第一讲电子封装技术.ppt

1、电子封装材料研究进展,姜龙涛,一、电子封装技术,1.1 电子封装的定义,图1-1 电子封装的发展过程,图1-2 从半导体、电子元器件到电子机器设备,1.1 电子封装的定义,前工程：从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序、制成三极管、集成电路等半导体元件及电机等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。 后工程：从由硅圆片分好的一个一个的芯片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外界连接。,1.1 电子封装的定义,1.1 电子封装的定义,分为狭义封装和广义封装: 狭

2、义的封装（packaging，PKG）利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出连接端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺。 广义的电子封装应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术，统称为电子封装工程。,图1-3 按特征尺寸的量级，电子封装工程中的四个层次,1.1 电子封装的定义,图1-4 电子封装工程的各个方面,1.1 电子封装的定义,图1-5 电子封装技术的构成及相关的技术、产业领域,1.2 电子封装的范围,工艺

3、材料 设计、评价、解析技术,以大型设备为例，分析设备构成的各个层次： （1）层次1（Level.1）：特指半导体集成电路元件（芯片）。由半导体厂商提供，分两大类，一类是系列标准芯片，另一类是针对用户的特殊要求的专用芯片。裸芯片 （2）层次2 （Level.2）：单芯片封装和多芯片组件（Multi Chip Modules,MCM），前者是对单个裸芯片进行封装，后者是将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上进行气密性封装。 （3）层次3 （Level.3）：构成板或卡的装配工序。将多数个完成层次2的单芯片封装和MCM，实装在PCB板等多层基板上，基板周边设有插接端子，用于与母板及其他板或卡的电气相连。

4、,1.2 电子封装的范围,（4）层次4 （Level.4）：称为单元组装，将多个完成3的板或卡，通过其上的插接端子，搭载在称为母板的大型PCB板上，构成单元组件。 （5）层次5 （Level.5）：将多个单元构成架，单元与单元间用布线或电缆相连。 （6）层次6 （Level.6）：总装。将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大规模电子设备。,1.2 电子封装的范围,电子封装工程的各个阶段,1.2 电子封装的范围,1.2 电子封装的范围,从电子封装的角度，一般称： 层次1为0级封装； 层次2为1级封装； 层次3为2级封装； 层次4，5，6为3级封装。,图1-7 从硅圆片或芯片到手机

5、的封装过程,1.2 电子封装的范围,图1-8 电子封装工程的范围,从几何维数的角度可以更好的理解电子封装工程所涉及的范围及各工序、各部分之间的关系： （1）点：从几何维数看为零维，通过点的键合实现电气导通；如引线连接的键合点； （2）线：从几何维数看为一维，通过金丝或布线实现电气连接；如键合引线、带载引线、电机布线、电源线、接地线、信号线等。 （3）面：从几何维数看为二维，通过封接实现面与面的紧密接触，以保证固定、密封、传热等。,1.2 电子封装的范围,（4）体：通过封装将可塑性绝缘介质经模注、灌封、压入等，使芯片、中介板（或基板）、电机引线等封为一体。从几何维数上看构成三维的封装体，而起到密

6、封、传热、应力缓和及保护等作用。 （5）块：带有电机端子的封装体即为“块”，“块”与下面要讨论的“板”可以看做是多维体，块与基板的连接即为实装。 （6）板：实装有半导体集成电路元件，L、C、R等分立元件，变压器以及其他部件的基板即为“板”。由板通过插入、机械固定等方式安装成为系统或整机。,1.2 电子封装的范围,1.3 电子封装的功能,表1-1 PKG的功能,PKG是半导体器件的外缘，是芯片与实装基板间的界面。因此，无论PKG的形式如何，封装最主要的功能应该是芯片电气特性的保持功能。 芯片的保护功能，PKG保护芯片表面以及连接引线等，使在电气或物理等方面相当柔嫩的芯片免受外力损害及外部环境的影

