微電子封裝的現狀與發(fā)展趨勢

　　近年來(lái)，各種各樣的電子產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)、農業(yè)、國防和日常生活中得到了廣泛的應用。伴隨著(zhù)電子科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得微電子工業(yè)發(fā)展迅猛，這很大程度上是得益于微電子封裝技術(shù)的高速發(fā)展。當今全球正迎來(lái)以電子計算機為核心的電子信息技術(shù)時(shí)代，隨著(zhù)它的發(fā)展，越來(lái)越要求電子產(chǎn)品要具有高性能、多功能、高可靠、小型化、薄型化、便捷化以及將大眾化普及所要求的低成等特點(diǎn)。這樣必然要求微電子封裝要更好、更輕、更薄、封裝密度更高，更好的電性能和熱性能，更高的可靠性，更高的性能價(jià)格比。

　　一、微電子封裝的概述

　　1、微電子封裝的概念

　　微電子封裝是指利用膜技術(shù)及微細加工技術(shù)，將芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出連線(xiàn)端子并通過(guò)可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構成整體立體結構的工藝。在更廣的意義上講，是指將封裝體與基板連接固定，裝配成完整的系統或電子設備，并確定整個(gè)系統綜合性能的工程。

　　2、微電子封裝的目的

　　微電子封裝的目的在于保護芯片不受或少受外界環(huán)境的影響，并為之提供一個(gè)良好的工作條件，以使電路具有穩定、正常的功能。

　　3、微電子封裝的技術(shù)領(lǐng)域

　　微電子封裝技術(shù)涵蓋的技術(shù)面積廣，屬于復雜的系統工程。它涉及物理、化學(xué)、化工、材料、機械、電氣與自動(dòng)化等各門(mén)學(xué)科，也使用金屬、陶瓷、玻璃、高分子等各種各樣的材料，因此微電子封裝是一門(mén)跨學(xué)科知識整合的科學(xué)，整合了產(chǎn)品的電氣特性、熱傳導特性、可靠性、材料與工藝技術(shù)的應用以及成本價(jià)格等因素，以達到最佳化目的的工程技術(shù)。

　　在微電子產(chǎn)品功能與層次提升的追求中，開(kāi)發(fā)新型封裝技術(shù)的重要性不亞于電路的設計與工藝技術(shù)，世界各國的電子工業(yè)都在全力研究開(kāi)發(fā)，以期得到在該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。

　　4、微電子封裝的功能

　　微電子封裝所實(shí)現的功能主要有四點(diǎn)：

　　傳遞電能，主要是指電源電壓的分配和導通。

　　傳遞的電路信號，主要是將電信號的延遲盡可能減小，在布線(xiàn)時(shí)應盡可能使信號與芯片的互連路徑以及通過(guò)封裝的I/O接口引出的路徑達到最短。

　　提供散熱途徑，主要是指各種封裝都要考慮元器件、部件長(cháng)期工作時(shí)如何將聚集的熱量散出的問(wèn)題。

　　結構保護與支持，主要是指封裝可為連接部件提供牢固可靠的機械支撐，并能適應各種工作環(huán)境和條件的變化。

　　5、微電子封裝的技術(shù)層次

　　微電子封裝通常有四個(gè)層次：

　　第一層次：是指把電路芯片與封裝基板或引腳架之間的粘貼固定、電路連線(xiàn)與封裝保護的工藝，使之成為易于取放輸送，并可與下一層次組裝進(jìn)行連接的模塊元件。

　　第二層次：將數個(gè)第一層次完成的封裝與其他電子元器件組成一個(gè)電路卡的工藝。

　　第三層次：將數個(gè)第二層次完成的封裝組裝成的電路卡組合在一個(gè)主電路板上使之成為一個(gè)部件或子系統的工藝。

　　第四層次：將數個(gè)子系統組裝成為一個(gè)完成電子產(chǎn)品的工藝過(guò)程。

　　在芯片上的電路元器件間的連線(xiàn)工藝也稱(chēng)為零級層次的封裝，因此封裝工程也可以用五個(gè)層次區分。

　　6、微電子封裝的分類(lèi)

