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电子封装的技术范文1
1 点胶技术综述
基于点胶原理的不同，可将点胶技术分为接触式点胶和无接触式点胶[3，4]，如图1所示。接触式点胶的工作原理是通过点胶针头引导液同基板接触，经过一段时间后待基板完全浸润后，点胶针头开始向上运动，胶液依靠同基板间的黏性力同点胶针头分离在基板上形成胶点。接触式点胶技术的特点是需要配置高精度的传感器来控制针头抬起和下降高度。无接触式点胶是采用相关方式使胶液受到高压作用，胶液在获得足够大的动能后按照规定的速度喷射到基本之上。胶液在喷射时，针头没有Z轴方向位移[3]。近几年来，点胶技术得以快速发展，已经从接触式点胶技术向无接触式点胶技术转变。当前国外已经开始研究和开发无接触式点胶技术，并取得了一定的成绩。不过，就我国而言，目前还有超过一般以上的点胶系统仍旧采用接触式针头点胶，且以时间/压力型为主[2]；无接触式点胶系统市场份额占有率低下，所以，针对我国点胶技术发展实际，加强对精度高、可靠性强的流体点胶技术研究和开发势在必行[5]。
2 接触式点胶
2.1大量式点胶
大量式点胶可细分为针转式点胶和丝网印刷式点胶两种。大量式点胶的突出特点是点胶速度快。可适用于印刷电路板的大规模生产线，其缺点是柔性差，点胶的精度不是很高，一致性差，且胶液是直接暴露在空气中，胶液容易吸水和挥发，影响胶液质量。针转移式点胶的适应性比较差，对于不同的点胶样式需要更换针板，在点胶时需不停加热，重复适用性差。丝网印刷式点胶仅仅适用表面比较平整的元器件，而对于表面凸凹不平的集成电路则不适用。[2，4，6]。
2.2 针头式点胶
2.2.1 计量管式点胶和活塞式点胶
计量式点胶和活塞式点胶是继大量式点胶后的一种新型点胶方式。这两种点胶方式都是通过压力驱动胶液流出完成点胶。计量式点胶是由螺旋杆旋转提供压力，在压力作用下胶液流出，针头按照一定的轨迹移动可画出线或者圆等图案。活塞式点胶是通过活塞作用推动胶液流出完成点胶。该点胶方式的一致性好，不过胶液的量不好控制，活塞清洗困难，对活塞的密封性要求极高[2，4，6]。
2.2.2 时间/压力型点胶
时间/压力型点胶是当前应用最为广泛的点胶方式之一，该种点胶方式最早的应用在表面贴装中。其工作原理是通过脉动气压挤压针筒内的活塞，将流体通过底部针头挤出到基板上。该种点胶技术适用于黏度不是很高的流体；其胶点大小同气体压力和时间有关。该种点胶设备的造价比较低，容易操作，维护和清洗方便。不过该种点胶方式对流体的黏度很敏感，气压反复压缩使流体温度逐渐升高，对流体的流变特性造成了一定影响，比如胶液流出的直径大小不一，点胶一致性效果差。
3 无接触式点胶
无接触式点胶是当前一种基于微电子技术的新型点胶技术，该点胶技术可细分为喷墨点胶和喷射点胶。其中喷射点胶又分为机械式喷射点胶和压电式喷射点胶两种方式。
3.1 喷墨技术
喷墨技术指的是将墨水喷涂到基底上面的技术。喷墨方式有热气泡式和压电式。该种技术主要应用在印刷、压电式喷墨和药剂生产方面。热气泡式喷墨是对热敏电阻通电，产生热能加热墨水产生气泡，气泡爆破后墨水喷出形成墨滴；压电式喷墨是利用压电材料压电效应产生机械力，通过机械力将墨水“挤”或“推”出去。不过需要提出的是，微电子封装中所使用的流体黏度一般都比较高，而喷墨技术只适用于低黏度流体的喷墨。在流体材料适用性方面表现的能力比较欠缺。
3.2 喷射点胶技术
喷射点胶技术当前还处于研发阶段，技术还不够成熟。该技术主要是通过瞬间高压作用驱动胶液喷出，每次喷射只能形成一个胶点。经过多次喷射后胶点叠加在一起形成图案。喷射点胶基本上对各种黏度的流体适用。并且喷射的速度快、适应性和一致性好。当前，喷射点胶技术有机械式和压电式两种。其中，压电式点胶适用于低、中黏度流体；机械式点胶适用于黏度高的流体。
3.2.1 机械式喷射点胶
机械式喷射点胶主要用于喷射高黏度流体，目前在电子生产领域得以广泛应用。采用机械师喷射点胶，流体在比较低的压力作用下就能进入到料腔内。一般而言，芯片下填充料粘结剂的压力控制在0.1MPa左右；液晶类黏度比较低的材料压力控制在0.01MPa左右。该技术的特点是液体在喷嘴位置可获得极强瞬时压力，可对黏度高的流体进行喷射；其缺点是喷射出的胶点要比压电式、热气泡式所喷射的胶点尺寸大很多[3，7]，并且其结构比较复杂，喷射频率要低于压电式。
3.2.2压电式喷射点胶
压电式喷射点胶装置主要有两大类型。一类是压电式点胶作为热喷墨印刷技术应用于LED中有机颜料的注入；另一类是压电式喷射点胶是应用于电子器件紫外固化粘结剂包封。
4 结语
综上，随着现代科学技术的发展，微电子封装点胶技术必将会向新台阶迈进。本文针对微电子封装的接触式点胶技术和无接触式点胶技术的应用及优缺点进行了简要的介绍和分析。仅供业内人士参考。
参考文献