7、响。 应力缓和功能，通过PKG，使芯片的热膨胀系数与基板的热膨胀系数相匹配，并与外界环境相隔离。 PKG的尺寸调整（节距变换）功能，可由芯片的微细引线节距，调整到实装基板的尺寸节距，从而便于实装操作。 规格通用功能，PKG的尺寸、形状、引线端子数量、节距、长度等都有标准规格，既便于加工，又便于与实装基板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。,1.3 电子封装的功能,图1-9 DIP型陶瓷封装的结构,1.3 电子封装的功能,按芯片的装载方式（一级封装）、基板类型、封接方式、PKG的外形、结构、尺寸及实装方式（二级封装）来分类，下面分别加以介绍。 1. 按芯片在基板（或中介板）上的装载方式（

8、一级封装）分类 按芯片上有电极的一面相对于基板来说，有朝上还是朝下以及正装片、倒装片（flip-chip)之分；按芯片的电气连接方式分有引线键合（WB）方式和无引线键合方式，而后者又有倒装片键合、自动键合带（tape automated bonding, TAB）及微机械键合之分,1.4 电子封装的分类,1.4 电子封装的分类,1.4 电子封装的分类,1.4 电子封装的分类,1.4 电子封装的分类,引线键合方式是用Au、Al、Cu等极细的金属丝（通常直径为35m，功率元件用数百微米）分别在两个端子进行键合连接。不需要对端子进行预处理，定位精度也较高，作为通用的连接方式广泛采用。缺点是要诸个端子

9、进行键合，作业速度慢，而且由于引线必须向上或向下拐弯，需要一定的高度，因此不利于薄型封装。,引线键合连接结构,1.4 电子封装的分类,图1-12 倒装片微互联用凸点,在无引线键合方式中，需要对LSI芯片键合点（Al电极）进行预先处理，使其形成半球形的凸点（焊台）。 在LSI芯片键合点（Al电极）上，通过中间阻挡金属层，附上Au、Cu等凸点。在倒装片微互联时，使凸点直接与基板上相应的布线电极相接触，键合一次完成。,图1-13 TAB键合方式,芯片不是装载在基板上，而是装载在预先布好线的有机带基上。这种方式适合薄型高密度封装，便于自动化操作。,1.4 电子封装的分类,2. 按基板类型分类 基板的作

10、用是搭载、固定电子元器件，利用其表面或内部形成的电路图形，进行电路连接，同时兼有绝缘、导热、隔离及保护元器件的作用。 电子封装不断向小型、细引脚节距、立体化、高频、大功率密度等方向发展，对基板提出越来越高的要求。实际上，不同的封装类型总是对应着不同类型的基板。从材料上讲，分有机基板和无机基板两大类；从结构上讲，分单层（包括挠性带基）、双层、多层、复合基板等。表1-2列出各种多层基板的构造及优缺点等，从中可以了解基板的发展概况。,表1-2 各种多层基板的构造及特征,1.4 电子封装的分类,3. 按封接或封装方式分类 半导体元件的封接或封装方式分气密性（hermetic or seal）封装和树脂

11、封装两大类。封接和封装的目的是与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，除了起保护和电气绝缘作用外，同时还起向外散热及应力缓和的作用。图1-14表示几种典型实例。一般说来，气密封装可靠性较高，但价格也贵。目前由于封装技术及材料的改进，树脂封装已占绝对优势，但在有些特殊领域，气密封装是必不可少的。 4. 按PKG的外形、尺寸、结构分类 所谓按外形，主要是根据PKG接线端子的排布方式对其进行分类。依照PKG的发展顺序，先后出现DIP、PGA、QFP、BGA、CSP等几大类。,图1-14 半导体元件的封装方法及封装材料,（1）引脚插入型,（1）引脚插入型,（2）表面贴装型,（2）表面贴装型,表面贴装型,TA

