第七章 微電子封裝的設(shè)計(jì)技術(shù)

1、第七章第七章 微電子封裝的設(shè)計(jì)技術(shù)微電子封裝的設(shè)計(jì)技術(shù)陶瓷封裝外殼陶瓷封裝外殼芯片芯片低熔點(diǎn)玻璃低熔點(diǎn)玻璃陶瓷蓋板陶瓷蓋板封裝外殼的設(shè)計(jì)封裝外殼的設(shè)計(jì)封接的設(shè)計(jì)封接的設(shè)計(jì)封裝引線和互連線的設(shè)計(jì)封裝引線和互連線的設(shè)計(jì)互連線互連線引線引線 一一、封裝引線和互連線的設(shè)計(jì)、封裝引線和互連線的設(shè)計(jì) 引線和引線框架是構(gòu)成集成電路封裝外殼的主要組成零引線和引線框架是構(gòu)成集成電路封裝外殼的主要組成零件。它的作用就是通過引線能夠把電路芯片的各個(gè)功能瑞與件。它的作用就是通過引線能夠把電路芯片的各個(gè)功能瑞與外部連接起來。由于集成電路的封裝外殼的種類甚多，結(jié)構(gòu)外部連接起來。由于集成電路的封裝外殼的種類甚多，結(jié)構(gòu)形成也

2、不一樣，因此其引線的圖形尺寸和使用材料也都各有形成也不一樣，因此其引線的圖形尺寸和使用材料也都各有特點(diǎn)，在集成電路使用過程中，由于引線加工和材料使用不特點(diǎn)，在集成電路使用過程中，由于引線加工和材料使用不當(dāng)而造成封裝外殼的引線斷裂和脫焊等事例為數(shù)不少，因而當(dāng)而造成封裝外殼的引線斷裂和脫焊等事例為數(shù)不少，因而如何提高引線質(zhì)量、改進(jìn)制造技術(shù)和開發(fā)一些新型引線是很如何提高引線質(zhì)量、改進(jìn)制造技術(shù)和開發(fā)一些新型引線是很重要的。重要的。 引線的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)封裝外殼整體要求來設(shè)計(jì)的。引線的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)封裝外殼整體要求來設(shè)計(jì)的。 引線除了要保證兩引線間具有一定的距離外，而且在引線除了要保證兩引線間具有一定的

3、距離外，而且在使用時(shí)要按一定的規(guī)格進(jìn)行排列和不致松散，所以要設(shè)計(jì)使用時(shí)要按一定的規(guī)格進(jìn)行排列和不致松散，所以要設(shè)計(jì)成引線框架形式。這樣在集成電路組裝中它既能起到整齊成引線框架形式。這樣在集成電路組裝中它既能起到整齊排列的作用，也能達(dá)到保護(hù)引線的目的排列的作用，也能達(dá)到保護(hù)引線的目的(在老化測(cè)試前，剪在老化測(cè)試前，剪去多余的連條部分，就成為我們所需要的引線去多余的連條部分，就成為我們所需要的引線)。 集成電路封裝外殼的引線電阻決定于所用的材料和引集成電路封裝外殼的引線電阻決定于所用的材料和引線的幾何形狀。在陶瓷外殼中，引線電阻又與陶瓷金屬化線的幾何形狀。在陶瓷外殼中，引線電阻又與陶瓷金屬化材料和

4、圖形尺寸有關(guān)。若引線電阻過大，則會(huì)使電路增加材料和圖形尺寸有關(guān)。若引線電阻過大，則會(huì)使電路增加一個(gè)不必要的電壓降，從而使整個(gè)電路的功耗增大，并且一個(gè)不必要的電壓降，從而使整個(gè)電路的功耗增大，并且影響了電路的性能。影響了電路的性能。在高頻模擬電路或高速數(shù)字中，封裝結(jié)構(gòu)的電設(shè)計(jì)非常重要。在高頻模擬電路中，元件的型號(hào)及參數(shù)直接決定了電路系統(tǒng)的性能；而在高速的數(shù)字系統(tǒng)中，大部分的時(shí)鐘延時(shí)被消耗在信號(hào)發(fā)送和芯片間信號(hào)的傳輸而造成的延遲上。封裝結(jié)構(gòu)的電設(shè)計(jì)，一方面是元件參數(shù)的選擇及優(yōu)化或通過控制信號(hào)的延遲延遲而最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的性能; 電設(shè)計(jì)的另一目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)噪聲噪聲控制，減小系統(tǒng)工作時(shí)因噪聲導(dǎo)致錯(cuò)誤的可

5、能性。 現(xiàn)在來考慮傳輸延遲時(shí)間，信號(hào)沿傳輸線以介質(zhì)中的光速傳輸，傳播速度Vprop=將在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間定義為飛行時(shí)間tftf=式中l(wèi)內(nèi)連線長(zhǎng)度(m)。由上式可見，布線的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間與基板的介電常數(shù)布線的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間與基板的介電常數(shù) 及布線長(zhǎng)度成正比及布線長(zhǎng)度成正比.介電常數(shù)值越小，傳輸延遲時(shí)間越短。采用介電常數(shù)較小的介質(zhì)作基板材料，有利于降低內(nèi)連線的傳輸延遲時(shí)間。cpropVlcl1.1 傳輸延遲的影響因素傳輸延遲的影響因素 芯片芯片封裝體封裝體芯片芯片封裝外殼封裝外殼印制板印制板單芯片封裝電路板單芯片封裝電路板多芯片封裝電路板多芯片封裝電路板可大幅度減小封體積可大幅度減小封體積減少

