电子封装的现状及发展趋势
现代电子信息技术飞速发展, 电子产品向小型化、便携化、多功能化方向发展 . 电子封装材料和技术使电子器件最终成为有功能的产
品. 现已研发出多种新型封装材料、技术和工艺 . 电子封装正在与电子
设计和制造一起 , 共同推动着信息化社会的发展
一．电子封装材料现状
近年来 , 封装材料的发展一直呈现快速增长的态势. 电子封装材
料用于承载电子元器件及其连接线路, 并具有良好的电绝缘性. 封装对芯片具有机械支撑和环境保护作用 , 对器件和电路的热性能和可靠性起
着重要作用 . 理想的电子封装材料必须满足以下基本要求 : 1) 高热导率 ,
低介电常数、低介电损耗 , 有较好的高频、高功率性能 ; 2) 热膨胀系数
(CTE)与 Si 或 GaAs芯片匹配 , 避免芯片的热应力损坏 ;3) 有足够的强度、刚度 , 对芯片起到支撑和保护的作用 ;4) 成本尽可能低 ,
满足大规模商业化应用的要求;5) 密度尽可能小 ( 主要指航空航天和
移动通信设备 ), 并具有电磁屏蔽和射频屏蔽的特性。
电子封装材料主
要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料.
1.1 基板
高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的最基本要求 , 同时还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整
度、易金属化、易加工、低成本并具有一定的机械性能电子封装基片
材料的种类很多 , 包括 : 陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合
材料等 .
1.1.1陶瓷
陶瓷是电子封装中常用的一种基片材料, 具有较高的绝缘性能和优异的高频特性 , 同时线膨胀系数与电子元器件非常相近, 化学性能非常稳定且热导率高随着美国、日本等发达国家相继研究并推出叠片
多层陶瓷基片 , 陶瓷基片成为当今世界上广泛应用的几种高技术陶瓷
之一目前已投人使用的高导热陶瓷基片材料有A12q,AIN,SIC 和 B或)等.
1.1.2环氧玻璃
环氧玻璃是进行引脚和塑料封装成本最低的一种, 常用于单层、双层或多层印刷板 , 是一种由环氧树脂和玻璃纤维( 基础材料 ) 组成的复合材料 . 此种材料的力学性能良好, 但导热性较差 , 电性能和线膨胀系数匹配一般 . 由于其价格低廉 , 因而在表面安装 (SMT)中得到了广泛应用 .
1.1.3金刚石
天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的优良的性能, 如高热导率 (200W八 m·K),25oC) 、低介电常数 (5.5) 、高电阻率 (1016n ·em)和击穿场强 (1000kV/mm). 从 20 世纪 60 年代起 , 在微电子界利用金刚石作为半导体器件封装基片, 并将金刚石作为散热材料, 应用于微波雪崩二极管、 GeIMPATT(碰撞雪崩及渡越时间二极管) 和激光器 , 提高了它们的输出功率. 但是 , 受天然金刚石或高温高压下合成金刚石昂
贵的价格和尺寸的限制, 这种技术无法大规模推广.
1.1.4金属基复合材料
为了解决单一金属作为电子封装基片材料的缺点, 人们研究和开发了低膨胀、高导热金属基复合材料. 它与其他电子封装材料相比,可以通过改变增强体的种类、体积分数、排列方式, 基体的合金成分
或热处理工艺实现材料的热物理性能设计; 也可以直接成型 , 节省材
料,降低成本 . 用于封装基片的金属基复合材料主要为 Cu基和 Al 基复合材料
1.2 布线材料
导体布线由金属化过程完成 . 基板金属化是为了把芯片安装在基板上和使芯片与其他元器件相连接 . 为此 , 要求布线金属具有低的电阻率和好的可焊性 , 而且与基板接合牢固 . 金属化的方法有薄膜法和厚膜法 , 前
者由真空蒸镀、溅射、电镀等方法获得 , 后者由丝网印刷、涂布等方法
获得 . 薄膜导体材料应满足以下要求 : 电阻率低 ; 与薄膜元件接触电阻
小 , 不产生化学反应和相互扩散 ; 易于成膜和光刻、线条精细; 抗电迁移
能力强 ; 与基板附着强度高 , 与基板热膨胀系数匹配好 ;
可焊性好 , 具有良好的稳定性和耐蚀性 ; 成本低 , 易成膜及加工 .Al是半导体集成电路中最常用的薄膜导体材料, 其缺点是抗电子迁移能力
差.Cu 导体是近年来多层布线中广泛应用的材
料.Au,Ag,NICrAu,Ti-Au,Ti-Pt-Au 等是主要的薄膜导体 . 为降低成本 ,
近年来采用 Cr-Cu-Au,Cr-Cu-Cr,Cu-Fe-Cu,Ti-Cu-Ni-Au等做导体薄
膜.