12、B型,1.4 电子封装的分类,5. 按封装材料、封装器件和封装结构分类 反映了20世纪70年代前后，在世界范围内，电子封装从无到有，从三极管到芯片部件封装，从插入式封装到表面贴装式封装，从金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷封装到塑料封装的发展过程。尽管目前在我国有时还采用这种分类方法，但由于塑料封装成本低廉、工艺简单，并适于大批量生产，因此具有极强的生命力，自诞生起发展越来越快，在封装中占的份额越来越大，因此，这种分类方法早已过时。目前塑料封装已占世界集成电路封装市场的98%，与此同时，品种越来越多，性能越来越优良，在消费类电路和器件领域基本上塑料封装一统天下。,图1-15 20世纪70年代前后，按

13、封装材料、封装器件和封装结构分类,几种典型的PKG,1. 双列直插式封装（dual in-line package, DIP） 最早的PKG，针脚分布于两侧，且直线平行布置，直插入印制线路板（PWB）以实现机械固定和电气连接。DIP一般仅利用PWB的单面。由于针脚直径和节距都不能太细，故PWB上通孔直径、节距乃至布线节距都不能太细，这种PKG难以实现高密度封装 。,几种典型的PKG,2. 针栅阵列插入式封装（pin grid array package, PGA） 在DIP的基础上，为适应高速度、多针脚化（提高端子密度）而出现的。针脚不是单排或双排，而是整个平面呈栅阵排布。与DIP相比，在不增

14、加针脚节距的情况下，可以按近似平方的关系提高阵脚数。若采用导热性良好的陶瓷基板，还可以适应高速度、大功耗器件的要求。但是，由于这种封装具有向外伸出的针脚，一般采用插入式实装而不宜采用表面实装；若采用陶瓷基板，价格有相对较高。因此多用于较为特殊的用途。,几种典型的PKG,图1-16 针栅阵列插入式封装的外观(NEC),几种典型的PKG,3. 四边引脚扁平封装（quad flat package, QFP） QFP由小外形表面封装（small out-line package, SOP）发展而来，其外形呈扁平状，鸟翼型引脚一端由PKG的四个侧面引出，另一端沿四边布置在同一平面上。由QFP派生出的P

15、KG还有LCCC、PLCC以及TCP（TAB型，见图1-13）等，见图1-17。,几种典型的PKG,图1-17 表面实装型IC封装（周边引脚型）的变迁,几种典型的PKG,QFP实装基板上不是靠针脚插入PWB的通孔中，而是采用表面贴装技术通过焊料等贴附在PWB表面相应的电路图形上。因此，PWB两面可以形成不同的电路，采用整体再流焊等方式可使两面上搭载的全部器件一次键合完成。便于自动化操作，实装的可靠性也有保证，是目前最普遍采用的PKG形式。 但是，由于QFP的引脚端子四周边布置，且伸出PKG之外，若引线节距过窄、引脚过细，则端子更为柔嫩，难免制造及实装过程中不发生变形等。当端子数超过几百个，端子

16、节距等于或小于0.3mm时，要精确地搭载在电路图形上并与其他电路元件一起采用再流焊一次完成实装，难度极大，需要采用专用自动搭载机以及高超的技能，致使价格剧增，而且还存在可靠性及成品率方面的问题。采用J字形引脚端子的PLCC等可以缓解一些矛盾，但不能从根本上解决QFP的上述问题。,几种典型的PKG,4. 球栅阵列封装（ball grid array, BGA） 最早由摩托罗拉公司开发 BGA实际上是在PGA和QFP的基础上发展而来，取前者端子平面阵列布置，将插入式的针脚改换成键合用的微球，取后者可采用SMT等由一次再流焊完成实装等优点。 开发BGA最早，而且最积极的是美国公司。日本的一些大公司曾