6、互連線的長(zhǎng)度與時(shí)延減少互連線的長(zhǎng)度與時(shí)延 電路總延遲時(shí)間由各元件的延遲之和組成，電路總延遲時(shí)間由各元件的延遲之和組成，不同的不同的生產(chǎn)廠家，由于電路和封裝的加工及處理方法不同而可生產(chǎn)廠家，由于電路和封裝的加工及處理方法不同而可能引起的最大實(shí)際延遲也是不同的。能引起的最大實(shí)際延遲也是不同的。 1.2 傳輸線的損耗傳輸線的損耗 傳輸線上的損耗主要有如下三種：(1)導(dǎo)體損耗在信號(hào)導(dǎo)體和參考層（接地層與電源層）回路中用的金屬材料如銅、鋁等存在電阻，電流流過時(shí)引起歐姆損耗。(2)介質(zhì)損耗由于介質(zhì)材料對(duì)電磁波的吸收造成的損耗。(3)輻射損耗傳輸線的部分能量向外輻射引起的損耗。當(dāng)傳輸線的橫截面尺寸遠(yuǎn)小于傳輸

7、波長(zhǎng)時(shí)，這部分損耗可以忽略，只有在傳輸線的不均勻處輻射損耗才較顯著。若選擇損耗很小的介質(zhì)如氧化鋁陶瓷作基板材料，介質(zhì)損耗很小，可忽略不計(jì)。但若傳輸線的截面積尺寸很小，特別是在薄膜MCM中的導(dǎo)線都極薄，導(dǎo)線的電阻損耗卻不能不考慮。歐姆損耗由傳輸線的阻值決定。在直流或低頻直流或低頻下，導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻R0為R0=式中導(dǎo)線的電阻率;w導(dǎo)線的寬度;t導(dǎo)線的厚度。wt項(xiàng)目材料電阻率/10-8m典型應(yīng)用Mo5.7共燒MCMW5.7共燒MCMCu1.67薄膜MCM,LTCC,PCBAl2.8薄膜MCM 常用導(dǎo)體材料的電阻率常用導(dǎo)體材料的電阻率（13-18）當(dāng)頻率較高頻率較高時(shí)，導(dǎo)體的損耗要復(fù)雜得多，這時(shí)電

8、流大部分集中于導(dǎo)體的表面，并以指數(shù)規(guī)律向內(nèi)部衰減，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。圖中假定電流在Y方向是均勻分布的，只在X方向才隨深度變化而改變，這時(shí)導(dǎo)體的電流密度J按如下規(guī)律分布:J=Jse式中Js導(dǎo)體表面的電流密度；沿導(dǎo)體表面法線方向的坐標(biāo)(m)；s趨膚深度(m)s) j1(電流的趨膚效應(yīng)可見，當(dāng)頻率較高，存在趨膚效應(yīng)時(shí)，就不能簡(jiǎn)單按式（13-18）計(jì)算導(dǎo)線的電阻。由于電流只分布于表面局部范圍，導(dǎo)體有效截面積必小于實(shí)際截面積，導(dǎo)體的實(shí)有電阻比式（13-18）計(jì)算所得的結(jié)果大。信號(hào)電壓V0在傳輸線傳輸過程中，按指數(shù)衰減，經(jīng)過長(zhǎng)為L(zhǎng)的傳輸線后，其值變?yōu)閂V=V0e式中R0傳輸線單位長(zhǎng)度上的電阻()；Z0

9、傳輸線的特性阻抗()。傳輸線歐姆損耗的存在，使信號(hào)電壓經(jīng)衰減后上升緩慢，上升時(shí)間變長(zhǎng)。002ZLR導(dǎo)線電阻損耗的最終影響是導(dǎo)致信號(hào)電壓衰減，上升時(shí)間延長(zhǎng)。 在導(dǎo)體損耗使信號(hào)衰減的同時(shí)，也導(dǎo)致反射信號(hào)的衰減。在有損耗的信號(hào)線上的反射噪聲比沒有損耗的信號(hào)線上的噪聲要小。同時(shí),輻射損耗又是引起串?dāng)_噪聲串?dāng)_噪聲的主要原因，這部分內(nèi)容將在后面討論。1.3 反射噪聲的影響因素反射噪聲的影響因素 高速信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)存在兩種主要的噪聲：反射和串?dāng)_。所謂高速信號(hào)傳輸是指信號(hào)的上升或下降時(shí)間與傳輸導(dǎo)線的傳輸延時(shí)相比很小，即tr2tprop式中tr信號(hào)的上升或下降時(shí)間(s)；tprop傳輸導(dǎo)線的傳輸延時(shí)(s)。負(fù)載端