　　按照封裝中組合電路芯片的數目，微電子封裝可分為單芯片封裝(SCP)與多芯片封裝(MCP)兩大類(lèi)，MCP指層次較低的多芯片封裝，而MCM指層次較高的多芯片封裝。

　　按照密封的材料區分，可分為以高分子材料(即塑料)和陶瓷為主的種類(lèi)。陶瓷封裝的熱性質(zhì)穩定，熱傳導性能優(yōu)良，對水分子滲透有良好的阻隔能力，因此是主要的高可靠性封裝方法;塑料封裝具有工藝自動(dòng)化、低成本、薄型化封裝等優(yōu)點(diǎn)，因此塑料封裝是目前市場(chǎng)最常采用的技術(shù)。

　　按照器件與電路板互連方式，封裝可分為引腳插入型(PTH)和表面貼裝型(SMT)兩大類(lèi)。PTH器件的引腳為細針狀或薄板狀金屬，以供插入底座或電路板的導孔中進(jìn)行焊接固定;SMT器件則先粘貼于電路板上再以焊接固定，它具有海鷗翅型、鉤型、直柄型的金屬引腳，或電極凸塊引腳(也稱(chēng)為無(wú)引腳化器件)。

　　依據引腳分布形態(tài)區分，封裝元器件有單邊引腳、雙邊引腳、四邊引腳與底部引腳等4種。常見(jiàn)的單邊引腳有單列式封裝(SIP)與交叉引腳式封裝(ZIP);雙邊引腳元器件有雙列式封裝(DIP)、小型化封裝(SOP)等;四邊引腳有四邊扁平封裝(QFP)、底部引腳有金屬罐式(MCP)與點(diǎn)陣列式封裝(PGA)。

　　由于產(chǎn)品小型化以及功能提升的需求和工藝技術(shù)的進(jìn)步，封裝的形式和內部結構也有許多不同的變化。

　　7、微電子封裝的材料

　　微電子封裝所使用的材料包括金屬、陶瓷、玻璃、高分子等，金屬主要為電熱傳導材料，陶瓷與玻璃為陶瓷封裝基板的主要成分，玻璃同時(shí)為重要的密封材料，塑料封裝利用高分子樹(shù)脂進(jìn)行元器件與外殼的密封，高分子材料也是許多封裝工藝的重要添加物。材料的使用與選擇是由封裝的電熱性質(zhì)、可靠性、技術(shù)與工藝、成本價(jià)格的需求有關(guān)。

　　二、微電子封裝的技術(shù)要求

　　隨著(zhù)微電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，微電子封裝技術(shù)也不斷的發(fā)展與進(jìn)步。

　　1、小型化

　　微電子封裝技術(shù)朝著(zhù)超小型化的方向發(fā)展，出現了與芯片尺寸大小相同的超小型化封裝形式，即晶圓級封裝技術(shù)(WLP)。而低成本、高質(zhì)量、短交貨期、外形尺寸符合國際標準都是小型化的必需的條件。

　　2、適應高發(fā)熱

　　由于微電子封裝的熱阻會(huì )因為尺寸的縮小而增大，電子機器的使用環(huán)境復雜，因而必須解決封裝的散熱。尤其是在高溫條件下，必須保證長(cháng)期工作的穩定性和可靠性。

　　3、高密集度

　　由于元器件的集成度越來(lái)越高，要求微電子封裝的管腳數越來(lái)越多，管腳間的間距越來(lái)越小。

　　4、適應多引腳

　　外引線(xiàn)越來(lái)越多是微電子封裝的一大特點(diǎn)，當然也是難點(diǎn)，因為引腳間距不可能無(wú)限小，再流焊時(shí)焊料難以穩定供給，故障率很高。

　　而多引腳封裝是今后的主流，所以在微電子封裝的技術(shù)要求上應盡量適應多引腳。

　　三、微電子封裝在國內的發(fā)展現狀

　　過(guò)去，整個(gè)中國國內半導體產(chǎn)業(yè)基礎十分薄弱，但是附加價(jià)值相對較低的封裝測試卻是整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)鏈最強的一環(huán)，占了國內半導體產(chǎn)業(yè)值59%以上，之所以會(huì )有這個(gè)現象產(chǎn)生，是因為在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝測試對資金需求和技術(shù)門(mén)檻較低，且人力需求比較高，而國內擁有充沛和低廉的勞動(dòng)資源所致，但這與國際上先進(jìn)封裝測試技術(shù)水平仍有相當差距。

