封裝-微電子課件第三章

第三章插裝元器件的封裝技術(shù)

主要內(nèi)容插裝元器件的分類與特點(diǎn)主要插裝元器件的封裝技術(shù)

TOSIP/DIPPGA

金屬外殼封裝技術(shù)3.1概述電子管時(shí)代晶體管時(shí)代1958年集成電路(IC)1．第一代電子器件——電子管

1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等發(fā)明了電子管，是電子學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)里程碑。用電子管可實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩、變頻、調(diào)制等多種功能電路。電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)用1.8萬(wàn)只電子管，占地170m2，重30t，耗電150kW。電子管時(shí)代晶體管時(shí)代20世紀(jì)50年代以三根引線的TO(TransistorOutline，簡(jiǎn)稱TO，又稱為晶體管外殼)型金屬-玻璃封裝外殼為主，后來(lái)又發(fā)展為各類陶瓷、塑料封裝外殼。雙列直插式引腳封裝DoubleIn-linePackage，簡(jiǎn)稱DIP)由于IC的集成度越來(lái)越高，20世紀(jì)60年代中期，IC由集成21～26個(gè)元器件的小規(guī)模IC(SmallScaleIntegration，簡(jiǎn)SSI)迅速發(fā)展成集成26～211個(gè)元器件的中等規(guī)模IC(MediumScaleIntegration，簡(jiǎn)稱MSI)，相應(yīng)的I/O引腳也由數(shù)個(gè)增加至數(shù)十個(gè)，因此，要求封裝引腳越來(lái)越多，原來(lái)的TO型封裝外殼巳難以適應(yīng)。于是，20世紀(jì)60年代就開(kāi)發(fā)出了雙列直插式引腳封裝DoubleIn-linePackage，簡(jiǎn)稱DIP)。這種封裝結(jié)構(gòu)很好地解決了陶瓷與金屬引腳的結(jié)合問(wèn)題，熱性能和電性能俱佳。DIP一出現(xiàn)就贏得了IC廠家的青睞，很快獲得了推廣應(yīng)用，I/O引腳數(shù)為4—64的DIP均開(kāi)發(fā)出系列產(chǎn)品．成為20世紀(jì)70年代中小規(guī)模IC電子封裝的系列主導(dǎo)產(chǎn)品。后來(lái)又相繼開(kāi)發(fā)出塑封DIP，既大大降低了成本，又便于工業(yè)化生產(chǎn)，在大量民品中迅速?gòu)V泛使用，至今仍然沿用。插裝元器件

插裝元器件的封裝形式主要有PDIP、PGA和金屬插裝外殼封裝。盡管至2002年插裝元器件封裝特別是PDIP的比例只占所有封裝的10％，但絕對(duì)數(shù)量仍有91億塊。近幾年，PDIP的發(fā)展速度正在變慢，在各類大量民用產(chǎn)品中，插裝元器件仍具有強(qiáng)大的生命力。若干年來(lái)一直與IC芯片保持10％的比例，今后一段時(shí)間內(nèi)大體仍將保持這一比例。發(fā)展現(xiàn)狀3．2插裝元器件的分類與特點(diǎn)插裝元器件按外形結(jié)構(gòu)分類圓柱形外殼封裝(TO)

矩形單列直插式封裝(SIP)

雙列直插式封裝(DIP)

針柵陣列封裝(PGA)等。插裝元器件按材料分類:金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝等。金屬封裝和陶瓷封裝一般為氣密性封裝，多用于軍品和可靠性要求高的電子產(chǎn)品中；塑料封裝由于屬非氣密性封裝，適用于工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的大批量生產(chǎn)，多用于各種民用電子產(chǎn)品中。3．3主要插裝元器件的封裝技術(shù)3.3.1插裝型晶體管的封裝技術(shù)

1．TO型金屬封裝技術(shù)

2．TO型塑料封裝技術(shù)

1．TO型金屬封裝技術(shù)