10、的電壓反射系數(shù)可表示成=式中Zl傳輸線的負(fù)載阻抗()；Z0入射波所在傳輸線的特性阻抗()。從上式可看出，當(dāng)負(fù)載與特性阻抗匹配，Zl=Z0時(shí)，=0，稱為無反射工作狀態(tài)，即行波狀態(tài)。無耗傳輸線在行波狀態(tài)的特點(diǎn)是：沿線電壓和電流的幅值不變；沿線電壓和電流的相位隨離源點(diǎn)距離的增加而連續(xù)滯后，電壓和電流的相位相同；沿傳輸線各點(diǎn)的輸入阻抗均等于傳輸線的特性阻抗。當(dāng)負(fù)載短路，Zl=0時(shí)，=-1;當(dāng)負(fù)載開路，Zl=時(shí)，=1;當(dāng)終端接純電抗負(fù)載，Zl=jxl時(shí)，=1。這三種情況稱為全反射工作狀態(tài)，即駐波狀態(tài)。無耗傳輸線在駐波狀態(tài)時(shí)，線上既無能量損耗，也無能量傳輸，且沿線各點(diǎn)的輸入阻抗為純電抗。00ZZZZll1

11、.4串?dāng)_噪聲及其影響因素串?dāng)_噪聲及其影響因素 不同電信號(hào)路徑之間存在的互感和互電容會(huì)產(chǎn)生不必要的電耦合，從而在鄰線產(chǎn)生串?dāng)_噪聲。在信號(hào)線、芯片引腳或連接器引腳傳輸?shù)母哳l信號(hào)，都可在鄰近線產(chǎn)生近端串?dāng)_噪聲和遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲。 (1)一般來講，隨導(dǎo)線耦合長(zhǎng)度導(dǎo)線耦合長(zhǎng)度的增加，串?dāng)_信號(hào)幅度線性增長(zhǎng)，耦合線長(zhǎng)直接影響串?dāng)_噪聲的大小。圖5-18是鋁共燒陶瓷基板MCM的線間串?dāng)_電壓與耦合線長(zhǎng)關(guān)系的仿真結(jié)果，圖5-18MCM-C中的串?dāng)_噪聲曲線(2)兩條線的線間距和線中心間距線間距和線中心間距（由線寬和線間距組成）直接影響信號(hào)串?dāng)_噪聲的大小，所以根據(jù)信號(hào)串?dāng)_噪聲的需要來確定線間距和線中心間距。通常，兩導(dǎo)線的線

12、間距是工藝所能允許的最小值的兩倍以上。當(dāng)線間距增加，串?dāng)_噪聲亦減小。為保持信號(hào)串?dāng)_電壓不變，就應(yīng)該相應(yīng)增加線間距。但是線間距的增加會(huì)引起內(nèi)連密度的降低。因此，導(dǎo)線間距的選擇，應(yīng)綜合考慮串?dāng)_噪聲以及最大內(nèi)連密度等因素。 （3）有時(shí)，也可通過對(duì)平行走線重新布線，縮短平行走線的長(zhǎng)度來降低串?dāng)_噪聲的影響，特別是在薄膜MCM中，由于其靈活的布線能力，這種方法實(shí)現(xiàn)起來也較容易。相鄰信號(hào)層間的信號(hào)線按互相垂直的方向走線互相垂直的方向走線可避免兩層間平行走線所帶來的巨大串?dāng)_。為加強(qiáng)這種交叉走線，在布線設(shè)計(jì)時(shí)總是把每一層交替地設(shè)計(jì)成X走向?qū)雍蚘走向?qū)?。大量正交線的采用會(huì)使自電容C0增加，互電容Cm減小，電容耦合

13、系數(shù)Kc降低，從而使串?dāng)_噪聲減小。當(dāng)正交線之間以最小間距連續(xù)布線時(shí)，可將電容耦合降低近40%，并且，近端串?dāng)_噪聲降低，遠(yuǎn)端串?dāng)_噪聲增加。兩個(gè)交叉微帶層比兩個(gè)偏置帶狀層的串?dāng)_噪聲降低效果要大。(5)對(duì)于同樣的Z0，我們也可通過選擇不同的微帶線結(jié)微帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)來減小線間距，如兩參考層的偏置帶狀線結(jié)構(gòu)的電容耦合Cm/C0就比微帶線結(jié)構(gòu)的要小，即其噪聲耦合系數(shù)KN和KF小。通常，離地層的距離越遠(yuǎn)，保持同樣的Z0和串?dāng)_電壓所要求的線寬和線間距就應(yīng)越大。因此，只要相鄰的微帶線或帶狀線的距離能足以在其之間加進(jìn)一條地線，我們就可選擇在鄰近信號(hào)線間插入地線的方法來有效地降低串?dāng)_噪聲，一般能降低噪聲近一半。需要注意

