一種低成本專用混合微電路封裝技術(shù)

王萬一

（華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

1 前言

眾所周知，集成電路的設(shè)計、制造、封裝已成為集成電路產(chǎn)業(yè)的“三駕馬車”，它們?nèi)呦嗷ゴ龠M(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展。氣密性金屬外殼封裝是一種高可靠性封裝，并已成為軍用混合微電路的標(biāo)準(zhǔn)封裝，但相對而言它的成本較高，如果是非標(biāo)準(zhǔn)金屬外殼產(chǎn)品，其成本相對就更高了。有資料報導(dǎo)，封裝成本約占集成電路總成本的20%～50%。因此，尋找一種滿足軍用混合微電路可靠性要求、價格又低廉的封裝工藝，是業(yè)內(nèi)人士所一直所追求的。

2 滴注灌封工藝

包括軍用模塊電路在內(nèi)的大多數(shù)模塊電路，都可以采用灌封工藝，這種封裝工藝能通過GB3512橡膠熱空氣老化試驗方法和滿足GJB150.4軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法，所以灌封工藝也被認(rèn)為是一種可靠的封裝。圖1是采用灌封工藝的模塊產(chǎn)品，中間黑色的是硅膠，四周是塑料外殼。

圖1 灌封的模塊電路

灌封工藝就是將裝在塑料外殼中半成品的模塊電路，通過向外殼中注入適量的硅膠、并依據(jù)硅膠說明書進(jìn)行固化的一種封裝形式。而混合微電路由于有集成度高、重量輕的特點(diǎn)，它是一個無框架平臺，從電路重量方面來說不宜再增加框架進(jìn)行硅膠封裝，另外用于模塊電路封裝的硅膠，流動性較強(qiáng)，因此也不能直接用于平臺電路的硅膠封裝，本文所述的這種封裝技術(shù)與模塊產(chǎn)品的灌封工藝有一些類似之處，但又有其自己的特點(diǎn)，因此我們稱之為滴注封裝工藝。

3 硅膠滴注封裝工藝需解決的問題

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，適用于模塊灌封工藝的硅膠如果用于混合微電路滴注封裝會有三個基本問題：

（1）硅膠密度、均勻性。密度大的膠點(diǎn)在滴注時能造成混合電路的鍵合絲變形，產(chǎn)生短路等致命隱患。

（2）硅膠流動性。混合微電路為一個平臺，硅膠在混合微電路的邊緣會流掉，這不僅不能保護(hù)裸芯片、鍵合絲等，還會造成封裝環(huán)境的污染。

（3）硅膠膠泡。在點(diǎn)滴硅膠的過程中會形成膠泡，膠泡會造成封裝后的電路上硅膠密度不一致，在受到復(fù)雜的外力作用時，將損壞電路。

這三個問題能否解決是其能否用于混合微電路封裝的關(guān)鍵。

3.1 硅膠的密度、均勻性問題

市場上所售硅膠從組份而言有兩種：單組份和雙組份。從試驗看，無論哪種硅膠，其密度、不均勻的問題都切實存在，而且無法避免。所以我們在使用時，只好將這部分剔除掉，這就是在使用過程中的二次挑選。

對于單組份的硅膠，我們先將其注入一個約10ml的容器中，并用一干凈的竹簡進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，待灌封電路時，用一干凈的竹簽蘸取適量硅膠，如果發(fā)現(xiàn)有硬塊現(xiàn)象，則棄之不用，再重新取膠，如果正常則將硅膠滴至混合微電路的表面。試驗證明，此操作將有效解決硅膠密度、硬度不均勻所帶來的損壞鍵合絲的問題。

對于雙組份的膠，按照其說明書和我們的需要決定雙組份的配比比例，各取適量注入一個約10ml的容器中，并用一干凈的竹簡進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，待灌封電路時，參照上面單組份硅膠的滴注。試驗證明，此操作也能有效解決硅膠的密度、均勻性問題。

