北京科技大學(xué) 北京 100083

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以集成電路為核心的電子產(chǎn)品數(shù)量不斷增多,極大的帶動了我國經(jīng)濟發(fā)展。但是在集成電路中器件的光、電、熱等性能都會受到集成電路的影響,因此對微電子進(jìn)行封裝則可以有效的解決這一問題。

1 微電子封裝技術(shù)

微電子封裝就是以維系加工技術(shù)和膜技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行操作,將芯片等要素進(jìn)行時設(shè)置,然后利用粘貼等方式將這些要素固定在基板或者是框架上。與此同時在進(jìn)行操作時還需要將各要素的連接端引出。封裝技術(shù)在進(jìn)行固定式主要是以可塑性絕緣介質(zhì)灌技術(shù)作為關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行操作,從而起到良好封裝作用。經(jīng)過微電子封裝技術(shù)處理之后的各要素之間能夠形成一個立體的連接結(jié)構(gòu)。

微電子封裝的基本功能為:

(1)能夠為半導(dǎo)體芯片提供機械支撐,為其提供一個良好的保護(hù)環(huán)境,保證芯片不會受到外界環(huán)境的影響而降低新品的使用性能;

(2)能夠為半導(dǎo)體芯片的正常工作提供所必須的電流電路,保證電路的暢通性;

(3)可以為芯片提供輸入和輸出信號電路,保證芯片能夠與外界的各電子元件以及設(shè)備之間進(jìn)行有效連接,實現(xiàn)芯片的控制功能;

(4)為芯片提供熱通回路。由于芯片在運行時會產(chǎn)生一定的熱量,如果這些熱量無法及時散出,就會影響到芯片的使用功能,甚至還有可能損壞芯片,而微電子封裝技術(shù)能夠為芯片提供良好的散熱環(huán)境;

(5)影響器件和電路性能。微電子封裝技術(shù)能夠?qū)⒃S多的芯片要素集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)以立體結(jié)構(gòu)的形式存在,因此其能夠在一定程度上對系統(tǒng)電路以及各電子元器件的光、電、熱以及機械方面的性能產(chǎn)生影響。

由于微電子封裝技術(shù)能夠為電路和器件提供良好的運行環(huán)境,因此在該技術(shù)下可以保證電路和器件工作的穩(wěn)定性。利用微電子封裝技術(shù)進(jìn)行封裝的材料有很多種,比如說金屬、陶瓷、玻璃、高分子材料等都可以作為封裝材料。在進(jìn)行材料選擇時為了保證器件的穩(wěn)定性和使用性能,首先需要對所需要封裝器件的電氣特性、物理特性以及工藝特性進(jìn)行深入的分析,然后在控制封裝成本的基礎(chǔ)上選擇合適的封裝材料,從而實現(xiàn)良好、穩(wěn)定封裝的目的。

2 微電子封裝的關(guān)鍵技術(shù)

隨著微電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展,許多的封裝技術(shù)開始在日常生活中發(fā)揮作用。當(dāng)前主要的封裝技術(shù)主要是集中在BGA封裝、CSP封裝等技術(shù)方面,并不斷向著三維封裝和系統(tǒng)封裝的方向發(fā)展。以下就針對幾種微電子封裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2．1 BGA封裝技術(shù) 球柵陣列封裝BGA主要是在一些規(guī)模較大的集成電路中進(jìn)行應(yīng)用,從而起到良好封裝效果。BGA封裝技術(shù)能夠?qū)㈦娐分械腎/O引線以圓形或者是柱狀形的方式焊接在一起,然后按照一定的陣列形式排列,從而保證封裝的立體性。在BGA封裝技術(shù)下I/O引線之間的間距非常的大,但是所使用的引線長度則是非常小,這樣可以有效的解決封裝器件之間引線共面度和翹曲的問題,從而保證各引線之間的獨立性?？偨Y(jié)BGA封裝技術(shù)主要的優(yōu)點有:

(1)I/O引線間距大。根據(jù)當(dāng)前BGA封裝技術(shù)中所設(shè)置的I/O引線間距多數(shù)為1．0mm或者是1．27mm,這樣的間距內(nèi)可以容納很多的I/O接口數(shù)量。比如說對于間距為1．27mm的BGA封裝技術(shù)下僅在邊長為25mm的面積上就可以同時容納350個I/O接口,容納接口數(shù)量非常的大。

(2)可靠性高。利用BGA封裝技術(shù)所產(chǎn)生的焊點缺陷率非常的低,而且焊點牢固,對引腳的破壞性小,因此可以保證電路和器件的性能。

(3)管腳水平同一性好。利用BGA封裝技術(shù)進(jìn)行焊接時其焊錫球在經(jīng)過熔化之后可以自動的進(jìn)行補償平面誤差,這樣可以保證芯片與PCB之間具有良好的平面同一性,而且經(jīng)過焊接之后的引腳非常的牢固,穩(wěn)定性非常高。

(4)兼容性好。BGA封裝能夠與SMT貼裝工藝以及設(shè)備之間進(jìn)行通用,表現(xiàn)為良好的兼容性,而且可以在多種不同的芯片、設(shè)備、系統(tǒng)中進(jìn)行使用,兼容性能良好。

2．2 CSP封裝技術(shù) 芯片尺寸CSP封裝技術(shù)是在微電子封裝中較為常見一種封裝技術(shù),該技術(shù)能夠根據(jù)整機要求效果進(jìn)行挑戰(zhàn)。CSP封裝技術(shù)下要求焊球之間的間距保持在1mm以內(nèi)的范圍內(nèi),這也就意味著CSP封裝技術(shù)的間距要比BGA封裝技術(shù)的間距還要小。CSP封裝技術(shù)能夠?qū)π酒M(jìn)行可靠性封裝,保護(hù)芯片的使用性能,與此同時CSP封裝還能夠具有良好的封裝密度,便于后期的焊接、封裝、安裝以及測試等各項操作。

當(dāng)前CSP封裝技術(shù)的種類有很多,比如說說圓片級CSP、芯片選層型CSP等。其中圓片級CSP的應(yīng)用最為廣泛,而且最為常見,具有非常廣闊的發(fā)展空間。但是這些封裝技術(shù)的間距都會控制在1mm的范圍內(nèi)。根據(jù)當(dāng)前CSP封裝技術(shù)的間距進(jìn)行分析,常見間距有0．5mm、0．65mm、0．8mm和1mm幾種類型。以圓片級CSP為例其在進(jìn)行封裝時首先需要對圓片進(jìn)行切割,將一個圓片分割成為多個IC芯片,然后再進(jìn)行封裝操作。在進(jìn)行封裝操作時需要完成一道操作工藝之后再開始進(jìn)行下一道操作工藝,這樣可以有效的提高封裝操作效率。在進(jìn)行倒裝芯片進(jìn)行操作時與一般的封裝工藝相同,只是在原有的基礎(chǔ)上增加了引腳布線和凸點制作工藝,而且在該技術(shù)下不需要反復(fù)的進(jìn)行測試,因此可以在很大程度縮小操作流程,提高封裝效率。雖然CSP芯片在進(jìn)行封裝操作時有諸多的封裝優(yōu)勢,但是其在實際的應(yīng)用時也存在很大的缺點,比如說CSP的間距非常的小,此時在進(jìn)行封裝操作時I/O口的數(shù)量就會受限,而且利用該封裝技術(shù)所需要的成本比較的高。

2．3 3D封裝技術(shù) 根據(jù)當(dāng)前3D封裝的類型進(jìn)行劃分,主要可以分為三種不同的類型,一是埋置型3D封裝。該封裝主要是將各種電子元器件埋置在基板或者是介質(zhì)層中,然后利用SMC和SMD進(jìn)行頂層貼裝,此時就可以達(dá)到良好的封裝效果。二是圓片規(guī)模集成封裝(WSI封裝)。在該封裝模式下首先需要對硅圓片為對象進(jìn)行集成處理,然后在源基板上進(jìn)行布線處理,最后利用SMC和SMD進(jìn)行頂層貼裝。利用該技術(shù)進(jìn)行封裝之后可以實現(xiàn)三維立體結(jié)構(gòu)封裝效果。三是疊層3D封裝。在該封裝技術(shù)下首先需要將器件進(jìn)行2D封裝,然后將已經(jīng)完成封裝的2D芯片按照疊層的方式進(jìn)行3D封裝。在這三種3D封裝技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是疊層3D封裝技術(shù)。該技術(shù)在使用時的優(yōu)勢主要有:

(1)易攜帶。隨著人們生活水平的不斷提升,手機、平板等便攜式電子設(shè)備逐漸進(jìn)入到人們生活,人們?yōu)榱吮阌跀y帶要求這些設(shè)備逐漸向著微型化方向發(fā)展。而3D封裝技術(shù)在可以滿足這一要求。3D封裝技術(shù)能夠降低封裝厚度,從而降低設(shè)備的厚度。

(2)兼容性好。疊層3D封裝技術(shù)具有良好的兼容性,可以與其他的封裝技術(shù)實現(xiàn)兼容操作,而且疊層3D封裝技術(shù)經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)之后還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)。

2．4 SIP系統(tǒng)封裝技術(shù) 系統(tǒng)級封裝SIP封裝技術(shù)就是將多種不同的元件混合在一起封裝在同一個封裝體內(nèi),SIP封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)封裝效果。在SIP系統(tǒng)封裝技術(shù)下能夠?qū)⑿酒?、材料、系統(tǒng)等多種要素封裝在一起,因此SIP系統(tǒng)封裝是一個系統(tǒng)性的概稱。

SIP系統(tǒng)封裝技術(shù)中關(guān)鍵性的因素就是選擇合適的封裝載體和封裝工藝。由于SIP系統(tǒng)封裝技術(shù)設(shè)計到系統(tǒng)集成封裝,因此其在進(jìn)行封裝時首先需要根據(jù)系統(tǒng)功能需求的不同進(jìn)行功能模塊的劃分,然后對系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行組合,形成一個完整的系統(tǒng)載體?；遄鳛閭鹘y(tǒng)封裝技術(shù)中所采用的載體其主要是發(fā)揮互連的作用,但是在SIP封裝技術(shù)中所選用的載體既是電路單元的組成部分,又屬于系統(tǒng)功能中的一部分。在進(jìn)行模塊劃分時為了保證模塊之間的獨立性,在實際的劃分時盡量做到能夠按照功能的不同進(jìn)行劃分,這樣可以為后期的SIP系統(tǒng)封裝奠定基礎(chǔ)。比如說手機藍(lán)牙模塊,為了便于進(jìn)行系統(tǒng)封裝,可以將該模塊中的基帶處理器為單元進(jìn)行封裝,然后將該單元的一端與系統(tǒng)CPU控制接口進(jìn)行連接,另一端則與硬件接口進(jìn)行連接。通過這樣的劃分。

當(dāng)前SIP技術(shù)主要用途有:一是應(yīng)用在RF無線電中。利用SIP封裝技術(shù)能夠?qū)⒕哂卸喾N功能的芯片與具有RF功能的芯片封裝在一起,然后組成一個簡單的系統(tǒng)。二是應(yīng)用在傳感器中。SIP基礎(chǔ)可以將硅元素所組成的傳感器期間集成在一起,然后應(yīng)用到各項控制設(shè)備中;三是應(yīng)用到計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,能夠?qū)崿F(xiàn)集成化功能。

3 微電子封裝的發(fā)展前景

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,日常生活中的許多設(shè)備都需要應(yīng)用到微電子封裝技術(shù),這就要求在進(jìn)行發(fā)展時能夠深入的了解微電子封裝技術(shù),并根據(jù)市場的需求進(jìn)行技術(shù)調(diào)整,從而保證微電子封裝技術(shù)能夠更好的符合時代變化,促進(jìn)我國電子領(lǐng)域以及集成電路行業(yè)的不斷發(fā)展。與此同時我國只有在微電子封裝技術(shù)方面加大研究力度,才能夠跟上國際發(fā)展水平,提高我國在國際上的綜合競爭能力,因此進(jìn)行微電子封裝技術(shù)發(fā)展十分有必要。總結(jié)當(dāng)前微電子封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,可以確定其未來的發(fā)展主要向著以下幾個方向變化:

(1)FC技術(shù)將成為主流技術(shù)。首先,FC技術(shù)是在當(dāng)前微電子封裝方面的最小封裝技術(shù)。FC技術(shù)下要求每個焊點之間的間距在1mm以下,而且線性的尺寸要比當(dāng)前最小的線性尺寸還要縮短30%左右,這樣在該技術(shù)下所得到的封裝系統(tǒng)最終的尺寸要比現(xiàn)有封裝技術(shù)下的系統(tǒng)尺寸還要小30%到50%之間。其次,FC技術(shù)下對引腳進(jìn)行焊接時其凸點的高度要比WB封裝下的凸點高度小許多,這樣就會有效降低電路中的電感值,因此該技術(shù)可以在高頻電路以及電子產(chǎn)品中起到良好作用。最后,利用FC技術(shù)進(jìn)行封裝時其可以在芯片的背面安裝散熱片,這樣可以將芯片運行所產(chǎn)生的熱量及時散出去,為芯片提供良好工作環(huán)境,保證芯片的使用性能。

(2)無源元件向著集成化方向發(fā)展。根據(jù)當(dāng)前當(dāng)值產(chǎn)品中的器件類型進(jìn)行分析,絕大多數(shù)為無源元器件,但是隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,無源元器件所在的比例將會逐漸的增大,有源和無源所占比例將會超過1:50。

在集成電路或者是半導(dǎo)體產(chǎn)品中無源元器件和有源元器件都屬于產(chǎn)品重要組成部分之一。在進(jìn)行封裝時為了保證封裝面積小型化以及集成化,在進(jìn)行元器件封裝時可以采用無源元器件進(jìn)行封裝,這樣可以有效避免有源元器件所占面積,從而節(jié)省封裝電路基板上的元器件的數(shù)量。與此同時在無源元器件組裝時其采用的微組裝技術(shù)也將成為封裝技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié),在微電子封裝中起著關(guān)鍵性作用。總之無源元器件在未來的發(fā)展中將會向著集成化的方向進(jìn)行變化。

(3)由分立系統(tǒng)向系統(tǒng)級封裝發(fā)展。SIP系統(tǒng)封裝技術(shù)是最近幾年才開始應(yīng)用的一種封裝技術(shù),該技術(shù)雖然研發(fā)的時間比較的短,但是其應(yīng)用范圍卻在不斷的擴大,也是當(dāng)前許多日用電子產(chǎn)品中經(jīng)常采用的一種封裝技術(shù)。在SIP系統(tǒng)封裝技術(shù)下能夠?qū)⒁患壭酒庋b、二級插卡封裝和三級基板封裝有機的結(jié)合在一起,將三個封裝層次封裝在一個層次范圍內(nèi)然后進(jìn)行應(yīng)用,這樣能夠大大簡化封裝結(jié)構(gòu),還能夠有效提供系統(tǒng)封裝效率。在SIP系統(tǒng)封裝中能夠?qū)⑿酒?、器件、電子電路、布線等各項要素都封裝在一個特定的系統(tǒng)中,既能夠保證系統(tǒng)設(shè)計的靈活性又能夠減小封裝體積,因此SIP系統(tǒng)級封裝將會成為未來發(fā)展的一大趨勢。

結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,集成電路產(chǎn)業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,許多的設(shè)備和器件都開始向著微型化、便捷化的方向發(fā)展,因此微電子將成為未來發(fā)展的一大趨勢。要想很好的實現(xiàn)集成電路微型化,就需要利用一定的微電子封裝技術(shù)對電路和器件進(jìn)行封裝操作。因此本文在進(jìn)行研究時就針對當(dāng)前幾種微電子關(guān)鍵封裝技術(shù)進(jìn)行分析,了解該技術(shù)的優(yōu)點以及應(yīng)用范圍,然后展望微電子封裝技術(shù)未來的發(fā)展前景。