14、的是，插入的地線不要離信號(hào)線太近，否則會(huì)改變信號(hào)線的特性阻抗。 (4)選擇低介電常數(shù)的基板材料低介電常數(shù)的基板材料，也有利于對(duì)串?dāng)_的控制。首先，對(duì)于同樣的阻抗Z0，信號(hào)線可離參考層更近，線間距可進(jìn)一步減小，而保持串?dāng)_噪聲不變;其次，傳輸速度Vprop將增大，飽和線長(zhǎng)將變長(zhǎng)。 圖5-6MCM中三種常用的信號(hào)層和參考層（地/電源層）的走線方式(a)單層表面微帶線(b)兩層掩埋微帶線(c)兩層偏置帶狀線(6)還有一種串?dāng)_噪聲源來自芯片連接引腳。當(dāng)引腳變長(zhǎng)或變密，以及信號(hào)上升時(shí)間變短時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致引腳間的串?dāng)_噪聲增大。對(duì)于時(shí)鐘頻率達(dá)50MHz的高速數(shù)字系統(tǒng)，采用線焊或TAB焊時(shí)，引腳應(yīng)盡可能短。倒裝焊倒

15、裝焊的引腳很短，引腳間的串?dāng)_也很小。對(duì)單芯片封裝也有類似的問題。例如，大多數(shù)PGA封裝具有外延接地層，而大多數(shù)表面封裝卻沒有，因此PGA封裝的引腳串?dāng)_要小得多。1.5 同步開關(guān)噪聲同步開關(guān)噪聲 在高速數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)器件的多個(gè)輸出端同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，在電源層或地線層會(huì)產(chǎn)生大的過渡電流，電流的大小與電路工藝密切相關(guān)，CMOS電路的過渡電流最大，TTL和ECL電路的過渡電流要小一些。以圖5-19的CMOS電路為例，當(dāng)一個(gè)緩沖器（驅(qū)動(dòng)器）的輸出從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，與驅(qū)動(dòng)器相連的負(fù)載電容通過對(duì)地放電。當(dāng)過渡電流流過封裝(分布)電感時(shí)，就產(chǎn)生噪聲電壓，稱為同步開關(guān)噪聲，也稱為噪聲。一般地，電源層噪聲比地線層噪

16、聲要小得多，有時(shí)同步開關(guān)噪聲僅指地線層噪聲，簡(jiǎn)稱為地跳動(dòng)噪聲。 (1)降低同步開關(guān)噪聲，可采用外加旁路電容法和選擇合適的封裝技術(shù)。旁路電容應(yīng)接在每一塊集成電路的電源和地之間。在MCM中，由于是裸芯片封裝，組裝密度很高，采用PCB類似的方法，將旁路電容直接放在芯片旁邊是不適宜的。其解決方法是，在薄膜MCM中，利用電源層和接地層代替旁路電容，而在共燒或多層厚膜陶瓷MCM中建立旁路電容。也可以把電容放在MCM邊緣或徹底離開MCM，但這種方法會(huì)導(dǎo)致接地電感Lgnd和等效電感Le上升。另外，如果旁路電容放在遠(yuǎn)離MCM的PCB上，則Le還應(yīng)包括MCM和PCB的連接電感。旁路電容的寄生電感應(yīng)盡可能小，特別是

17、在高頻時(shí)減小旁路電容的寄生電感是很重要的。(2)可合理利用芯片互連技術(shù)降低同步開關(guān)噪聲。一般地，無論圓形還是方形引腳，其分布電感都隨其長(zhǎng)度增加而增大。倒裝焊的凸點(diǎn)焊技術(shù)產(chǎn)生的寄生電感最小，而TAB和線焊技術(shù)的寄生電感最大。另外，由于互感作用，由參考文獻(xiàn)13-22知，接地引腳的等效電感比自身電感值還小，可由式(13-30)表示Le=Ls式中Ls接地引腳的自感(H)；Lm-i接地引腳和第i個(gè)信號(hào)引腳之間的互感(H)；Is-i第i個(gè)信號(hào)引腳上流過的電流(A)；Ig接地引腳的電流(A)。另外，Is-i與Ig之比等于接地引腳數(shù)與信號(hào)引腳數(shù)之比。因此，對(duì)于同樣數(shù)目的信號(hào)引腳，接地引腳越多，同步開關(guān)噪聲就越

18、小。如果采用電源層和接地層代替接地引腳連接，則能進(jìn)一步降低等效電感。在多層金屬TAB和PGA中就是采用這種方法。gisimIIL噪聲容限表示了整個(gè)系統(tǒng)在每條連線上受到各種方式的噪聲干擾的上限，當(dāng)這些干擾超過噪聲容限的極限時(shí)，該系統(tǒng)就不能夠正常工作。如果系統(tǒng)中的噪聲低于噪聲容限，則系統(tǒng)能夠保證它的功能。因此，應(yīng)使即整個(gè)系統(tǒng)的噪聲容限最大，以此提高電路系統(tǒng)的抗干擾性。1.6工藝選擇及整體方案設(shè)計(jì)工藝選擇及整體方案設(shè)計(jì) 為使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)能滿足延遲和噪聲的要求，必須先詳細(xì)分析比較后再選擇合適的封裝布線工藝。封裝工藝對(duì)時(shí)延和噪聲有很大影響,例如，內(nèi)連導(dǎo)線材料會(huì)影響導(dǎo)線的電阻和延時(shí)，芯片連接技術(shù)會(huì)影響串?dāng)_