(1)先將芯片固定在外殼底座的中心，常常采用Au-Sb合金共熔法或者導(dǎo)電膠粘接固化法使晶體管的接地極與底座間形成良好的接觸；(2)在芯片的焊區(qū)與接線柱間用熱壓焊機(jī)或超聲焊機(jī)將Au絲或Al絲連接起來(lái)；(3)接著將焊好內(nèi)引線的底座移至干燥箱中操作，并通以惰性氣體或N2保護(hù)芯片；(4)最后將管帽套在底座周圍的凸緣上，利用電阻熔焊法或環(huán)形平行縫焊法將管帽與底座邊緣焊牢，并達(dá)到密封要求。2．TO型塑料封裝技術(shù)先將I/O引線沖制成引線框架，然后在芯片焊區(qū)將芯片固定，再將芯片的各焊區(qū)用WB焊到其他引線鍵合區(qū)，這就完成了裝架及引線焊接工序。先按塑封件的大小制成一定規(guī)格的上下塑封模具，模具有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)相同尺寸的空腔，每個(gè)腔體間有細(xì)通道相連。將焊接內(nèi)引線好的引線框架放到模具的各個(gè)腔體中，塑封時(shí)，先將塑封料加熱至150～180℃，待其充分軟化熔融后，再加壓將塑封料壓到各個(gè)腔體中，略待幾分鐘固化后，就完成了注塑封裝工作，然后開(kāi)模，整修塑封毛刺，再切斷各引線框架不必要的連接部分，就成為單獨(dú)的TO塑封件了。然后切筋、打彎、成形和鍍錫。工藝中如何控制好模塑時(shí)的壓力、粘度，并保持塑封時(shí)流道及腔體設(shè)計(jì)之間的綜合平衡，是優(yōu)化模塑器件的關(guān)鍵。3.3.2SIP和DIP的封裝技術(shù)

1．SIP的封裝技術(shù)由于SIP電路并不復(fù)雜，當(dāng)電路組裝完成后，就可將基板上的I/O引腳引向一邊，用鍍Ni、鍍Ag或鍍Pb-Sn的“卡式”引線卡在基板一邊的I/O焊區(qū)上，用電烙鐵將焊點(diǎn)焊牢，或?qū)⒖ㄊ揭€浸入熔化的Pb-Sn槽中進(jìn)行浸焊．還可以在卡式引線的I/O焊區(qū)上涂上焊膏，然后成批放于再流焊爐中進(jìn)行再流焊?？ㄊ揭€的節(jié)距有2.54mm與1.27mm之分，連接成帶狀，焊接后再剪成單個(gè)卡式引線。通常還要對(duì)組裝好元器件的基板進(jìn)行涂覆保護(hù)，最簡(jiǎn)單易行的辦法是浸漬一層環(huán)氧樹(shù)脂，然后進(jìn)行固化。塑料封裝大部分由兩個(gè)塑料包裝單元組成，就像槽和帽子。裝架好的芯片通過(guò)鍵合連接到引線框上，金屬的引線框從一邊伸入槽中，最后將兩個(gè)部分粘合在一起。包含引線框的槽可以用熱固型或熱塑型塑料在成型工藝中制造出來(lái)。典型應(yīng)用就是衛(wèi)星電視接收裝置用濾波器和無(wú)繩電話用中頻濾波器。在戶內(nèi)使用該種器件，其密封性是足夠的。這種封裝技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)就在于低成本。