　　據有關(guān)報告稱(chēng)，2003年我國微電子封裝測試企業(yè)實(shí)現銷(xiāo)售收入246億元，同比增長(cháng)23.3%，占整個(gè)微電子產(chǎn)業(yè)鏈銷(xiāo)售收入的70%，已成為微電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展中的新亮點(diǎn)。產(chǎn)能上迅速提升滿(mǎn)足了市場(chǎng)的要求，也實(shí)現了產(chǎn)量的增長(cháng)，如長(cháng)電科技(600584,股吧)股份、南通富士通、四川安森美、華潤安盛、上海金朋、安靠、浙江華越等公司都在產(chǎn)量銷(xiāo)售收入利潤上獲得了歷史佳績(jì)。

　　從調查資料分析，國內微電子封裝正處于一個(gè)快速的發(fā)展階段。各種股份制企業(yè)、中外合資、外商獨資、民營(yíng)企業(yè)正如雨后春筍般地涌現。其主要集

　　中在長(cháng)三角，其次為珠三角、京津環(huán)渤海地區。然而，根據中國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )資料顯示，現階段國內從事分立器件及微電子封裝測試的廠(chǎng)商約有210家，其中從事微電子封裝的廠(chǎng)商超過(guò)100家，但實(shí)際上有一定水準封裝測試技術(shù)，且年封裝量超過(guò)1億顆的不到20家，預計未來(lái)3年內，若臺資企業(yè)能夠順利排除法規限制且產(chǎn)能放量，國內將會(huì )出現激烈的殺戮淘汰賽或并購情形。

　　國內微電子封裝測試產(chǎn)業(yè)可以細分為三階段。

　　1995年前，國內的封裝測試絕大部分是依附本土組件制造商，如上海先進(jìn)、貝嶺、無(wú)錫華晶及首鋼NEC等，及部分由合資方式或其他方式合作的外商，如深圳賽意法微電子、現代電子(現已被金朋并購)，但投資范圍主要以PDIP、PQFP和TSOP為主。

　　但是1995年起，國內出現了第一家專(zhuān)業(yè)封裝代工廠(chǎng)(即阿法泰克)，緊接著(zhù)，由于得到國家政策對發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)的支持，英特爾、超微、三星電子和摩托羅拉等國際大廠(chǎng)整合組件制造商擴大投資，紛紛以1億美元以上的投資規模進(jìn)駐到中國國內。

　　2000年后，中芯、宏力、和艦及臺積電等晶圓代工廠(chǎng)陸續成立，新產(chǎn)能的開(kāi)出和相續擴產(chǎn)，對于后段封裝產(chǎn)能的需求更為迫切，使得專(zhuān)業(yè)封測廠(chǎng)為爭奪訂單，也跟著(zhù)陸續進(jìn)駐到晶圓廠(chǎng)周?chē)?，如威宇科技、華虹NEC提供BGA/CSP及其他高階的封裝服務(wù)、中芯與金朋建立互不排除聯(lián)盟。

　　因為晶圓制造開(kāi)始往高階技術(shù)推進(jìn)，對于封裝工藝的要求也開(kāi)始轉向高階產(chǎn)品，這也將會(huì )帶動(dòng)中國國內封測產(chǎn)業(yè)在質(zhì)量上進(jìn)一步向上提升。

　　四、微電子封裝的關(guān)鍵技術(shù)

　　發(fā)展微電子封裝技術(shù)，旨在使系統向小型化、高性能、高可靠性和低成本目標努力，從技術(shù)發(fā)展觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，作為微電子封裝的關(guān)鍵技術(shù)主要有：TCP、BGA、FCT、CSP、MCM和三維封裝。

　　1、帶載封裝

　　帶載封裝(TCP)，是在形成連接布線(xiàn)的帶狀絕緣帶上搭載LSI裸芯片，并與引線(xiàn)連接的封裝。與QFP相比，TCP的引線(xiàn)間距可以做得更窄，而且外形可以做得更薄，因此，TCP是比QFP更薄型的高密度封裝，它在PCB板上占據很小的面積，可以用于高I/O數的ASIC和微處理器。