19、噪聲和同步開關(guān)噪聲。噪聲控制在高速封裝設(shè)計(jì)中占有的比重最大。系統(tǒng)速度越高，上升時(shí)間越短，噪聲的影響就越大，因而對(duì)工藝的要求也越嚴(yán)格。對(duì)內(nèi)連線的阻抗要進(jìn)行嚴(yán)格控制，芯片間的連線以及所用的連接器的分布電感和互感應(yīng)應(yīng)較低。特別是當(dāng)信號(hào)頻率超過50MHz時(shí)，采用引線鍵壓法和載帶自動(dòng)鍵壓（TAB）引線框架方式就不能滿足要求，必須采用短引線連接方式或是在引腳下面增加參考層（接地層）。當(dāng)信號(hào)頻率不是很高時(shí)，應(yīng)盡量采用帶狀線而不采用微帶線，這樣有利于降低相鄰信號(hào)層間交叉線的互感。旁路電容的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)快速的初始信號(hào)觸發(fā)，對(duì)導(dǎo)線阻抗、基板材料的介電常數(shù)和導(dǎo)線的損耗也提出更高的要求。采用鋁質(zhì)導(dǎo)線就很難實(shí)現(xiàn)

20、快速的初始信號(hào)觸發(fā)，特別是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶寬很寬，頻率很高時(shí),以致趨膚效應(yīng)很嚴(yán)重時(shí)更是如此，應(yīng)根據(jù)需要選用線損小的銅或鎢作導(dǎo)線?？s小導(dǎo)線間距和提高導(dǎo)線特性阻抗是一對(duì)矛盾，應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮。小串?dāng)_噪聲和高特性阻抗都要求增大導(dǎo)線的線間距。但若線間距很大，組裝密度會(huì)大大降低，有時(shí)需要添加另外一層才能完成布線。系統(tǒng)速度提高，線間距也必須相應(yīng)增加。走線較長(zhǎng)，就不能采用工藝所允許的最小線間距進(jìn)行布線。在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，帶狀線的線間距可取得比微帶線的小。這在層壓和陶瓷工藝中顯得尤為重要，可避免因增加層數(shù)而導(dǎo)致的額外開支。當(dāng)今的大多數(shù)系統(tǒng)，一般采用MCM-D的兩層布線就能滿足要求。短引線鍵壓和短引線T

21、AB技術(shù)可滿足一般系統(tǒng)的要求。對(duì)于超高速系統(tǒng)，應(yīng)采用電氣連接性能更優(yōu)越的倒芯片貼裝技術(shù)。 集成電路外殼是構(gòu)成集成電路整體的一個(gè)主要組成部分。集成電路外殼是構(gòu)成集成電路整體的一個(gè)主要組成部分。它不僅僅對(duì)集成電路芯片起著一個(gè)單純的機(jī)械保護(hù)和芯片電它不僅僅對(duì)集成電路芯片起著一個(gè)單純的機(jī)械保護(hù)和芯片電極向外過渡連接的作用，而且對(duì)集成電路芯片的各種功能參極向外過渡連接的作用，而且對(duì)集成電路芯片的各種功能參數(shù)的正確實(shí)現(xiàn)和電路使用場(chǎng)所要求的環(huán)境條件，以及體現(xiàn)電數(shù)的正確實(shí)現(xiàn)和電路使用場(chǎng)所要求的環(huán)境條件，以及體現(xiàn)電路特點(diǎn)，都起著根本的保證作用。路特點(diǎn)，都起著根本的保證作用。二、封裝外殼的設(shè)計(jì)二、封裝外殼的設(shè)計(jì)封

22、裝外殼的設(shè)計(jì)要求封裝外殼的設(shè)計(jì)要求外殼設(shè)計(jì)的主要原則外殼設(shè)計(jì)的主要原則 外殼設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性工作，需要對(duì)總體布局、結(jié)構(gòu)尺寸、外殼設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性工作，需要對(duì)總體布局、結(jié)構(gòu)尺寸、材料選擇以及制造工藝和成本等方面進(jìn)行分折選定出一個(gè)最佳材料選擇以及制造工藝和成本等方面進(jìn)行分折選定出一個(gè)最佳方案。方案。電設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)電設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)外殼設(shè)計(jì)最主要考慮的問題外殼設(shè)計(jì)最主要考慮的問題電性能、熱性能和使用場(chǎng)所，電性能、熱性能和使用場(chǎng)所，（1）外殼的電性能設(shè)計(jì)原則外殼的電性能設(shè)計(jì)原則（主要針對(duì)金屬外殼）（主要針對(duì)金屬外殼） 絕緣電阻絕緣電阻 集成電路封裝外殼的絕緣電阻，通常是兩相鄰的引線間或任一引集成電路封裝外

