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微电子封装的发展历史和新动态

来源:UC论文网2016-06-21 14:46

摘要:

随着电子产品向小型化、高集成度的方向发展,电子产品的封装技术已逐步迈入到微电子封装时代。电子产业巳成为当今世界最活跃、最重要的产业之一。

  0.引言
 
  随着信息时代的发展,电子产业已成为当今世界最活跃,同时也是最重要的产业之一。根据美国电子消费协会发布的最新数据,2013年全球电子消费行业销售额创造新髙,较上一年增长3%,达到1.068万亿美元。以中国为主的亚洲发展中国家则首次取代北美,成为全球最大电子消费市场[1]。与此同时,电子产业的强劲发展也带动了与之密切相关的电子封装产业。微电子封装一方面朝着高集成度、高频率、大功率、低成本的方向发展,另一方面,新工艺和新材料的不断涌现,也使微电子封装朝着更节能、更环保和更持久的道路前进。本文从微电子封装的角度出发,介绍了其发展历史及最新动态,同时对今后的发展给出了一些建议。
 
  1.电子封装发展简史
 
  自从1947年发明了第一只半导体晶体管,同时也就开启了电子封装的历史。一般将电子封装的发展分为3个阶段。
 
  (1)20世纪70年代为通孔插装器件时代。主流的封装形式为通孔器件和插入式器件,包括DIP(双列直插式)和PGA(针栅阵列),器件的电气和机械联接分别通过机械接触和波峰焊接来实现。由于这类插装器件要求具备高对准度,但是又受到当时的工作条件所限,使得封装速率始终难以提高。
 
  (2)20世纪80年代出现了SMT(表面贴装技术)。以PLCC(塑料有引线片式载体)和QFP(四边引线扁平封装)为代表,与传统的插装式不同,集成电路是通过将一些细微的引线贴装在PCB板上,其电气特性得到了提高,并且生产的自动化程度与70年代相比有了大幅的提升。此外,它还具有密度高、引线节距小、成本低和适于表面安装的优点。
 
  (3)20世纪90年代为BGA(球栅阵列封装)和CSP(芯片尺寸封装)时代。在这个时期,集成电路规模飞速发展,引线间距不断减小,以至于到后来在工作过程中达到技术所能支撑的极限。在这种情势下,BGA的出现在很大程度上解决了遇到的问题。它以面阵列、焊球凸点为I/O引脚,大大提高了封装的密度,进人了爆炸性发展时期[2_3]。
 
  2.当前广泛应用的电子封装技术

        2.1BGA/CSP封装技术
 
  BGA封装即球栅阵列封装,是在封装体基板的底部制作阵列焊球并作为电路的I/O端与PCB(印刷线路板)互连的技术。目前市场上出现的BGA封装,按基板种类主要分为PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGAC陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)、EBGA(带散热器BGA)等。BGA封装自感或互感效应小,信号传输延迟小,工艺技术操作起来方便快捷,产品制作成功率高。’不过封装时对空气湿度较敏感。
 
  CSP即芯片尺寸封装,是目前最先进的集成电路封装形式之一。与BGA结构基本一样,只是锡球直径和球中心距缩小变薄了,这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数,使组装密度进一步提高,可以说CSP是缩小了的BGA。目前CSP封装可分为LFT(传统导线架形式)、RIT(硬质内插板型)、FIT(软质内插板型)以及WLP(晶圆尺寸封装)。csp的特点为组装时占用印制板的面积小,可用于薄型电子产品的组装;重量是相同引线数的QFP的1/5以下;在相同尺寸的各类封装中,CSP的输人/输出端子密度允许做的更大。
 
  2.2多芯片组件封装技术
 
  多芯片组件封装简称MCM技术,是将两个或以上的大规模集成电路的裸芯片共同封装于同一个外壳内。按基板进行分类有厚膜MCM、薄膜MCM、陶瓷MCM和混合MCM。该技术实现了封装的高密度化、小型化和轻量化,可靠性也得到提高。但缺点是MCM成本较高,并且由于高集成度而使器件热量集中无法快速扩散,成为阻碍电子技术快速发展的一个主要因素。
 
