微電子封裝關鍵技術及發(fā)展前景研究

北京科技大學 北京 100083

隨著科學技術的發(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,因此對微電子進行封裝則可以有效的解決這一問題。

1 微電子封裝技術

微電子封裝就是以維系加工技術和膜技術為基礎進行操作,將芯片等要素進行時設置,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。與此同時在進行操作時還需要將各要素的連接端引出。封裝技術在進行固定式主要是以可塑性絕緣介質灌技術作為關鍵性技術進行操作,從而起到良好封裝作用。經(jīng)過微電子封裝技術處理之后的各要素之間能夠形成一個立體的連接結構。

微電子封裝的基本功能為:

(1)能夠為半導體芯片提供機械支撐,為其提供一個良好的保護環(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備之間進行有效連接,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。微電子封裝技術能夠將許多的芯片要素集中在一個很小的區(qū)域內以立體結構的形式存在,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能夠為電路和器件提供良好的運行環(huán)境,因此在該技術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進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行深入的分析,然后在控制封裝成本的基礎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 微電子封裝的關鍵技術

隨著微電子封裝技術的不斷發(fā)展,許多的封裝技術開始在日常生活中發(fā)揮作用。當前主要的封裝技術主要是集中在BGA封裝、CSP封裝等技術方面,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鍵技術進行分析。

2．1 BGA封裝技術 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行應用,從而起到良好封裝效果。BGA封裝技術能夠將電路中的I/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YBGA封裝技術主要的優(yōu)點有:

(1)I/O引線間距大。根據(jù)當前BGA封裝技術中所設置的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封裝技術進行焊接時其焊錫球在經(jīng)過熔化之后可以自動的進行補償平面誤差,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貼裝工藝以及設備之間進行通用,表現(xiàn)為良好的兼容性,而且可以在多種不同的芯片、設備、系統(tǒng)中進行使用,兼容性能良好。

2．2 CSP封裝技術 芯片尺寸CSP封裝技術是在微電子封裝中較為常見一種封裝技術,該技術能夠根據(jù)整機要求效果進行挑戰(zhàn)。CSP封裝技術下要求焊球之間的間距保持在1mm以內的范圍內,這也就意味著CSP封裝技術的間距要比BGA封裝技術的間距還要小。CSP封裝技術能夠對芯片進行可靠性封裝,保護芯片的使用性能,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。

當前CSP封裝技術的種類有很多,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。但是這些封裝技術的間距都會控制在1mm的范圍內。根據(jù)當前CSP封裝技術的間距進行分析,常見間距有0．5mm、0．65mm、0．8mm和1mm幾種類型。以圓片級CSP為例其在進行封裝時首先需要對圓片進行切割,將一個圓片分割成為多個IC芯片,然后再進行封裝操作。在進行封裝操作時需要完成一道操作工藝之后再開始進行下一道操作工藝,這樣可以有效的提高封裝操作效率。在進行倒裝芯片進行操作時與一般的封裝工藝相同,只是在原有的基礎上增加了引腳布線和凸點制作工藝,而且在該技術下不需要反復的進行測試,因此可以在很大程度縮小操作流程,提高封裝效率。雖然CSP芯片在進行封裝操作時有諸多的封裝優(yōu)勢,但是其在實際的應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所需要的成本比較的高。

2．3 3D封裝技術 根據(jù)當前3D封裝的類型進行劃分,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層中,然后利用SMC和SMD進行頂層貼裝,此時就可以達到良好的封裝效果。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行集成處理,然后在源基板上進行布線處理,最后利用SMC和SMD進行頂層貼裝。利用該技術進行封裝之后可以實現(xiàn)三維立體結構封裝效果。三是疊層3D封裝。在該封裝技術下首先需要將器件進行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行3D封裝。在這三種3D封裝技術中應用最為廣泛的是疊層3D封裝技術。該技術在使用時的優(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備逐漸進入到人們生活,人們?yōu)榱吮阌跀y帶要求這些設備逐漸向著微型化方向發(fā)展。而3D封裝技術在可以滿足這一要求。3D封裝技術能夠降低封裝厚度,從而降低設備的厚度。