　　2、柵陣列封裝

　　柵陣列封裝(BGA)，是表面安裝型封裝的一種，在印刷電路基板的背面，二維陣列布置球形焊盤(pán)，而不采用引線(xiàn)針腳。在印刷電路板的正面搭載LSE芯片，用模注和澆注樹(shù)脂封接，可超過(guò)200針，屬于多針的LSI用封裝。封裝體的大小也比QFP小。而且BGA不像QFP，不用擔心引線(xiàn)的變形。

　　3、倒裝芯片技術(shù)

　　倒裝芯片技術(shù)(FCT)，是將芯片有源區面對基板，通過(guò)芯片上呈陣列排列的焊料凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現芯片與襯底的互連。這種方式能提供更高的I/O密度。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：外形減小尺寸。提高電性能。高的I/O密度。良好散熱性。改善疲勞壽命，提高可靠性。裸芯片的可測試性。

　　4、芯片規模封裝

　　芯片規模封裝(CSP)，主要有適用于儲存器的少引腳CSP和適用于A(yíng)SCI的多引腳CSP，具體為芯片上引線(xiàn)(LOC)、微型球柵陣列(MBA)和面陣列(LGA)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：容易測定和老化，易于一次回流焊接等安裝以及操作簡(jiǎn)便。

　　5、多芯片模式

　　多芯片模式(MCM)，是指多個(gè)半導體裸芯片表面安裝在同一塊布線(xiàn)基板上。按基板材料不同，分為MCM-L、MCM-C、MCM-D三大類(lèi)。

　　MCM-L是指用通常玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂制作多層印刷電路基板的模式。布線(xiàn)密度高而價(jià)格較低。

　　MCM-C通過(guò)厚膜技術(shù)形成多層布線(xiàn)陶瓷，濱海高以此作為基板。布線(xiàn)密度比MCM-L高。

　　MCM-D通過(guò)薄膜技術(shù)形成多層布線(xiàn)陶瓷或者直接采用Si、Al作為基板，布線(xiàn)密度最高，價(jià)格也高。

　　6、三維(3D)封裝

　　三維封裝，即是向空間發(fā)展的微電子組裝的高密度化。它不但使用組裝密度更高，也使其功能更多、傳輸速度更高、功耗更低、性能及可靠性更好等。

　　五、微電子封裝的發(fā)展趨勢

　　21世紀的微電子封裝概念已從傳統的面向器件轉為面向系統，即在封裝的信號傳遞、支持載體、熱傳導、芯片保護等傳統功能的基礎上進(jìn)一步擴展，利用薄膜、厚膜工藝以及嵌入工藝將系統的信號傳輸電路及大部分有源、無(wú)源元件進(jìn)行集成，并與芯片的高密度封裝和元器件外貼工藝相結合，從而實(shí)現對系統的封裝集成，達到最高密度的封裝。

　　在近期內，BGA技術(shù)將以其性能和價(jià)格的優(yōu)勢以最快增長(cháng)速度作為封裝的主流技術(shù)繼續向前發(fā)展;CSP技術(shù)有著(zhù)很好的前景，隨著(zhù)其成本的逐步降低將廣泛用于快速存儲器、邏輯電路和ASIC等器件在各類(lèi)產(chǎn)品中的封裝;在今后不斷的封裝中，FCT技術(shù)將作為一種基本的主流封裝技術(shù)滲透于各種不同的封裝形式中;隨著(zhù)便攜式電子設備市場(chǎng)的迅速擴大，適用于高速、高性能的MCM發(fā)展速度相當驚人;三維封裝是發(fā)展前景最佳的封裝技術(shù)，隨著(zhù)其工藝的進(jìn)一步成熟，它將成為應用最廣泛的封裝技術(shù)。

　　綜上所述，從器件的發(fā)展水平看，今后封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢為：?jiǎn)涡酒蚨嘈酒l(fā)展;平面型封裝向立體封裝發(fā)展;獨立芯片封裝向系統集成封裝發(fā)展。