  2.3倒扣芯片技术
 
  倒扣芯片技术简称FCT,在当前也是一项广为应用的技术形式。它与以往的组装形式正好相反,将芯片有源区面对基板进行键合。之前一直未获得广泛应用的原因主要是价格成本高和工艺复杂等。该技术在芯片和衬底之间的间隙采用底层填充料进行填充,改善了芯片和衬底热膨胀系数失配问题[5]。
 
  2.4三维电子封装技术
 
  叠层芯片封装简称3D封装,是指在不增加封装组件体积的情况下,在竖直层面上叠加两个以上的芯片。近年来,叠层芯片封装逐渐成为封装技术的发展主流。与常规封装技术相比,三维封装尺寸和重量进一步减小,信号传递延迟现象有所改观,并最终达到了高速、高效和高可靠性的工作状态。
 
  3.微电子封装的新动态
 
  从20世纪70年代的通孔插装到目前的三维系统封装,电子封装技术无论是在封装材料、封装技术还是封装的应用等方面几经变迁,不断完善,对人类生活产生了深远的影响。随着电子工业的进一步发展,电子封装领域又发生了一些改变。
 
  3.1新型复合材料
 
  目前广泛使用的电子封装材料有金属、金属基复合材料、玻璃、塑料、陶瓷等等。随着科技和经济的发展,单一基体的封装材料已无法适应时代的需求,所以迫切地需要开发新型复合基材料。由于现今科技的发展,电子封装材料不仅要具有更高的热导率及与芯片热膨胀系数的匹配性,还应具有更低的密度。在对大量的复合材料进行各种性能比对后,Be0、’AlN、Al/_SiC与AlSi由于具有高热导率、低密度及与芯片材料良好的热膨胀匹配性等优点而脱颖而出,并已经逐步取代常规的一些封装材料。
 
  3.2无铅焊料
 
  新型的无铅焊料优点突出,除了机械性能优良和稳定性高外,原料价格也较便宜,慢冷时焊接表面的孔洞较少。但是这种焊料的熔点普遍偏高,浸润性也比较差,不利于操作,这些将是研究无铅焊料亟待解决的问题m。通过各种性能测试试验,已筛选出的可投人使用的无铅合金焊料达几百种之多,其中SnAgCu、SnZnBi、SnCu等几类颇受市场青睐[8]。
 
  3.3低温焊接技术
 
  近年来虽然一直在尽力推广应用无铅焊料,但是由于大部分无铅焊料的熔点都较高,导致无铅焊料在使用时需要消耗更多的能源。另外,废旧产品处理的难度大、成本高也是必须面对的现实。因此,使用低熔点的无铅焊料,实现无铅焊料的低温焊接就显得尤为重要。使用低温焊接技术,可以大大降低连接时的热应力,降低成本,产品废弃后处理也较容易,有实现循环利用的可能。
 
  4.结语
 
  电子封装技术的发展关系到电路板以及整个工作器件的性能发挥和工作寿命的长短。芯片封装技术几经升级,但始终还是不够完善。仍然需要在攻克关键性的技术瓶颈、考虑其市场占有价值、注重其可持续发展等方面不断进取,完成产业从量向质的转变。
 
  本文根据我国封装技术的发展现状,对未来的发展给出了几点建议:
 
  (1)攻克技术瓶颈。在电子封装不断向高集成化、轻量化、高性能化发展的同时着力解决散热问题、信号传输延迟问题、噪声干扰问题等。
 
  (2)注重环保。实施绿色电子制造和采用绿色电子封装材料。全面采用无铅、无齒素及免清洗材料;导电胶成为替代无铅钎料的另外一种材料与无铅钎料共同发展?。
 
  (3)降低成本。不断延长电子器件的使用寿命,用有机导电聚合物代替合金焊料,研究下部填充树脂,提高废弃元器件的回收技术,增加二次利用率。
 
  (4)关注应用在特殊领域的电子产品。对各种高温、潮湿等恶劣工作环境或者对电子元器件有特殊要求的某些场所,研究具有针对性的封装方式。
 
                                                                                           张翼,薛齐文,王云峰
                         (1.大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连116028;2.唐山轨道客车有限责任公司,河北唐山063000)

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