00244高密度電子封裝的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

1、高密度電子封裝的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)摘要：電子器件封裝在近三四十年內(nèi)獲得巨大的發(fā)展，產(chǎn)生了質(zhì)的變化，已經(jīng)變成實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)性能、質(zhì)量、可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文簡(jiǎn)要介紹了近三四十年來電子封裝形成的演變及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)討論了目前產(chǎn)業(yè)和研究領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)問題。關(guān)鍵詞：電子封裝、發(fā)展趨勢(shì)、高密度基板、 bga、csp、無鉛焊料、導(dǎo)電膠引言：電子封裝是連接半導(dǎo)體芯片和電子系統(tǒng)的一道橋梁，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展及其向各行業(yè)的迅速滲透，電子封裝已經(jīng)逐步成為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片功能的一個(gè)瓶頸，電子封裝因此在近二三十年內(nèi)獲得了巨大的發(fā)展，并已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。今日的電子封裝不但要提供芯片萬事保護(hù)，同時(shí)還要在一

2、定的成本不滿足不斷增加的性能、可靠性、散熱、功率分配等功能。電子封裝的設(shè)計(jì)和制造對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用正變得越來越重要，電子封裝的設(shè)計(jì)和制造從一開始就需要從系統(tǒng)入手以獲得最佳的性能價(jià)格比。原來一些僅用于前道的工藝已經(jīng)逐步應(yīng)用與后道封裝，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。電子封裝發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要來源于半導(dǎo)體芯片的發(fā)展和向市場(chǎng)需要，可以概括為如下幾點(diǎn)：芯片速度及處理能力的增加是需要更多的引腳數(shù)，更快的時(shí)鐘頻率和更好的電源分配。市場(chǎng)需要電子產(chǎn)品有更多功能，更長(zhǎng)的電池壽命和更小的幾何尺寸。電子器件和電子產(chǎn)品的需要量不斷增加，新的器件不斷涌現(xiàn)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇芯片制造業(yè)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的市場(chǎng)需要將最終決定電子封裝的發(fā)展趨勢(shì)更小、更薄、

3、更輕 ;性能更好、功能更強(qiáng)、能耗更小 ;可靠性更好 ;更符合環(huán)保要求 ;更便宜 .電子封裝的發(fā)展和趨勢(shì)電子封裝的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段 70年代：通孔安裝器件、插入式器件 70年代器件的主流封裝形式為通孔器件和插入器件，以 dip(dual in line)和pga(pin grid array)為代表；器件分別通過波峰焊接和機(jī)械接觸實(shí)現(xiàn)器件的機(jī)械和電學(xué)連接。由于需要較高的對(duì)準(zhǔn)精度，因而組裝效率較低，同時(shí)器件的封裝密度也較低。 80年代：表面安裝器件 80年代出現(xiàn)了表面安裝技術(shù)，器件通過回流技術(shù)進(jìn)行焊接，由于回流焊接過程中焊錫熔化時(shí)的表面張力產(chǎn)生自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)，降低了對(duì)貼片精度的要求，同時(shí)回流

4、焊接代替了波峰焊，也提高了組裝良品率。此階段的器件封裝類型緊 plcc(qfj)和qfp為主，由于采用四面引腳，因而也很大強(qiáng)度上提高了封裝和組裝的密度。 90年代中前期： bga 90年代隨著器件引腳和增加及對(duì)封裝、組裝亮度的要求，出現(xiàn)了球柵陣列式封裝 bga（ball grid array）。典型的 bga以有機(jī)襯底（如 bt）代替了傳統(tǒng)封裝內(nèi)的引線框架，且通過多層板布線技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)在器件下面的陣列平面分布，既減輕了引腳間距不斷下降在貼裝上面所遇到的阻力，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了封裝、組裝密度的大大增加，因而很快獲得了大面積的推廣且在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用急劇增長(zhǎng)。 90年代后期：倒裝焊接 fc( flip ch

5、ip) 和芯片尺寸封裝 csp (chip scale package )倒裝焊接技術(shù)在 ibm公司在 60年代引入，開始使用的是銅凸點(diǎn)，后發(fā)展為在芯片上制備高鉛焊料凸點(diǎn)再將芯片正面朝下直接貼在陶瓷襯底上，使用回流焊接實(shí)現(xiàn)多個(gè)焊點(diǎn)的一次性組裝。既大大提高了生產(chǎn)效率（當(dāng)時(shí)的金絲球焊機(jī)焊接速度較慢），同時(shí)由于引線電阻小，寄生電容小，因而獲得了優(yōu)異的性能特別是高頻性能。但由于價(jià)格和工藝復(fù)雜性等原因，該技術(shù)一直未獲得廣泛使用。由于芯片和有機(jī)襯底的熱膨脹系數(shù)差別很大，因而早期該技術(shù)僅僅用于陶瓷襯底。 80年代 ibm公司發(fā)明了底層填充技術(shù)，采用底層填充料充芯片和襯底之間的間隙，從而大大地增加了由芯片和襯