17、想靠其高超的操作技能固守QFP不放，开始对BGA兴趣不大。但由于BGA除上述优点外，本身还具有与电路图形的自对准功能，所占的实装面积小，对端子的节距要求不苛刻，便于实现高密度封装，还具有优良的电学性能等。日本的各大电子公司后起直追，投入相当大的力量开发各种类型的BGA。由于CSP的开发成功，日本在超小型封装方面又有后来居上之势。,几种典型的PKG,图1-18 表面实装型IC封装（平面栅阵型）,几种典型的PKG,图1-19 P-BGA封装的基本结构,图1-20 由于熔融焊料表面张力的作用，自对准效果示意图,几种典型的PKG,BGA的优点： 由于BGA的端子采用平面阵列(栅阵)布置，故与其他实装技

18、术相比，显示出下述明显的优越性: 与现用的QFP相比，可实现小型、多端子化(实装密度高)，400端子以上不太困难。 由于熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效果，因此容易实现多端子一次回流焊的表面实装(80端子等级也可以有相当大的实装尺寸公差)，因而它是很理想的表面实装结构。 虽然封装价格比QFP高，但由于实装可靠，因实装不良造成的返修价格几乎为零，因此，按总的封装价格相比，BMA占优势。 与QFP相比，实装操作简单，在现有的实装生产线(具有端子间距0. 65mm以上的实装能力)上即可进行生产。需要的附加设备投资和人员培训投资很低。东南亚等装配工厂即可低价格装配高性能微机。,几种典型的PKG,几

19、种典型的PKG,目前，从形式上看BGA主要有下面几种类型。 （1）PBGA（plastic ball grid array），以有机印制线路板（PWB）为封装基板的BGA，其基本结构见图1-19。其中采用高密度多层布线板的又称为ABGA（advanced BGA）或EBGA（enhanced BGA）。 （2）CBGA（ceramic ball grid array），以多层陶瓷基板为封装基板的BGA。 （3）TBGA（tape ball grid array），带载BGA，其中又有单层铜箔载带和双层铜箔载带之分。 （4）FBGA（fine pitch ball grid array），精细节

20、距端子BGA，一般需要采用积层多层印制线路板。作为CSP的原始形式，于20世纪90年代中期问世。 （5）FCBGA（flip chip BGA），倒装芯片BGA，是BGA中多端子、窄节距、高性能的高级形式，是目前研究开发的重点。,几种典型的PKG,现在的BGA，从技术上看，正向着两极化的领域发展。即一极以满足多功能，高性能的电子及其设备为主要目标，以多引脚，高速化为其主要特征；另一极以满足多功能，轻量小型，便携的电子及其设备为主要目标，以小型化为其主要特征。,几种典型的PKG,5.芯片尺寸封装或芯片级封装 1996年可以称为CSP封装元年，当年CSP技术的公开发表在电子封装工程的发展是上具有划

21、时代的意义。这种与半导体芯片尺寸几乎同样大小，具有半导体封装功能（互换性，质量保证，保护芯片及实装容易等）的球栅阵列CSP型封装一出现，封装成套设备的厂商立即投入到超小型配套设备的竞争中。,几种典型的PKG,首先，CSP具有各种各样的结构，并不是一种新的封装类型。但CSP应具有下述特征： CSP是与芯片尺寸等同或略大的封装的总称。 就封装形式而论，属于已有封装形式的派生品，因此可以按现有的封装形式来分类，如BGA型，LGA型，SON型等。 从1996年起，CSP逐渐向便携式信息电子设备推广，从这种意义上来讲，其标准化，一次再流焊特性及价格等应与QFP不相上下。 目前的CSP，不仅从外观（实装时

22、的互联结构），而且从内部连接方式上有多种不同的结构。 各大电子公司为了在包括低档产品在内的一般便携式信息设备中实现超高密度化，都在积极开发极限超小型封装。CSP的发展极为迅速，各种新型的CSP结构会不断出现。,几种典型的PKG,关于CSP的分类，日本电子机械工业协会（EIAJ）打算按下述标准化分类，即按其外形分为平面阵列端子型和周边布置端子型两大类。 在平面阵列端子型CSP中，目前世界上开发，应用最为广泛是FBGA或称FLGA，EIAJ正在对端子节距小于0.8mm，外形尺寸421mm的这种超小型封装进行标准化。这种封装即可以用于逻辑器件，又可以用于存储器件。 在周边布置端子型CSP中，有SON