2．DIP的封裝技術(shù)雙列直插式封裝(DIP)是20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的最具代表性的IC芯片封裝結(jié)構(gòu)，在表面安裝元器件出現(xiàn)之前曾是70年代大量應(yīng)用于中、小規(guī)模IC芯片的主導(dǎo)封裝產(chǎn)品，引線數(shù)為4～64，產(chǎn)品呈系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，品種規(guī)格齊全，至今仍然大量沿用(1997年各種DIP的總量約有110億只)。有陶瓷全密封型DIP(CDIP)，也有塑封型DIP(PDIP)，還有窄節(jié)距DIP(SDIP)等，其I/O引腳節(jié)距有2.54mm和1.78mm兩種?，F(xiàn)以CDIP及PDIP為例介紹它們的封裝技術(shù)。(1)CDIP的封裝技術(shù)①陶瓷熔封DIP(CerDIP)的封裝技術(shù)陶瓷熔封DIP在國(guó)外也稱CerDIP。和其他DIP一樣，CerDIP的引線節(jié)距為2.54mm。這種封裝結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只有底座、蓋板和引線框架三個(gè)零件。底座和蓋板都是用加壓陶瓷工藝制作的，一般是黑色陶瓷，即把氧化鋁粉末、潤(rùn)滑劑和粘接劑的混合物壓制成所需的形狀，然后在空氣中燒結(jié)成瓷件。把玻璃漿料印刷到底座和蓋板上，然后在空氣中燒成。對(duì)陶瓷底座加熱，使玻璃熔化，將引線框架埋入玻璃中。粘接IC芯片，進(jìn)行WB。把涂有低溫玻璃的蓋板與裝好IC芯片的底座組裝在一起，在空氣中使玻璃熔化，達(dá)到密封。由于這種方法是靠低熔點(diǎn)玻璃來(lái)密封的，所以也常叫做低熔點(diǎn)玻璃密封DIP。(2)PDIP的封裝技術(shù)塑料封裝具有工業(yè)自動(dòng)化程度高，產(chǎn)量大，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)雖是非密封性的塑封外殼，不能完全隔斷芯片與周圍的環(huán)境，但在大量民用產(chǎn)品的使用環(huán)境中，在一定時(shí)期內(nèi)是能夠保證器件可靠工作的。塑料有吸潮的弱點(diǎn)。塑料封裝用的樹(shù)脂(環(huán)氧模塑料)要求的特性樹(shù)脂要盡可能與所包圍的PDIP各種材料相匹配，即熱膨脹系數(shù)CTE相近，它們的CTE分別為：Si約為4×10-6/℃，引線框架(c194銅合金等)約為5×10-6/℃，Au絲約為15×10-6/℃，而樹(shù)脂約為4.5～7x10-5/℃，增加適當(dāng)添加劑的改性環(huán)氧樹(shù)脂，可使其與封裝材料更為接近。在65～150℃的環(huán)境使用溫度范圍內(nèi)能正常工作，要求玻璃化溫度大于150℃。樹(shù)脂的吸水性要小，并與引線的粘接性能良好．防止?jié)駳庋貥?shù)脂—引線界面浸入內(nèi)部。要有良好的物理性能和化學(xué)性能。要有良好的絕緣性能。固化時(shí)間短。輻射性雜質(zhì)含量低。為改善塑料封裝環(huán)氧樹(shù)脂的性能，還要添加一定的填料。主要填料有石英粉(二氧化硅)、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅等；為使PDIP具有一定的顏色，還要添加一些調(diào)色素，如黑色(碳黑)、紅色(三氧化二鐵)、白色(二氧化鈦)等。為了塑封后易于脫模，還要加入適量的脫模劑。工藝流程(1)PDIP的引線框架為局部鍍Ag的銅合金或42號(hào)鐵鎳合金。(2)將IC芯片用粘接劑粘接在引線框架的中心芯片區(qū)，IC芯片的各焊區(qū)與局部電鍍Ag的引線框架各焊區(qū)用WB連接。(3)然后將載有IC芯片的該引線框架置于塑封模具的下模中，再蓋上上模。接著將已預(yù)熱過(guò)并經(jīng)計(jì)量的環(huán)氧坯料放入樹(shù)脂腔中，置于注塑機(jī)上，加熱上下模具達(dá)到150～180℃，這時(shí)的環(huán)氧坯料已經(jīng)軟化熔融并具有一定的流動(dòng)性，注塑機(jī)對(duì)各個(gè)活塞加壓，熔融的環(huán)氧樹(shù)脂就通過(guò)注塑流道擠流到各個(gè)IC芯片所在的空腔中，保溫加壓約2～3min，即可脫模已成型的塑封件(4)及時(shí)清除塑料毛刺，還要對(duì)引線框架的引線連接處切筋，并打彎成90度，就成為標(biāo)準(zhǔn)的PDIP了。(5)再對(duì)PDIP進(jìn)行高溫老化篩選，并達(dá)到充分固化，再經(jīng)測(cè)試、分選打印包裝就可以成品出廠。3．3．3PGA的封裝技術(shù)3．3．4金屬外殼制造和封裝技術(shù)1．金屬外殼封裝的特點(diǎn)金屬外殼封裝通常是針對(duì)軍用電子產(chǎn)品要求的高可靠性而專門制作的，一般具有如下特點(diǎn)：

