《集成电路封装与测试》课件-03气密性封装与非气密性封装

集成电路封装与测试第三章：气密性封装与非气密性封装气密性封装简介气密性封装是指完全能够防止污染物（液体或固体）的侵入和腐蚀的封装形式，通常用作芯片封装的材料中，能达到所谓气密性封装的只有金属、陶瓷和玻璃。封装的目的：保护IC芯片，避免不适当的电、热、化学和机械等因素破坏，特别是外来环境侵害中的水汽(导线间距小，易在导体之间形成强大电场，电解反应引发金属腐蚀：相同的金属之间，阳极溶解、阴极镀着形成桥连和金属界面腐蚀造成电路的短路、断路和破坏。)封装密封材料的水渗透率对比玻璃金属陶瓷近气密性封装采用金属或陶瓷材料的气密封装成本很高，严重制约了在气密封装技术中的发展与应用。近气密封装：介于全气密封装（Full-HermeticPackage）和非气密封装(Non-HermeticPackage)之间的一种封装新理念，又称为准气密封装。近气密封装通过使用某些特定封装材料来实现一定密封级别。近气密封装工艺过程与传统气密封装相同，区别在于所用封装材料的不同。近气密封装工艺传统气密封装多采用金属、陶瓷及其化合物等高性能气密封装材料，而近气密封装采用的则是特殊处理的热固性塑脂类环氧基聚合物（如:苯并环丁烯BCB）或热塑性塑料系列材料（如:液晶聚合物LCP)等高分子材料。在达到特定密封级别条件下，封装成本结构接近塑料非气密封装。金属气密性封装金属材料具有良好的水汽阻绝能力，常用于分立元器件封装和高可靠性要求的军用电子封装领域。

封装形式及过程：以镀Ni或Au的金属基座固定IC裸芯片；基座上表面焊金属缓冲层；针状引脚固定在基座钻孔内、引线键合；基座周围熔接或焊接金属封盖：熔接与焊接的区别根据所使用材料的不同，元器件封装主要分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种类型，金属封装由于在最严酷的使用条件下具有杰出的可靠性而被广泛用于军事和民用领域。金属封装现有的封装形式一般包括平台插入式金属封装、腔体插入式金属封装、扁平式金属封装和圆形金属封装等。金属封装分类金属气密性封装

平台插入式金属封装由平台式管座和拱形管帽组成，这种形式的封装一般用储能焊的方法对管座和管帽进行封接，也可采用锡焊或激光焊封接。金属气密性封装分类

储能焊工作原理：把金属管帽、管座分别置于相应规格的上、下焊接模具中并施加一定的焊接压力，利用储能电容器在较长时间里储积的电能，而在焊接的一瞬间将能量释放出来的特点来获得极大的焊接电流，接触电阻将电能转换成热能而实现焊接过程。

腔体插入式金属封装由腔体式管座和盖板组成，这种形式的封装一般用平行缝焊的方法对管座和盖板进行封接。盖板有平盖板和台阶盖板两种类型，一般采用台阶盖板：台阶盖板有一定的定位作用和较好的机械强度。管座一般由像浴盆形状的腔体式壳体、引脚和玻璃绝缘子烧结而成。金属气密性封装分类

扁平式金属封装由管座和盖板组成，这种形式的封装采用平行缝焊的方法对管座和盖板进行封接，也可采用激光焊封接。盖板与腔体插入式金属封装一样有平盖板和台阶盖板两种类型。管座一般由侧面打孔的金属框、引脚和玻璃绝缘子先烧结再用焊料焊上底板而成；也有用拉伸的浴盆状腔体式壳体侧面打孔直接烧结引脚。

圆形金属封装由圆形管座和拱形管帽组成，这种形式封装结构与平台插入式金属封装相近，所适用的管帽封接方法也几乎相同。金属气密性封装分类金属气密性封装特征封装密封性良好；可提供良好热传导通道和电屏蔽途径；材料接合特性和机械特性优于其他材料；金属缓冲层、合金化工艺技术成熟。陶瓷气密性封装陶瓷封装气密性是通过玻璃与陶瓷及某些金属合金引脚间形成的紧密接合特性实现的。封装形式：金属引脚架采用暂时软化的玻璃固定在釉化陶瓷基板上，完成芯片粘接与引线键合后封盖。

镀镍/金密封环，熔接、玻璃及金属密封垫圈可以被用作密封盖板和基板。陶瓷气密性封装玻璃气密性封装玻璃是电子元器件的重要密封材料，具有良好的特性：绝缘性、抗氧化性、结构致密、稳定：生活实例-塑料瓶与玻璃瓶装物的区别。玻璃是重要的固定、粘结物质，能提供金属等材料间的密封。玻璃的组分含量不同，性质也就不同，可用于不同封装密封场合。鉴于玻璃本身具有强度低、脆性大等特性，用作直接封装基材的情形越来越少。玻璃-金属-陶瓷间的黏着性质对比？玻璃气密性封装玻璃密封材料的选择

密封玻璃材料的选择应与金属材料种类配合：CTE值和接合致密性。金属压缩密封压缩密封与匹配密封：二者异同点？玻璃（CTE？）与金属材料间不需金属氧化物辅助即可完成密封的方法称为压缩密封。密封冷却完成时，金属有较大收缩压力迫使玻璃造成密封，压缩密封强度和密封性均优于匹配密封。