23、和QFN等无引线小型封装，主要用于存储器件及低价位逻辑器件等。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,电子封装技术发展简介 20世纪50 年代以前 真空管时代 20世纪60 年代 三极管时代 20世纪70 年代IC时代的封装是DIP 20世纪70 年代末 表面粘贴技术SMT出现 20世纪80 年代 LSI时代，表面贴装器件SMD问世，典型代表是SOP 电子封装呈现多样化状况 20世纪90 年代 VLSI时代， 20世纪90 年代末 电子封装进入新的转型期，其特点是以21 世纪超高集成电路元件的封装为目标，满足小型化、多引脚的要求 进入21世纪 多端子、窄节距、高性能的FCBGA、各类CSP以及

24、三维封装成为人们研究开发的重点,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,半导体封装的种类、特征随时间的变迁,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,1、带动电子封装发展的第一个车轮半导体芯片性能的不断提高 半导体技术的发展经历： 1948年，三极管发明是半导体元器件技术的起点， 1958年 最早的集成电路出现 1958年-1968年 半导体的初期开发期，技术进展缓慢 1968年-1978年 发展加速，经历了小规模，中规模、大规模、超大规模、和巨大规模等几个阶段的发展。期间，1961年，日本各类接收机用真空管与半导体元件市场占有率相等，1975年分立元件与半导体

25、集成电路市场占有率相等 1985 年前后，半导体集成电路的开发已从发展期进入到成熟期 跨入新世纪，集成电路技术中，直径300mm的硅圆片、0.13m的特征尺寸均已达到批量生产水平。MPU的时钟频率达到1.7GHz，集成度达40M晶体管/芯片；DRAM的集成度达2G位/芯片。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,半导体技术的发展经历,半导体集成电路技术的进展推移,第一个交叉点：日本各类接收机用真空管与半导体元件市场占有率相等 第二个交叉点：分立元件与半导体集成电路市场占有率相等,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,2、带动电子封装发展的第二个车轮电子设备迅速轻、薄、短、小化 早在1989年，

26、就有三种便携型电子产品同时出现在日本市场移动电话、笔记本电脑、摄像一体型VTR。小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势。到2006年，在所有电子设备中，便携型的比例已超过60%。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,（1）便携电话 1989 年 美国摩托罗拉公司的小型移动电话在日本市场出现。之后众多生产厂家就围绕它的小型、轻量化展开激烈的竞争。 1989年刚出世的产品为303g； 1993年出现的廉价型移动电话，最轻者为220g； 1995年，日本简易型移动电话PHS最轻达160g； 1996年10月，出现了93g 的移动电话，打破了“100g大关”； 1997年8月出现了

27、80g左右的新品种，五年之间质量下降了64%。 1998年7月，日本京瓷公司推出69g的数字式移动电话，日本有关自造者和经销商预计，更轻的电话产品将是50g型的。 以70g左右的电话产品为例，电池质量约20g，外壳体质量约15g，基板（已安装了器件）约15g。对于已安装了器件的基板来说，要进一步降低质量，一方面是采用更轻、更薄、更高布线密度的三维立体布线多层基板；另一方面是采用更小化的封装器件，减少实装面积和质量。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,（2） 笔记本电脑 1989年，日本东芝生产的笔记本电脑率先问世 笔记本电脑近10年的发展，主要表现在两方面： 一、功能性提高 CPU高速化、