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[3] 房加强，于治水，苌文龙，王波，姜鹤明. 微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究[J]. 上海工程技术大学学报. 2013（01）
电子封装的技术范文2
[关键词]电子封装；新型材料；技术进展
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0005-01
随着现代电子信息技术的迅速发展，电子系统及设备向大规模集成化、小型化、高效率和高可靠性方向发展。电子封装正在与电子设计及制造一起，共同推动着信息化社会的发展[1]。由于电子器件和电子装置中元器件复杂性和密集性的日益提高，因此迫切需要研究和开发性能优异、可满足各种需求的新型电子封装材料。
国外通常把封装分为4级，即零级封装、一级封装、二级封装和三级封装：零级封装指芯片级的连接；一级封装指单芯片或多芯片组件或元件的封装；二级封装指印制电路板级的封装；三级封装指整机的组装。由于导线和导电带与芯片间键合焊接技术大量应用，一、二级封装技术之间的界限已经模糊了。国内基本上把相对应国外零级和一级的封装形式也称之为封装，一般在元器件研制和生产单位完成。把相对应国外二级和三级的封装形式称之为电子组装。
1 电子封装的内涵
电子封装工艺技术指将一个或多个芯片包封、连接成电路器件的制造工艺。其作为衔接芯片与系统的重要界面，也是器件电路的重要组成部分，已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融入到芯片制造技术和系统集成技术之中，目前已经发展到新型的微电子封装工艺技术，推动着一代器件、电路并牵动着整机系统的小型化和整体性能水平的升级换代，电子封装工艺对器件性能水平的发挥起着至关重要的作用。
电子封装是为电子产品提供合适环境的技术，它在一段时间内为电子产品提供可靠性。封装它不仅起着安放、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。对于很多电子产品而言，封装技术都是非常关键的一环。
2 电子封装的技术要求
2.1 对材料的技术要求
热膨胀系数、热导率和密度是现代电子封装材料必须考虑的三大要素。只有充分满足这3项基本要求，并具有合理封装工艺性能的材料才能顺应现代电子封装技术的发展要求。理想的电子封装材料应满足以下性能要求[2]：1）较低的热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，CTE），要求与Al2O3和Ga As芯片相匹配，以避免CTE相差过大产生热应力使芯片受损；2）较高的热导率（>100W/（m・K）），保护芯片不因温度过高而失效；3）较低的密度（100GPa），对机械部件起到稳定支撑及保护作用；5）稳定的化学性质。
2.2 对象的技术要求
封装技术针对功能相对单一的器件，结构相对简单、体积较小；微组装密封针对面向电子整机的多功能和高频组件，结构较为复杂（如异形等），体积较大。
2.3 对工艺的技术要求
多层基板结构不同：封装技术采用的多层基板通常只包括电路连接线；微组装采用的多层基板通常不但包括电路互联线，而且包括功分器和电桥等微波功率器件。
组装焊接工艺方法有差别：封装技术采用的元器件和材料种类较少，需应用适合少品种、大批量的焊接方法；微组装采用的元器件和材料种类较多，需应用适合多品种、多材料的焊接方法。
密封焊接工艺不同：由于封装件结构相对外形规则，封装较多采用平行焊接工艺；由于微组装组件结构复杂，外形有异形，因此常采用激光密封焊接。
3 电子封装技术的发展
过去的40多年，国外微电子封装技术在封装材料、封装方式、封装性能以及封装的应用等方面均取得了巨大的进步，封装效率（硅片面积与封装面积的比值）成几何倍数增长，PGA（针栅阵列）的封装效率不足10%，BGA（球栅阵列）的封装效率为20%，CSP（芯片尺寸封b）的封装效率大于80%，MCM的封装效率可达90%。随着新的封装技术的出现，封装效率可超过100%，五芯片叠层封装的封装效率可达300%，电子封装技术已经成为电子器件领域的关键技术。
器件级封装是整个电气互联技术发展的关键，纵观近几年的电子封装业，其发展趋势如下：电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封装（MCP）和系统级封装（SIP）等超高密度的封装形式；电子封装技术继续朝着超小型的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型封装形式――圆晶级封装技术（WLP）；电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现了3D-MCM，也出现了3D-SIP等封装形式[3，4]；电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块（MCM）外还有多芯片封装（MCP）、系统级封装（SIP）及叠层封装等；电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率和高性能仍然是发展的主题；电子封装技术向高度集成化方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成等多种高集成方式。