玻璃材料在使用过程中应避免产生过高的残留应力，避免造成损毁现象。塑料封装

塑料封装的散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封装具有低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产等优点，它的应用范围极广，从一般的消费性电子产品到精密的超高速电脑中随处可见，也是目前微电子工业使用最多的封装方法。塑料封装的成品可靠度虽不如陶瓷，但数十年来材料与工艺技术的进步，这一缺点得到相当大的改善，塑料封装在未来的电子封装技术中所扮演的角色越来越重要。塑料封装塑料封装是当前集成电路元器件技术应用最为广泛的封装类型，应用范围从一般消费类电子产品到精密电子产品中均随处可见。塑料封装采用环氧树脂等合成高分子聚合物（塑料）将已完成引线键合的裸芯片和模块化引线框架完全包封在一起。几乎所有类型的元器件封装都可以采用塑料材料完成。塑料封装芯片结构塑料封装基本流程

【密度小、重量轻】【电子产品可靠性总体不高】【成本低、薄型化发展迅速】【工艺相对简单、自动化程度高】【散热性、耐热性和密封较差】塑料封装的特点塑料封装材料封装用塑料材料分为热固性和热塑性两类，其中最常用的是酚醛树脂、硅胶等热固性塑料。为改善纯模塑材料的缺陷，通常添加多种有机或无机材料。加速剂：引发、加速树脂交联反应（分子活泼基团之间相互作用引起的化学结合和分子联结），促进胶凝固硬化；硬化剂（固化剂）：在树脂、塑料、胶粘剂等材料中能使高聚物分子间产生交联的物质；催化剂：加速高分子聚合物交联反应耦合剂：高分子凝胶-改善聚合物黏结性（超声显像清晰）模具松脱剂：防止橡胶、塑料或其他材料模制品、层压制品等粘结到模具板面，起促脱离作用的助剂阻燃剂：给于易燃聚合物难燃性的功能性助剂；无机填充剂：强化材料基底、降低CTE值、提高热导率等黑色色素：增加外壳美观性和统一标准，塑料封装通常以黑色为标准色泽。塑料封装材料塑料封装材料三类塑料封装材料：酚醛树脂、双酚类树脂和硅胶树脂塑料材料通过注模/铸模工艺制成：将加热熔融的液态塑料浇注至与零件形状相应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，脱模成型获得所需形状的零件。注模材料的制备注模材料制备常采用自动填料工艺进行：按照各原料适当比例混合，以环氧类酚醛树脂为例，先将环氧树脂与硬化剂反应，后将所有原料制成固体硬料，研磨成粉后，压制成注模工艺所需的块状。制备好的注模材料储存于低温环境中，并在保质期内使用。塑料封装注模工艺转移成型技术（TransferMolding）腔室中保持一定温度，在外加压力作用下熔融塑封料进入模具型腔内，固化获得一定形状的外形。喷射成型技术（InjectMolding）喷射成型是将引发剂、促进剂和塑封料树脂混合物由喷枪喷出，沉积到模具型腔；沉积到一定厚度时，用辊轮压实，排除气泡，固化后成型。

预成型技术（Pre-Molding）

适用陶瓷封装转移成型注模设备转移成型注模设备实物转移成型注模特点【成品厚度范围较广，特别是厚度较大的芯片】【适用WB连线的IC芯片封装】【成品受污染小、结构致密】【设备参数控制要求高：压力、流速和温控速率】【易产生倒线现象：引脚上下流速不同产生弯曲应力】【设备结构复杂、精度要求高】【注模成型工艺压力易引发芯片框架的破坏】轴向喷洒涂胶属于喷射成型的一种，利用喷嘴将树脂原料喷涂于IC芯片表面，与顺形涂封工艺类似，但涂布的厚度较大：喷洒过程中对IC芯片需进行加热以改变树脂原料的粘滞性（流体内摩擦性、对涂封厚度和外貌有显著影响）。塑料封装注模工艺【成品厚度较小，适于薄型化、小型化元器件】【无注模成型工艺压力引发的破坏】【无原料流动和铸孔填充过程引起的破坏】【适用于TAB连线的IC芯片封装】【成品易受水气侵袭和干扰】【原料粘滞性要求极为苛刻】【仅能作单面涂封，无法避免应力产生】【工艺时间较长】轴向喷洒涂胶工艺特点反应射出成型也类似喷射成型，不同于喷洒成型之处在于喷射前需将原料搅拌混合后输入铸孔发生聚合反应完成涂封。聚氨基甲酸酯（PU）为常用的原料：PU皮与真皮的区别塑料封装注模工艺【能源成本低】【低注模压力，降低倒线几率】【使用的原料具有较佳的芯片表面润湿能力】【适用于TAB连线的IC芯片封装】【可使用热固性和热塑型材料注模】【原料射出前需混合均匀】【目前尚无统一标准化的树脂原料】反应射出成型工艺特点塑料封装的可靠性试验塑料封装中采用的材料包括金属、半导体和高分子聚合物等，材料间相互作用可导