3.2 硅膠流動性強(qiáng)的問題

硅膠流動性強(qiáng)主要與膠本身或者雙組份配比有關(guān)，比如加的稀釋劑偏多。

試驗證明，硅膠流動性強(qiáng)的問題是可以通過硅膠選型及改變組份配比比例解決的。

3.3 膠泡的問題

在模塊電路灌封時，如果硅膠用量大或者灌封速度快，就會產(chǎn)生膠泡，我們在初期的混合微電路滴注時，也有同樣現(xiàn)象。通過進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)將配比好的硅膠，放入一合適溫度的真空容器中放置一段時間后再用來對混合微電路滴注，同時控制好滴膠速度，是可以解決膠泡問題的。

4 硅膠選型

4.1 硅膠特性的基本要求

顯然，如果能用于滴注封裝工藝，此種硅膠應(yīng)具備以下性能：

（1）與半導(dǎo)體芯片、鍵合絲等有良好的溫度匹配性和附著能力；

（2）在全溫度范圍（-55℃～125℃）內(nèi)、在溫度突變時性能穩(wěn)定；

（3）防水、防潮；

（4）至少十年的產(chǎn)品壽命；

（5）好的絕緣能力；

（6）密度均勻；

（7）較好流動性；

（8）固化條件盡可能簡單、時間短；

（9）固化后有彈性，對外力有緩沖作用；

（10）有較好的散熱能力；

（11）與環(huán)氧膠接觸不會產(chǎn)生負(fù)作用；

（12）環(huán)保。

4.2 對比試驗與結(jié)果

根據(jù)市場上用于模塊灌封的硅膠產(chǎn)品種類，我們從中選用適合滴注封裝工藝的不同公司的3種硅膠產(chǎn)品，試驗結(jié)果見表1。

表1 硅膠對比試驗結(jié)果

雖然C型硅膠仍有不理想之處，但在幾種硅膠之中算是綜合性能比較完美的，在后來的小批量生產(chǎn)中，一致選用C型硅膠。它具備4.1節(jié)中所述的性能，另外它能在常溫貯存、常溫24h固化也是我們所看重的。

5 滴注封裝工藝及滴注膠的特點(diǎn)

5.1 依需要配比

從使用經(jīng)驗看，我們推薦用雙組份硅膠，可以根據(jù)需要選擇合適的組份配比比例，控制膠的固體時間、稠度、膠的彈性等。

5.2 能滿足全溫度范圍

本產(chǎn)品用于戰(zhàn)車上，因此可適用于苛刻的工作環(huán)境。本產(chǎn)品工作極限溫度低溫-45℃、高溫85℃，貯存極限溫度低溫-55℃、高溫125℃。

5.3 可返工

封裝后最終測試不合格的電路，如果確認(rèn)是某個半導(dǎo)體裸芯片或電容出現(xiàn)故障，可進(jìn)行局部返工，然后再進(jìn)行滴注封裝。

5.4 封裝后的外形美觀

封裝后的外形美觀成為產(chǎn)品一大靚點(diǎn)，用戶滿意，外觀又有彈性，可以減緩機(jī)械沖擊并能夠?qū)﹄娐吩黾颖Ｗo(hù)。

5.5 滴注封裝工藝適用產(chǎn)品

滴注封裝工藝能夠保護(hù)半導(dǎo)體裸芯片等不被損壞，因此它可適用于大部分混合微電路的封裝。這種膠由于有較好的散熱性，它對于小功率電路的封裝也是適用的（本產(chǎn)品功率約10W）。

當(dāng)然，滴注封裝適合所有模塊電路的封裝。

6 后記

此種封裝工藝經(jīng)小批量產(chǎn)品使用7年后，市面上出現(xiàn)了一種新型的硅膠，在溫度（-100℃～260℃）范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，散熱性能更好，經(jīng)樣品試用，原來C型膠的不足之處，新型硅膠均得以提高或解決，且更能滿足局部返工的要求，限于保密要求，此產(chǎn)品封裝后的圖片在此省略，從工藝封裝、批生產(chǎn)加工使用、最終用戶的使用效果看，此種硅膠及滴注封裝工藝用途更廣并可滿足產(chǎn)品中試生產(chǎn)要求。

此種滴注封裝工藝凝聚了本單位所有參與者的勞動成果，借此機(jī)會，向所有參與人員表示誠摯的感謝。