1.3 层间介质
介质材料在电子封装中起着重要的作用, 如保护电路、隔离绝缘
和防止信号失真等 . 它分为有机和无机 2 种, 前者主要为聚合物 , 后者
为SiO2:,Si3N4 和玻璃 . 多层布线的导体间必须绝缘 , 因此 , 要求介质有高的绝缘电阻 , 低的介电常数 , 膜层致密 .
1.3.1 厚膜多层介质
厚膜多层介质要求膜层与导体相容性好 , 烧结时不与导体发生化学反应和严重扩散 , 多次烧结不变形 , 介质层与基板、导体附着牢固 ,
热膨胀系数与基板、导体相匹配, 适合丝网印刷 .
薄膜介质分以下 3 种:
(1)玻璃一陶瓷介质既消除了陶瓷的多孔结构, 又克服了玻璃的
过流现象, 每次烧结陶瓷都能逐渐溶于玻璃中, 提高了玻璃
的软化温度 , 适合多次烧结 .
(2)微晶玻璃 .
(3)聚合物 .
1.3.2薄膜多层介质
薄膜多层介质可以通过 CVD法、溅射和真空蒸镀等薄膜工艺实现 , 也可以由 Si 的热氧化形成 5102 介质膜 . 有机介质膜主要是聚酞
亚胺 (PI) 类, 它通过施转法进行涂布 , 利用液态流动形成平坦化结构 , 加热固化成膜 , 刻蚀成各种图形 . 此方法简单、安全性强 . 由于Pl 的介电常数低、热稳定性好、耐侵蚀、平坦化好 , 且原料价廉 , 内应力小 , 易于实现多层化 , 便于元件微细化 , 成品率高 , 适合多层布线技术 , 目前国外对聚合物在封装中的应用进行了大量
研究
1.4 密封材料
电子器件和集成电路的密封材料主要是陶瓷和塑料 . 最早用于封装的材料是陶瓷和金属, 随着电路密度和功能的不断提高, 对封装技术提出了更多更高的要求, 同时也促进了封装材料的发展 . 即从过去的金属和陶瓷封装为主转向塑料封装 . 至今 , 环氧树脂系密封材料占
整个电路基板密封材料的90%左右 .
二．电子封装技术的现状
20 世纪 80 年代以前 , 所有的电子封装都是面向器件的, 到 20 世纪90 年代出现了 MCM,可以说是面向部件的 , 封装的概念也在变化 . 它不再是一个有源元件 , 而是一个有功能的部件 . 因此 , 现代电子封装应该是面向系统或整机的 . 发展电子封装 , 即要使系统小型化 , 高性能、高可靠和低成本 . 电子封装已经发展到了新阶段 , 同时赋予了许多新的技术内容 . 以下是现代电子封装所涉及的几种主要的先进封装技术
2.1 球栅阵列封装
该技术采用多层布线衬底, 引线采用焊料球结构, 与平面阵列(PGA)( 见图 1) 和四边引线扁平封装 (QFP)( 见图 2) 相比 , 其优点为互连密度高, 电、热性能优良, 并且可采用表面安装技术, 引脚节距为1.27mm 或更小 . 由于多层布线衬底的不同 , 可有不同类型的球栅阵列封装
2,2 芯片级封装
这是为提高封装密度而发展起来的封装 . 其芯片面积与封装面积之比大于 80%.封装形式主要有芯片上引线 (LOC),BGA(microBGA)和面阵列 (I 一 GA)等, 是提高封装效率的有效途径 . 目前 , 主要用于静态存储器(SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、管脚数不多的专用集成电
路(ASIC) 和处理器 . 它的优点主要是测试、装架、组装、修理和标
准化等 .
2.3 直接键接芯片技术
这是一种把芯片直接键接到多层衬底或印制电路板上的先进技
术, 一般有 3 种方法 : 引线键合法、载带自动键合法和倒装焊料接合法 .
第 1 种方法和目前的芯片工艺相容 , 是广泛采用的方法 , 而后者起源于IBM,是最有吸引力和成本最低的方法 .
2.4 倒装法
这是一种把芯片电极与衬底连接起来的方法, 将芯片的有源面电极做成凸点 , 使芯片倒装 , 再将凸点和衬底的电极连接 . 过去凸点制作
采用半导体工艺 . 目前 , 最著名的是焊料凸点(Solderbump) 制作技术 ,该技术是把倒装芯片和互连衬底靠可控的焊料塌陷连接在一起, 可以减少整体尺寸30%~50%,电性能改善 10%~30%,并具有高的性能和可靠性.
三．行业前景展望
(l)在金属陶瓷方面 , 应进一步提高材料的热物理性能 , 研究显微结构对热导率的影响 ; 同时应大力从军用向民用推广 , 实现规模化生
产,降低成本 , 提高行业在国际上的竞争力 .
(2)在塑料封装方面 , 应加大对环氧树脂的研究力度 , 特别是电子
封装专用树脂 ; 同时大力开发与之相配套的固化剂及无机填料 .
(3)随着封装成本在半导体销售值中所占的比重越来越大 , 应把电子封装作为一个单独的行业来发展 .。