半导体器件封装技术

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[摘要]半导体器件封装技术是一种将芯片用绝缘的塑料、陶瓷、金属材料外壳打包的技术。封装技术对于芯片来说是必须的,也是非常重要的。

[关键词]半导体器件 封装技术

“半导体器件封装技术”是一种将芯片用绝缘的塑料、陶瓷、金属材料外壳打包的技术。以大功率晶体三极管为例,实际看到的体积和外观并不是真正的三极管内核的大小和面貌,而是三极管芯片经过封装后的产品。封装技术对于芯片来说是必须的,也是非常重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要。

封装也可以说是指安装半导体芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁――芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于大功率器件产品而言,封装技术是非常关键的一环。

半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来,半导体封装经历了三次重大革新:第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。高级封装实现封装面积最小化。

一、封装材料

封装的基材有陶瓷、金属和塑料三种。从数量上看,塑料封装占绝大部分,半导体塑料封装用的材料是环氧塑封料,七十年代起源于美国,后发扬光大于日本,现在我国是快速掘起的世界环氧塑封料制造大国。塑料封装多是用绝缘的环氧塑封料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。

二、封装类型

1.金属封装。由于该种封装尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产,故其价格低、性能优良、封装工艺容易灵活,被广泛应用于晶体管和混合集成电路如振荡器、放大器、交直流转换器、滤波器、继电器等产品上。

2.陶瓷封装。陶瓷封装的许多用途具有不可替代的功能,特别是集成电路组件工作频率的提高,信号传送速度的加快和芯片功耗的增加,需要选择低电阻率的布线导体材料及低介电常数、高导电率的绝缘材料等。

3.金属-陶瓷封装。它是以传统多层陶瓷工艺为基础,以金属和陶瓷材料为框架而发展起来的。最大特征是高频特性好、噪音低而被用于微波功率器件。

4.塑料封装。塑料封装由于其成本低廉、工艺简单,并适于大批量生产,因而具有极强的生命力,自诞生起发展得越来越快,在封装中所占的份额越来越大。目前我国环氧塑料封料年产9万吨以上。

三、封装时主要考虑的因素

1.芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1。

2.引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能。

3.基于散热的要求,封装越薄越好。作为设备或整机的重要组成部分,器件的性能直接影响整机的整体性能。而器件制造工艺的最后一步也是最关键一步就是它的封装技术,采用不同封装技术的器件,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的产品。

四、主要封装技术

半导体器件的封装形式分为插入安装式(DIP)和表面安装式(SMD)两大类。插入安装式包括金属外壳封装、玻璃封装、陶瓷封装、塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装和金属外壳封装。表面安装式包括塑料封装和树脂封装等,使用较多的是塑料封装。

1.DIP技术

(Dual In-line Package),也叫直插式封装技术,指采用直插形式封装的器件芯片,绝大多数器件采用这种封装形式,其引脚数一般为三条。可以直接插在有相同焊孔数的电路板上进行焊接。

DIP封装具有以下特点:

(1)适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。

(2)芯片面积与封装面积之间的比值较大,体积也较大。

典型的DIP封装晶体管形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是信号放大和电源稳压。

2.SMD技术

SMD封装也叫表面安装技术,用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在电路板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与电路板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

SMD封装具有以下特点:

(1)适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。

(2)适合高频使用。

(3)操作方便,可靠性高。

(4)芯片面积与封装面积之间的比值较小。

五、封装的作用

封装(Package)对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体器件芯片用的外壳,它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有:

(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降,保护芯片表面以及连接引线等,使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响;同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配,这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力,从而可防止芯片损坏失效。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。

(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距,调整到实装基板的尺寸间距,从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0.1 3μm以下)为特征尺寸的芯片,到以10μm为单位的芯片焊点,再到以100μm为单位的外部引脚,都是通过封装来实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的作用,从而可使操作费用及材料费用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻,寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。

(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格,既便于加工,又便于与印刷电路板相配合,相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便。

六、半导体器件封装技术发展

半导体器件有许多封装形式,按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进。总体说来半导体技术经历了三次重大革新:第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在20世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。

所谓封装是指安装半导体器件用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁―芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此,封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使 用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁,从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越 接近于1,适用频率越来越高,耐温性能越来越好,引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等。

七、塑封器件封装工艺简介

划片―粘片―压焊―包封―打印―电镀―切筋―测试―包装―入库

八、国内封装技术存在的问题与不足

1.封装技术人才严重短缺、急需封装技术人员的培训。

2.先进的封装设备、封装材料及其产业链滞后,配套不上且质量不稳定。

3.封装技术研发能力不足,生产工艺程序设计不周,可操作性差,执行能力弱。

4.封装设备维护保养能力差,缺少有经验的维修工程师,且可靠性实验设备不齐全,失效分析能力不足。

5.国内封装企业普遍还处于规模小,技术低,从事低端产品生产的居多,可持续发展能力低,缺乏向高档发展的技术和资金。

九、建议和对策

1.依靠技术创新占领高端市场,目前国内器件呈现两极化的发展趋势,即低端产品市场竞争激烈,高端市场增长迅速,产品供不应求。我们应积极进行技术研发,及时向市场推出新产品,占领高端市场。

2.依靠高等院校,科技攻关和自然基金以及产业化项目培养人才,封装目前已经成为一个支柱性的行业。封装是一个典型的交叉学科,要提高封装技术水平应从基础做起,培养各个层次的人才,掌握核心技术。

3.利用外来技术带动产业升级,目前跨国半导体企业纷纷加大在我国投资,扩大在国内的生产规模,这些国际企业制造水平处于世界领先水平,这对于提高国内器件行业整体技术水平,培养国内工程技术人员,进而带动国内器件产业升级都有积极作用。

十、结束语

我国半导体器件封装事业担负着振兴国内半导体行业的重任,面临艰巨的挑战和各种困难,半导体器件封装技术目前还存在不少问题和困难,我们还是要坚持在科学发展中寻找解决困难的途径,以积极的姿态、创新的工作,共同迎接中国半导体事业的美好明天。

参考文献:

[1]中国半导体封装产业调研报告.中国半导体行业协会封装分会.2005年度,2009年度.

[2]半导体封装形式介绍.百度>专业文献/行业资料.