23、殼的絕緣電阻，通常是兩相鄰的引線間或任一引線與金屬底座間的電阻值。這個(gè)數(shù)值的大小不僅與引線間的距離和外線與金屬底座間的電阻值。這個(gè)數(shù)值的大小不僅與引線間的距離和外殼結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與絕緣體的絕緣性能與環(huán)境條件有關(guān)。殼結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與絕緣體的絕緣性能與環(huán)境條件有關(guān)。 外殼絕緣電阻的降低將會(huì)導(dǎo)致電極問的漏電流增大，使整個(gè)集成外殼絕緣電阻的降低將會(huì)導(dǎo)致電極問的漏電流增大，使整個(gè)集成電路的性能下降或變壞，這對(duì)電路的性能下降或變壞，這對(duì)MOS集成電路則更為突出。集成電路則更為突出。 絕緣電阻可分為體積電阻和表面電阻前者的性能好壞決定于本絕緣電阻可分為體積電阻和表面電阻前者的性能好壞決定于本身內(nèi)在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而后

24、者則與所處環(huán)境條件及材料表面狀態(tài)有關(guān)，身內(nèi)在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而后者則與所處環(huán)境條件及材料表面狀態(tài)有關(guān)，特別是水分、潮氣對(duì)材料表面電阻影響甚大。因此在進(jìn)行封裝外殼設(shè)特別是水分、潮氣對(duì)材料表面電阻影響甚大。因此在進(jìn)行封裝外殼設(shè)計(jì)時(shí)，要注意結(jié)構(gòu)安排的合理性，并考慮到材料加工后的表面狀態(tài)，計(jì)時(shí)，要注意結(jié)構(gòu)安排的合理性，并考慮到材料加工后的表面狀態(tài)，應(yīng)盡量選用一些表面抗電強(qiáng)度和絕緣電阻高的材料。應(yīng)盡量選用一些表面抗電強(qiáng)度和絕緣電阻高的材料。 光電外殼光電外殼 在實(shí)際應(yīng)用中具有光電轉(zhuǎn)換性能的集成電路已經(jīng)為數(shù)不在實(shí)際應(yīng)用中具有光電轉(zhuǎn)換性能的集成電路已經(jīng)為數(shù)不少，數(shù)字電路中的可改寫只讀存儲(chǔ)器少，數(shù)字電路中的可改寫只

25、讀存儲(chǔ)器(EPROM)則是其中最好則是其中最好的一個(gè)例子。但是要使集成電路能夠具備這樣的功能，就必的一個(gè)例子。但是要使集成電路能夠具備這樣的功能，就必須要有一個(gè)類似窗戶一樣的結(jié)構(gòu)，使各種不同的光能夠透射須要有一個(gè)類似窗戶一樣的結(jié)構(gòu)，使各種不同的光能夠透射進(jìn)去，這樣才能達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。為此這類集成電路的進(jìn)去，這樣才能達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。為此這類集成電路的 封裝外殼需具有特殊的封裝外殼需具有特殊的“光窗光窗”結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)形式。 這類具有光窗的集成電路封裝外殼，我們稱它為光電外這類具有光窗的集成電路封裝外殼，我們稱它為光電外殼，殼， 光窗的結(jié)構(gòu)和所用的材料是設(shè)計(jì)光電外殼時(shí)應(yīng)考慮的主光窗的結(jié)構(gòu)和

26、所用的材料是設(shè)計(jì)光電外殼時(shí)應(yīng)考慮的主要問題。要問題。 首先要搞清楚需要透過什么樣波長(zhǎng)的光，如紅外光、紫首先要搞清楚需要透過什么樣波長(zhǎng)的光，如紅外光、紫外光或可見光；其次是透光的強(qiáng)度；最后還要考慮外殼對(duì)其外光或可見光；其次是透光的強(qiáng)度；最后還要考慮外殼對(duì)其他不需要的光如何進(jìn)行掩蔽，這樣才能根據(jù)已知的條件來進(jìn)他不需要的光如何進(jìn)行掩蔽，這樣才能根據(jù)已知的條件來進(jìn)行設(shè)計(jì)光電外完。行設(shè)計(jì)光電外完。 （2）外殼的熱性能設(shè)計(jì)原則）外殼的熱性能設(shè)計(jì)原則（主要針對(duì)塑料外殼）（主要針對(duì)塑料外殼） 隨著集成電路的組裝密度不斷增大，將導(dǎo)致功率密度也隨著集成電路的組裝密度不斷增大，將導(dǎo)致功率密度也相應(yīng)的提高，集成電路單

27、位體積發(fā)熱量也有所增加。在外殼相應(yīng)的提高，集成電路單位體積發(fā)熱量也有所增加。在外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上如果不能及時(shí)地將芯片內(nèi)所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上如果不能及時(shí)地將芯片內(nèi)所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，設(shè)法抑制集成電路的溫升，必然對(duì)集成電路的可靠性產(chǎn)生極設(shè)法抑制集成電路的溫升，必然對(duì)集成電路的可靠性產(chǎn)生極為嚴(yán)重的影響。為此，封裝外殼的熱設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的為嚴(yán)重的影響。為此，封裝外殼的熱設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的課題。課題。 在進(jìn)行封裝外殼的熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要估計(jì)集成電路芯片在進(jìn)行封裝外殼的熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要估計(jì)集成電路芯片由于電功率的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量如何通過外殼散發(fā)到周由于電功率的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量如何通過外殼散發(fā)