电子封装技术发展的新领域：MEMS封装、光电子（OE）封装、高温（高温半导体材料）封装和微光电子机械系统（MOEMS）封装等。
4 电子封装材料的分类
4.1 低温共烧陶瓷材料（LTCC）
LTCC材料是一类由玻璃陶瓷组成的封装材料，烧结温度仅有850℃左右，可与金、银和铜等金属共烧，介电常数低，介电损耗小，并可以无源集成，尤其是其特别优良的高频性能，使其成为许多高频应用的首选[3]。该技术开始于20世纪80年代中期，经过多年的开发和应用，已经日臻成熟，并在许多领域获得了应用。
4.2 高导热率氮化铝陶瓷材料
氮化铝陶瓷材料是20世纪90年代才发展起来的一种新型高导热电子封装材料，由于其热导率高、热膨胀系数与硅匹配、介电常数低和绝缘强度高，而成为最理想的功率电子封装材料，目前已经在微波功率器件、毫米波封装和高温电子封装等领域获得了应用。
4.3 AlSiC金属基复合材料
AlSiC金属复合材料是用于高级热管理的封装材料，它具有以下特性，第一该材料可以净尺寸加工，避免了繁杂的后处理工艺，第二该材料具有高的热导率、与半导体芯片相匹配的热膨胀系数以及非常低的密度。该材料适用于航空航天等对轻型化比较敏感的领域。
参考文献
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电子封装的技术范文3
一、DIP双列直插式封装
DIP(DualIn－linePackage)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。
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，故体积也较大。
Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。
二、QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装
QFP（PlasticQuadFlatPackage）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。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，一般在主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，即可实现与主板的焊接。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。
PFP（PlasticFlatPackage）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。
QFP/PFP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。
Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。
三、PGA插针网格阵列封装
PGA(PinGridArrayPackage)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。
ZIF(ZeroInsertionForceSocket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。
PGA封装具有以下特点：
1.插拔操作更方便，可靠性高。
2.可适应更高的频率。
Intel系列CPU中，80486和Pentium、PentiumPro均采用这种封装形式。
四、BGA球栅阵列封装
随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(BallGridArrayPackage)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。
BGA封装技术又可详分为五大类：
1.PBGA（PlasricBGA）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，PentiumII、III、IV处理器均采用这种封装形式。
2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，PentiumI、II、PentiumPro处理器均采用过这种封装形式。
3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。