6、底膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的熱疲勞焊點(diǎn)壽命，同時(shí)也使得低成本的倒裝焊接組裝技術(shù)成為可能。目前在計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域倒裝焊接技術(shù)已經(jīng)獲得了相當(dāng)程度的應(yīng)用，并且正呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。倒裝焊接雖然具有優(yōu)勢(shì)的性能和近乎理想的封裝密度，但仍然存在一系列的問題長(zhǎng)期未能獲得很好的解決，如芯片測(cè)試（probing）、老化（ burn in）、已知好芯片（ kgd）、返修（ rework）等，應(yīng)而其應(yīng)用仍受到很大的限制；而與此同時(shí)另一技術(shù) csp開始出現(xiàn)，并很快發(fā)展成為 90年代以來最引人注目的封裝形式。該封裝形式估計(jì)很快成為封裝形式的主流并將在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)點(diǎn)據(jù)統(tǒng)治地位。根據(jù) ipc定義， csp為封裝面積不大于芯片面

7、積 150的封裝形式， csp已經(jīng)發(fā)展超出 100種不同的形式，其中最典型的是 microbga,器件與 pcb板的連接與 bga相同，為焊錫球陣列，而內(nèi)部芯片到 bga基板的連接既可以采用線焊技術(shù)，也可以采用倒裝焊接技術(shù)。由于 csp既具有一般封裝器件的易于操作、測(cè)試、返修等特點(diǎn)，同時(shí)又在一定程度上具有倒裝焊接器件的高密度和優(yōu)異高頻性能等特點(diǎn)，因而成為 bga和倒裝焊接之間的最好中間產(chǎn)品，預(yù)期在很大的一段時(shí)間內(nèi)將成為器件封裝形式的主流。表1陣列封裝器件占總器件的百分比（數(shù)據(jù)來源： prismark 1999年） 90年代后期，電子封裝進(jìn)入超高速發(fā)展時(shí)期，新的封裝形式不斷涌現(xiàn)并獲得應(yīng)用，除倒裝

8、焊接和芯片尺寸封裝以外，出現(xiàn)了多種發(fā)展趨勢(shì)，封裝標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)嚴(yán)重滯后，甚至連封裝領(lǐng)域名詞的統(tǒng)一都出現(xiàn)困難，以下對(duì)部分形式作一簡(jiǎn)介： -多芯片封裝（ multi chip package）:將多個(gè)芯片封裝在統(tǒng)一器件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更高的封裝密度 -三維迭層封裝（ stack packages）:芯片經(jīng)過減薄后沿 z方向疊起來封裝在同一個(gè)器件內(nèi)。芯片之間通過線焊或倒裝焊形式連接。該技術(shù)特別是在存儲(chǔ)器件中已經(jīng)獲得一定范圍的應(yīng)用。 -單封裝系統(tǒng) sip(system in a package):如多芯片模塊 mcm（multi chip module）：將多個(gè)具有不同功能的芯片封裝在同一個(gè)器件內(nèi)，以形成

9、一個(gè)完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能：微電子機(jī)械系統(tǒng) mems（micro electronic mechanic system）：將微電子器件和應(yīng)用微電子技術(shù)制備的如傳感器、執(zhí)行器等封裝在同一模塊中以形成系統(tǒng)功能；微光機(jī)電系統(tǒng) meoms(micro electronic optical mechanical system)：除微子機(jī)械外，進(jìn)一步將光學(xué)系統(tǒng)集成進(jìn)來。 -soc (system on a chip)：將整個(gè)系統(tǒng)的功能完全集成在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。隨著芯片封裝密度的不斷提高，被動(dòng)元器件和基板逐漸成為阻礙密度和性能提高的壁壘，因而帶動(dòng)了被動(dòng)元器件如電阻、電容等的發(fā)展。其發(fā)展歷史及趨勢(shì)和主動(dòng)元

10、器件相仿，也經(jīng)歷了從通孔組裝到表面安裝到 1維陣列并正向平面陣列方向發(fā)展。隨著封裝、組裝的發(fā)展，晶片級(jí)（ wafer level ）、芯片級(jí) ( chip level )、組裝級(jí)（ board level）、系統(tǒng)級(jí) ( system level )的界線已經(jīng)逐漸模糊。原來一些僅僅用于晶片級(jí)的技術(shù)已經(jīng)開始用于封裝和組裝級(jí)。目前熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì) 在封裝、組裝業(yè)高速發(fā)展的背景下，以下幾點(diǎn)尤為引人注目底層填料 ,無鉛焊接 ,導(dǎo)電膠 ,高密度基板 ,底層填料 .底層填料原來僅僅用于較大芯片的倒裝焊接應(yīng)用，以增加焊點(diǎn)的熱疲勞壽命?，F(xiàn)在已經(jīng)被大量應(yīng)用于 csp器件中，用以增強(qiáng)焊點(diǎn)抵抗機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)、沖擊等能力

