月號258期.
[5] Wang ZhiJie, Wang, S. Wang, J.H. etc, 300mm Low K Wafer Dicing Saw Study[A],IEEE.2005,9.262-268.
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