4.TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。
5.CDPBGA（CarityDownPBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。
BGA封装具有以下特点：
1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。
2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。
3.信号传输延迟小，适应频率大大提高。
4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。
BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年，日本西铁城（Citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片（即BGA）。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前，Intel公司在电脑CPU中（即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等），以及芯片组（如i850）中开始使用BGA，这对BGA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，其全球市场规模在2000年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。
五、CSP芯片尺寸封装
随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP(ChipSizePackage)。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。
CSP封装又可分为四类：
1.LeadFrameType(传统导线架形式)，代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等等。
2.RigidInterposerType(硬质内插板型)，代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。
3.FlexibleInterposerType(软质内插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。
4.WaferLevelPackage(晶圆尺寸封装)：有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。
CSP封装具有以下特点：
1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。
2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。
3.极大地缩短延迟时间。
CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线网络WLAN／GigabitEthemet、ADSL／手机芯片、蓝芽（Bluetooth）等新兴产品中。
六、MCM多芯片模块
为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统，从而出现MCM(MultiChipModel)多芯片模块系统。
MCM具有以下特点：
1.封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化。
2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。
3.系统可靠性大大提高。
电子封装的技术范文4
电气互联技术的作用（1）电气互联技术的发展使元器件精细化元器件与互联工艺技术的发展，使原本大体积的元器件只能插装在电路板上，从而改变成微型器件（片式元件）直接贴在基板表面，而且基板可以是双面电路的，使电子元件符合小型化、高性能、安全性和电磁兼容性的需求，并向多层化、大容量、耐高压和集成化方向发展。如铝电解电容和钽电容改片式后，对元件的参数高Q值、低失真、高性能，精小化设计起到飞跃的发展，由于减少了大量分立元件的安装，大大减少了虚焊、脱焊引起的故障发生，提高了电路的精确度和使用寿命。（2）电气互联技术的提高有利于制造业高水平发展很多世界发达国家都引用、开发这些先进技术，从60年代飞利浦公司研制出钮扣状微型器件（SOIC）表面组装手表工业，和后来的日本开始使用方形扁平封装的集成电路（QFP）来制造计算机，到美国研制的塑封有引线芯片载体（PLCC）器件，和后期飞速发展的裸芯片及倒装芯片（FC）技术涉及到微处理器、高速内存和硬盘驱动器等，也使互联技术向精细化、高科技方面突飞猛进。现在使用的超薄型智能笔记本电脑，及超薄型LED液晶显示器以及应用在各行各业中的电气及机电设备等，就是这些技术的代表作品，其中内部精密的互联技术设计更加严谨、更加先进。当今元器件的发展趋势是表面组装化、微型化、多芯片集成化，IC成扁平、窄小、多引脚、引脚阵列化和多芯片叠层化方向发展。