11、。底層填料主要分為流動(dòng)型和無流動(dòng)型。流動(dòng)型通過毛細(xì)管現(xiàn)象將底層填料吸入芯片與基板之間的空隙之中，然后使用熱或光進(jìn)行固化。從材料角度要求其熱膨脹系數(shù)盡可能與焊錫材料相近（共晶焊錫材料的熱膨脹系數(shù)為 25ppm/k）,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、揚(yáng)氏模量大、離子雜質(zhì)少、防潮性好、與芯片、鈍化層材料、基板材料、阻焊材料等有良好的粘合強(qiáng)度；從工藝角度來中看，要求填充速度快、具有充小空隙的能力、固化時(shí)間短，固化后無填料不均勻沉淀等。 1996年，美國(guó) georgia institute of technology 的c.p.wong教授首先發(fā)表了他們的無流動(dòng)型底層填料方面的結(jié)果。引起研究和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，度迅速

12、成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。該材料集助焊劑和底層填料功能與一身，在回流過程中焊接和固化過程一次完成（也可以在回流焊接后低于焊接錫熔點(diǎn)的溫度完成最終固化）。由于工藝過程比流動(dòng)型的底層填料要簡(jiǎn)單得多，因而可以大大降低生產(chǎn)成本并提高生效率。無論是流動(dòng)型還是無流動(dòng)型的底層填料，一經(jīng)固化，器件一般無化返修，這一特性從某種程度上限制了底層填料在產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。近年來在可返修底層填料方面已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出在化學(xué)可返修、熱學(xué)可返修、熱塑型底層填料等樣品。預(yù)期相應(yīng)產(chǎn)品在短期內(nèi)會(huì)逐步走向市場(chǎng)。無鉛焊料由于 pbsn共晶焊料中含有有害健康和環(huán)境的鉛元素，因而焊料的無鉛化一直是電子工業(yè)廣泛關(guān)注的一個(gè)問題。雖然禁鉛幾

13、經(jīng)起落，但隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷的加劇，無鉛焊接正離我們?cè)絹碓浇?-價(jià)格、性能：到目前為止，以有很多無鉛焊料體系得到了充分的研究，但從性能價(jià)格比方面仍然沒有任何材料可以和傳統(tǒng)錫鉛晶焊料相比。 -助焊劑：現(xiàn)有助焊劑種類很多，新的產(chǎn)品仍在不斷涌現(xiàn)，但幾乎所有體系皆是按照錫鉛共晶焊料設(shè)計(jì)并優(yōu)化的。新的焊料體系對(duì)助焊劑必定是提出新的要求。同時(shí)今后無鉛焊料很可能出現(xiàn)多種焊料體系共存的局面，這更加加大了助焊劑開發(fā)的難度。 -元器件、基板、焊接設(shè)備：目前的無鉛焊料體系一般都比共晶錫鉛材料的熔點(diǎn)高。由于現(xiàn)在絕大多數(shù)器件為塑料封裝器件，焊接溫度的提高對(duì)器件的抵抗熱應(yīng)力和防潮性能必定提出更高

14、的要求；同時(shí)焊接設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一定影響。導(dǎo)電膠導(dǎo)電膠焊接由于具有一系列的優(yōu)點(diǎn)如成本低廉、焊接溫底低、不含鉛、可以實(shí)現(xiàn)很小的引腳間距等，因而近二十年一直頗受關(guān)注，并且導(dǎo)電膠焊料在某些領(lǐng)域已獲得了很好的運(yùn)用。在無鉛化方面，導(dǎo)電膠至少是共晶錫鉛的一個(gè)可能的替代方案。而在小引腳間距方面，對(duì)于錫鉛體系，如間距小于 0.5毫米，對(duì)貼片機(jī)的精度要求就將明顯增高，而對(duì)更小的引腳間距，焊接的良品率可能明顯下降。雖然由于平面陣列式器件如 bga, csp的出現(xiàn)在一定程度上緩解了間距不斷變小在時(shí)間上的應(yīng)力，但在未來，器件的引腳間距仍肯定繼續(xù)朝著不斷減小的方向發(fā)展，因而在未來，導(dǎo)電膠任將是錫鉛焊接材料的一個(gè)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)

15、者。高密度基板技術(shù)隨著電子系統(tǒng)不斷向高密度、高速度方向發(fā)展，現(xiàn)有基板制備技術(shù)已經(jīng)無法滿足技術(shù)要求，高密度基板技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。高密度基板的典型要求如下：線寬 /線距， 75/75微米焊盤尺寸， 150-200微米微通孔尺寸， 200微米傳統(tǒng)基板制備技術(shù)顯然無法達(dá)到這樣的要求。在通孔方面，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展出激光鉆孔、光掩模腐蝕等通孔技術(shù)，且這三種技術(shù)都獲得了一定程度的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。目前高密度基板技術(shù)在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、通訊和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域已獲得了相當(dāng)程度的應(yīng)用，且應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的密度，將被動(dòng)元器件集成于基板制造過程中的技術(shù)也已經(jīng)步入研究開發(fā)階段，在不久的將來有望一定的范圍內(nèi)獲得市場(chǎng)應(yīng)用?？偨Y(jié)電子封裝、組裝的發(fā)展主要可以概括為高密度、高速度、和環(huán)保。在器件封裝方面，