28、低消耗电力； 二、小型、轻量化方面不断发展：2.7kg1.1kg，特殊微小的笔记本，最轻已达312g 在笔记本小型、轻量化发展中，所用的基板（印刷电路版）也发生了很大的变化。多层板的厚度从1.6mm发展变化为1.2mm，1.0mm，0.8mm，0.6mm，0.4mm。为了达到整机的轻量化，所用的多层板，迅速地向着薄型化、高密度布线化发展，成为较早采用积层法的产品之一。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,日本IBM公司在20世纪90年代初，首先将高密度布线的积层法多层板“SLC”运用于笔记本电脑中。 在1996-1997年中，日本IBM公司向NEC提供了SLC多层板，成功运用在笔记本电脑“P

29、C 9821 La/Ls”（98 NOTE Alie）中。 其它日本PCB厂家的积层法多层板，也大量地在笔记本电脑中得到采用。一般规格为0.4mm厚、4层，0.6mm厚、6层，0.8mm厚、8层等。它们在整个基板外观尺寸上，比一般多层板（FR-4型）有较大的缩减（一般减少20%50%）。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,20世纪90年代中期出现的日本富士通微型A5尺寸型笔记本电脑（FMV-5100NC/S），总重量只有1.1kg，印刷电路板及其所实装的新型器件，使原模块基板的尺寸100mm100mm改进为50mm50mm，PCB面积减小到原来的1/4。这种微小模块基板，还采用了积层式多层

30、板。由原来间距为250m的布线，改进成间距为100m的布线。 东芝的微型笔记本电脑（Libretto50）中，采用了BGA器件。这一外形尺寸为40mm40mm的新型BGA，代替了原同类产品中五个器件（含TCP型的CPU在内），使半导体器件在PCB上的实装面积有大的缩小。这个BGA引脚为576个，也使所搭载的PCB布线密度有所提高。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,（3） 摄像一体型VTR 1989年，首次在日本市场上出现小型携带型摄像一体型录像机（索尼产TR-55型），其质量为790g。在产品的PCB上，实装有2200多个大大小小的半导体元器件。发展到1998年初，这类产品最轻的已达到4

31、50g，仅为最初产品的57%，由于采用高集成化的元器件，使其所用的元器件数量，由较大的减少。 为达到摄像一体型VTR更加小型、轻量化，日本众多制造厂近一两年都采用了1997年在日本兴起的CSP及其实装技术。它需要PCB更高的布线密度。 上述三大携带型电子产品的小型、轻量化的发展，代表了整个电子产品向轻、薄、短、小方向的发展趋势，引起了包括封装基板在内的整个电子封装技术的深刻变革，给电子封装产业提出许多新课题。,1-5电子封装发展的驱动力及发展概况,封装基板正向着下述四个发展方向发展： 三维立体布线的多层化 微细图形和微小布线间距 微小孔径 多层板的薄型化,1-6电子封装技术领域的重大变革,（1

32、）从插入式到表面贴膜第一次重大变革 发生在20世纪70年代前半期，其特征是，由针脚插入式实装技术过渡到周边端子型封装的表面贴装技术。前者的代表是两侧布置有双排针脚的DIP；后者的代表是四周边布置有鸟翼端子的QFP 。 （2 ）从四边引脚的QFP到平面阵列表面贴装第二次重大变革 20世纪90年代前半期，球栅阵列端子BGA型封装出现，与此对应的表面贴装技术与半导体集成电路技术一起跨入21世纪。,1-6电子封装技术领域的重大变革,（3） 电子封装的发展动向及第三次重大变革,目前我国的电子封装处于图中左下角DIP、PGA、QPF等初级水平，日、美、韩等已跨入图中左上方和右上方的三角箭头中。从整体上看，我国电子封装比国外先进水平落后大致二十五年，而且差距正在拉大。,1-6电子封装技术领域的重大变革,a. 从陶瓷封装向塑料封装发展 早期的半导体封装多以陶瓷封装为主，随着半导体元件高集成化和高速化的进展、电子设备系统价格的降低以及轻、薄、短、小化的要求，近年来，塑料封装正逐渐占据主导地位。 当然，低价格并不是选择封装材料、结构、类型的唯一标