(1)封裝具有良好的熱性能、電性能和機(jī)械性能，能夠保護(hù)各類芯片、無(wú)源器件和布線免受大氣環(huán)境的侵蝕。

(2)使用溫度范圍廣，一般可達(dá)-65—125℃。

(3)氣密封性優(yōu)良。

2．金屬外殼封裝的主要類型

主要有:淺腔式外殼系列平板式外殼系列扁平式外殼系列功率外殼系列等淺腔式雙列金屬外殼封裝淺腔式四邊外殼平板式四邊外殼3．金屬外殼封裝技術(shù)金屬外殼一般結(jié)合陶瓷基板完成元器件的安裝和互連。下面以Al2O3陶瓷基板上組裝SMC/SMD及各類IC芯片為例，說(shuō)明用金屬外殼封裝的工藝技術(shù)。

陶瓷基板的優(yōu)點(diǎn)：(1)陶瓷基板的導(dǎo)熱系數(shù)比普通基板要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在25℃時(shí)，陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為17～30W/(m·K)，因此再流焊接時(shí)對(duì)元器件的熱沖擊很小。由于傳熱快，基板受熱均勻，焊接時(shí)的溫度低，且焊料熔化一致性好，焊接缺陷就大為減少，由大功耗元器件產(chǎn)生的失效也大為減少。(2)陶瓷基板的CTE更接近SMC/SMD，它們的熱匹配好，界面應(yīng)力自然會(huì)大大降低，從而由于熱循環(huán)造成的疲勞失效也大為降低。(3)可容許更高的功率密度，能制作更小線寬和間距，因此，SMC/SMD和IC芯片的混合組裝密度高，功率更大，功能更強(qiáng)。(4)化學(xué)穩(wěn)定性好，更可抗外界環(huán)境的腐蝕等。

陶瓷基板的優(yōu)點(diǎn)：(2)SMC/SMD與芯片的混合組裝工藝(3)工藝流程的設(shè)計(jì)和工藝兼容性問(wèn)題一般設(shè)計(jì)混合組裝工藝流程應(yīng)遵循如下原則：前道工序不能對(duì)后道工序造成不良影響；各類焊接、粘接、固化應(yīng)先高溫、后低溫；容易受污染的元器件(如芯片類)應(yīng)盡可能靠后安排組裝等。(4)封帽工藝封裝必須要求氣密性，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的水汽含量。若達(dá)不到氣密性要求，可導(dǎo)致元器件被腐蝕，使元器件或互連過(guò)早失效，達(dá)不到HIC所要求的可靠性等級(jí)。組裝到HIC基板及外殼中的元器件眾多，特別是IC芯片及Au-Al的WB點(diǎn)不能長(zhǎng)期經(jīng)受高溫，因?yàn)殚L(zhǎng)期高溫會(huì)導(dǎo)致Au—Al間脆性的中間化合物大量成長(zhǎng)，給長(zhǎng)期可靠性帶來(lái)危害。在封帽工藝中．封接材料的熔點(diǎn)必須足夠低，或者利用局部加熱方法，使元器件及其焊點(diǎn)免受高溫的影響。

熔焊封接法熔焊封接法對(duì)于封蓋面積大于160mm的高可靠性封裝，熔焊一般可獲得大于98％的高成品率。該方法在封接位置可瞬時(shí)獲得很強(qiáng)的局部加熱，器件一般只在2～3min的短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受不足50℃的低溫度，這時(shí)最具敏感性的器件及其WB點(diǎn)不會(huì)有什么不利影響。

(a)平行縫焊將封裝殼體及管帽的對(duì)應(yīng)兩側(cè)通過(guò)接通電源的兩滾軸產(chǎn)生局部高熱熔化被焊金屬來(lái)達(dá)到密封焊接的，要求焊面平整，一般要在充N2氣氛中焊接。(b)激光焊激光焊設(shè)備昂貴，焊接成本比平行縫焊高，