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

2．4 SIP系統(tǒng)封裝技術 系統(tǒng)級封裝SIP封裝技術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,SIP封裝技術能夠實現(xiàn)系統(tǒng)封裝效果。在SIP系統(tǒng)封裝技術下能夠將芯片、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)封裝技術中關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)封裝技術設計到系統(tǒng)集成封裝,因此其在進行封裝時首先需要根據(jù)系統(tǒng)功能需求的不同進行功能模塊的劃分,然后對系統(tǒng)各功能模塊進行組合,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行劃分,這樣可以為后期的SIP系統(tǒng)封裝奠定基礎。比如說手機藍牙模塊,為了便于進行系統(tǒng)封裝,可以將該模塊中的基帶處理器為單元進行封裝,然后將該單元的一端與系統(tǒng)CPU控制接口進行連接,另一端則與硬件接口進行連接。通過這樣的劃分。

當前SIP技術主要用途有:一是應用在RF無線電中。利用SIP封裝技術能夠將具有多種功能的芯片與具有RF功能的芯片封裝在一起,然后組成一個簡單的系統(tǒng)。二是應用在傳感器中。SIP基礎可以將硅元素所組成的傳感器期間集成在一起,然后應用到各項控制設備中;三是應用到計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中,能夠實現(xiàn)集成化功能。

3 微電子封裝的發(fā)展前景

隨著電子技術的不斷發(fā)展,日常生活中的許多設備都需要應用到微電子封裝技術,這就要求在進行發(fā)展時能夠深入的了解微電子封裝技術,并根據(jù)市場的需求進行技術調整,從而保證微電子封裝技術能夠更好的符合時代變化,促進我國電子領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,因此進行微電子封裝技術發(fā)展十分有必要?？偨Y當前微電子封裝技術發(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技術將成為主流技術。首先,FC技術是在當前微電子封裝方面的最小封裝技術。FC技術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前最小的線性尺寸還要縮短30%左右,這樣在該技術下所得到的封裝系統(tǒng)最終的尺寸要比現(xiàn)有封裝技術下的系統(tǒng)尺寸還要小30%到50%之間。其次,FC技術下對引腳進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技術進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)當前當值產(chǎn)品中的器件類型進行分析,絕大多數(shù)為無源元器件,但是隨著微電子技術的不斷發(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。在進行封裝時為了保證封裝面積小型化以及集成化,在進行元器件封裝時可以采用無源元器件進行封裝,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也將成為封裝技術的一個重要環(huán)節(jié),在微電子封裝中起著關鍵性作用?？傊疅o源元器件在未來的發(fā)展中將會向著集成化的方向進行變化。

(3)由分立系統(tǒng)向系統(tǒng)級封裝發(fā)展。SIP系統(tǒng)封裝技術是最近幾年才開始應用的一種封裝技術,該技術雖然研發(fā)的時間比較的短,但是其應用范圍卻在不斷的擴大,也是當前許多日用電子產(chǎn)品中經(jīng)常采用的一種封裝技術。在SIP系統(tǒng)封裝技術下能夠將一級芯片封裝、二級插卡封裝和三級基板封裝有機的結合在一起,將三個封裝層次封裝在一個層次范圍內然后進行應用,這樣能夠大大簡化封裝結構,還能夠有效提供系統(tǒng)封裝效率。在SIP系統(tǒng)封裝中能夠將芯片、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。

結語

隨著我國科學技術的不斷發(fā)展,集成電路產(chǎn)業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展,許多的設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對電路和器件進行封裝操作。因此本文在進行研究時就針對當前幾種微電子關鍵封裝技術進行分析,了解該技術的優(yōu)點以及應用范圍,然后展望微電子封裝技術未來的發(fā)展前景。