28、到周圍環(huán)境中去。圍環(huán)境中去。IC芯片芯片內(nèi)引線內(nèi)引線封裝樹脂封裝樹脂基板基板散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)氧化鋁、氮化硅、氧化鈹氧化鋁、氮化硅、氧化鈹方法方法: 改善底座和散熱板的接觸狀態(tài)改善底座和散熱板的接觸狀態(tài);加大散熱板的面積加大散熱板的面積;改變散熱材料，將散熱板的熱阻降低。改變散熱材料，將散熱板的熱阻降低。 熱匹配設(shè)計(jì)熱匹配設(shè)計(jì) 目的：盡可能減少器件內(nèi)部相連材料間熱膨脹系數(shù)的差別，減少熱應(yīng)力。 （1）改善芯片與管座間的熱匹配 加過渡層緩沖 （2）改善鍵合引線與芯片之間的熱匹配 采用金絲球焊，不用鋁絲超聲焊 （3）改善塑封樹脂與硅片之間的熱匹配 熱匹配不好是塑封器件密封性失效的主要原因 開發(fā)新樹脂

29、（4）改善鋁金屬化層的再結(jié)構(gòu) 摻1%2% 硅或銅 Al-Si ，A1-Cu合金膜 鋁膜上低溫淀積 SiO2 Si3N4 ，緩沖熱應(yīng)力 （2）封裝塑料的材料選擇）封裝塑料的材料選擇好的散熱性好的散熱性熱膨脹系數(shù)應(yīng)進(jìn)可能與硅芯片一致，減小熱應(yīng)力熱膨脹系數(shù)應(yīng)進(jìn)可能與硅芯片一致，減小熱應(yīng)力盡可能低的介電常數(shù)，減小信號(hào)延遲盡可能低的介電常數(shù)，減小信號(hào)延遲盡可能高的電阻率，增強(qiáng)絕緣性盡可能高的電阻率，增強(qiáng)絕緣性 塑料封裝所用的有機(jī)材料是熱固性塑料，以高分子化塑料封裝所用的有機(jī)材料是熱固性塑料，以高分子化合物合成的樹脂為基體，加入團(tuán)化刑、反應(yīng)促進(jìn)劑合物合成的樹脂為基體，加入團(tuán)化刑、反應(yīng)促進(jìn)劑(催化劑催化劑)

30、、填充劑、阻燃劑、脫模劑和著色劑等組成。填充劑、阻燃劑、脫模劑和著色劑等組成。常用的幾種樹脂特性常用的幾種樹脂特性環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 這是一種熱固性樹脂，固化后具有良好的粘接性、電絕這是一種熱固性樹脂，固化后具有良好的粘接性、電絕線性、耐化學(xué)腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，收縮率小，外形幾何尺寸穩(wěn)線性、耐化學(xué)腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，收縮率小，外形幾何尺寸穩(wěn)定性好，并具有較高的耐熱性能定性好，并具有較高的耐熱性能(170一一200)。環(huán)氧樹脂的缺。環(huán)氧樹脂的缺點(diǎn)是不適合在高溫下工作，高頻性能和耐濕性能較差。環(huán)氧樹點(diǎn)是不適合在高溫下工作，高頻性能和耐濕性能較差。環(huán)氧樹脂的封裝方式比較廣泛，可采用遞模成型法、澆鑄法、浸漬

31、涂脂的封裝方式比較廣泛，可采用遞模成型法、澆鑄法、浸漬涂敷法、填充法和滴涂法。敷法、填充法和滴涂法。硅酮樹脂硅酮樹脂 能在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)它具有更高的能在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)它具有更高的耐高溫性耐高溫性(350400)、耐氣候性和抗輻照性，固化后收縮、耐氣候性和抗輻照性，固化后收縮率小，外形幾何尺寸穩(wěn)定性好。主要缺點(diǎn)就是它與金屬和非率小，外形幾何尺寸穩(wěn)定性好。主要缺點(diǎn)就是它與金屬和非金屑的粘接性能欠佳。金屑的粘接性能欠佳。 聚丁二烯酯樹脂聚丁二烯酯樹脂 這也是一種熱固性樹脂，其優(yōu)點(diǎn)是固化速度快、成型性好、這也是一種熱固性樹脂，其優(yōu)點(diǎn)是固化速度快、成型性好、固化后交聯(lián)

32、密度大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好固化后交聯(lián)密度大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好(熱變形溫度大于熱變形溫度大于260)和防潮性能好，并具有優(yōu)良的電絕線性，高頻損耗小，和防潮性能好，并具有優(yōu)良的電絕線性，高頻損耗小，吸水率低。它的缺點(diǎn)是不適合封裝大功率集成電路。常用的吸水率低。它的缺點(diǎn)是不適合封裝大功率集成電路。常用的封裝方式有遞模成型法、浸漬法及澆鑄法。封裝方式有遞模成型法、浸漬法及澆鑄法。聚鄰聚鄰(間間)苯二甲酸二丙烯酯苯二甲酸二丙烯酯 這是一種熱固性樹脂，具有良好的防潮性、防鹽霧性、耐腐這是一種熱固性樹脂，具有良好的防潮性、防鹽霧性、耐腐蝕性和耐氣候性。在高溫高濕條件下它也有較高電絕緣性，且蝕性和耐氣候

33、性。在高溫高濕條件下它也有較高電絕緣性，且外形幾何尺寸穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是耐熱沖擊性能差，并只能外形幾何尺寸穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是耐熱沖擊性能差，并只能采用澆鑄法成型。采用澆鑄法成型。常用的塑封添加劑及其作用常用的塑封添加劑及其作用 根據(jù)塑封電路的性能要求，為獲得某種性能和改進(jìn)樹脂的某根據(jù)塑封電路的性能要求，為獲得某種性能和改進(jìn)樹脂的某些性質(zhì)，制備過程中增加如下添加劑。些性質(zhì)，制備過程中增加如下添加劑。填充劑填充劑 填充劑的作用是改善模塑料的機(jī)械強(qiáng)度，減小線膨脹系數(shù)，提填充劑的作用是改善模塑料的機(jī)械強(qiáng)度，減小線膨脹系數(shù)，提高耐熱沖擊強(qiáng)度和耐磨損性，以增加尺寸的穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)率和高耐熱沖擊強(qiáng)度和耐

34、磨損性，以增加尺寸的穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)率和降低收縮率。降低收縮率。 常用的填充劑有：石英粉、玻璃纖維、云母粉、常用的填充劑有：石英粉、玻璃纖維、云母粉、氧化鋁粉、氧化鋅粉和有機(jī)合成纖維等。氧化鋁粉、氧化鋅粉和有機(jī)合成纖維等。脫模劑脫模劑 為了改善模塑料的脫模性能，提高模具的使用壽命和改善塑封為了改善模塑料的脫模性能，提高模具的使用壽命和改善塑封制品的外觀性能，則在塑料的組成中加入適量的脫模劑。制品的外觀性能，則在塑料的組成中加入適量的脫模劑。 常用的脫模劑稱碩脂酸鈣、硬脂酸、種類的高級(jí)脂肪酸等。常用的脫模劑稱碩脂酸鈣、硬脂酸、種類的高級(jí)脂肪酸等。著色劑著色劑 著色刑的加入主要是使塑封后器件具有不同

35、的顏色。著色刑的加入主要是使塑封后器件具有不同的顏色。阻燃劑阻燃劑 為了滿足某些塑封器件具有阻燃性能使之安全可靠的要求，為了滿足某些塑封器件具有阻燃性能使之安全可靠的要求，可在塑科中加入適量的阻然劑。如鹵化物、磷系化合物和三可在塑科中加入適量的阻然劑。如鹵化物、磷系化合物和三氧化銻等。氧化銻等。固化劑固化劑 這是塑封中主要添加劑，以加速塑料的交聯(lián)反應(yīng)而固化。這是塑封中主要添加劑，以加速塑料的交聯(lián)反應(yīng)而固化。根據(jù)不同的樹脂和特性，可選用不同的固化劑。如環(huán)氧樹脂根據(jù)不同的樹脂和特性，可選用不同的固化劑。如環(huán)氧樹脂可采用膠類和酚類，硅酮樹脂可采用苯丙酸、苯甲酸酐等可采用膠類和酚類，硅酮樹脂可采用苯丙

36、酸、苯甲酸酐等三、封接設(shè)計(jì)三、封接設(shè)計(jì) 封接材料封接材料根據(jù)低溫封接的特定要求，封接材料必須具備以下幾個(gè)條件：根據(jù)低溫封接的特定要求，封接材料必須具備以下幾個(gè)條件： 封接材料的軟化溫度要低，應(yīng)保證能在足夠低的溫度條件下進(jìn)封接材料的軟化溫度要低，應(yīng)保證能在足夠低的溫度條件下進(jìn)行封接，以免封接溫度過高而導(dǎo)致芯片上金屬連線球化或引線框架行封接，以免封接溫度過高而導(dǎo)致芯片上金屬連線球化或引線框架變形變壞；同時(shí)在封接溫度下封接材料的粘度應(yīng)在變形變壞；同時(shí)在封接溫度下封接材料的粘度應(yīng)在1200Pas范范圍之間，使封接材料既充分而又不過份地在封接面上流動(dòng)；圍之間，使封接材料既充分而又不過份地在封接面上流動(dòng)； 封接材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)能和被焊的陶瓷、金屬相匹配，從而封接材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)能和被焊的陶瓷、金屬相匹配，從而保證封接件具有一定的封接強(qiáng)度和經(jīng)受得住諸如溫度、氣候和機(jī)械保證封接件具有一定的封接強(qiáng)度和經(jīng)受得住諸如溫度、氣候和機(jī)械等一系列的環(huán)境考驗(yàn)。如果和被焊材料的線膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，則等一系列的環(huán)境考驗(yàn)。如果和被焊材料的線膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，則在封接后封接材料中殘存應(yīng)力將使封接材料遭到破壞，從而使封接在封接后封接材料中殘存應(yīng)力將使