电子器件间互联与封装工艺技术
电子器件间的封装类型电气系统设备中，电子元器件的封装技术是电气互联技术中体系中重要技术之一，它是将IC集成电路芯片黏结固定、与集成外引脚互连，并给予外壳进行密封保护的制造工艺技术，其中固定芯片及外引脚与外部电路的互联技术的优劣，取决于IC的工作可靠性、性能、质量及成本等。一般电子元件的封装有金属封装、陶瓷封装和塑料封装几种，按元件引脚区分有短引脚、针型和球型等封装，按芯片数量划分有单芯和多芯片封装，还有芯片叠层封装和三维立体封装等。封装的工艺流程及其作用（1）封装的工艺流程对电气器件的功能、可靠性的要求不同，封装的工艺也有一定的差异，但一般的基本工艺是接近的或相同的，其基本的形式是先将芯片黏固在基板的正确位置上，利用金线与芯片外引脚或焊球互连，然后加外壳密封材料模压成形。电子元器件封装工艺基本流程如图2所示，主要工艺通过研磨或磨削等方法将硅等基体去掉，使芯片的圆片厚度降低，使整个封装高度也随之降低，提高散热性能，去掉芯片背面表面氧化物并增加粗糙度，使芯片焊接时保持良好的黏固性，接触性能好；也可以将芯片背面金属化，满足减小阻抗接触、增加散热面，通过金属固有特性溅射、蒸发等工艺，增强热均匀性使芯片可靠工作；切割利用工具将圆片上的芯片切割成单个芯片的过程。（2）装片和键合工艺将芯片安装到外壳内或电路板上的过程为装片，将芯片与固定物连接时可用胶、焊料或其它进行黏结，黏结时要对焊点、金线、钝化层、粘结层孔隙等全面检查，防止胶合、虚焊、软接触不良等接触问题出现；键合是利用导电金属丝、金属带或焊膏等材料，将芯片焊膏与封装体（外壳或基板）连接起来的过程，其作用是使芯片与封装体引出端之间实现电气连接，是关键的工艺，所以要进行抗拉强度和焊球抗剪测试。（3）密封工艺密封是将被封装体与封装界面进行封口的过程，一般有气密性封口和非气密性封口两种，气密性封口是使封装体完全与外界隔离进行完全密封起来，这种方法使元器件能在恶劣的环境下使用而不会进入水气，保障元件的可靠性。而非气密性封口要受使用环境条件的限制，使用在要求环境比较低的装置中，制造工艺也相对简单而降低制造成本；还有打标、成形剪边、包装等工艺，使元器件在传输、运输、检测和储存等方面更加安全和便利，即通过气密性检测，用油墨移印或丝印的方法打标，也可用激光、喷码打印等方法打标；成形剪边是在封装过程中有保护引脚连筋的器件，去除连筋及将引脚弯曲成便于安装形状的过程；最后将电子元器件安放在特定的容器中使其不受各种机械冲击而损坏，也可以防止污染、氧化、腐蚀等损伤。
电子封装的技术范文5
关键词：半导体封装；封装机器；装备维护
引言
随着我国经济的发展，计算机技术也得到了巨大的发展。在计算机发展的过程中，半导体器件的发展具有重要的作用。在计算机刚发明的时候，其体积非常巨大，而如今的计算机越来越小，集成度越来越高，这主要就是归功于半导体科技的不断发展。半导体芯片的集成度不断提高使计算机的处理功能越来越强，同时计算机的体积也越来越小。而在提高集成度这一环节中，半导体封装技术具有重要的作用。从最初的封装设备需要从国外引进，到如今自己能够制造出先进的封装设备，半导体封装技术在国内取得了迅速的发展。本文将先介绍半导体封装机器的相关概念和重要作用，再探讨封装机器的管理和维护工作。
1 半导体封装机器概述和作用
1.1 半导体封装机器概述
半导体器件是电子产品的重要组成部分，它在电子产品中起着信号控制和处理的作用。在半导体封装的过程中可以分为以下几步：
第一，进行划片工作，对晶圆进行贴膜后，利用晶圆切割机器对晶圆进行切割，切割同时机器还具有自动清洗功能，以去除各种残留的粉尘和硅渣，以避免影响产品的质量。第二，进行粘片工作，粘片时用银浆将芯片进行粘贴，方便产品的散热，并有良好的导电性。粘片机所使用的动力来自于压缩空气。第三，进行引线压焊工作，目前比较先进的压焊技术为超声压焊，它是利用压焊机器的劈刀将焊接面和焊线进行摩擦，从而保证焊接面的光滑，顺利完成焊接工作。第四，塑封工艺，首先要用排片机将压焊好后的产品放到预热台上进行预热，然后用包封机进行合模加压，用高频预热机进行封料软化，最后进行注塑后固化工作。第五，进行后固化工作，需要用专业的烘箱设备对塑封后的产品进行4个小时的加热，使产品的性能更佳。第六，进行打标工作，需要利用激光打标机对产品进行标记的刻印。第七，进行电镀，电镀前需要用溢料机对产品进行溢料，然后对产品表面进行镀锡工作。第八，进行切筋切断工作，利用相关切断设备将整条已经电镀的产品进行切割。第九，测试包装工作，将经过上述多道工序后的产品进行电性测试，自动区分合格品和不合格品。将测试合格后的产品进行封装。
最初的封装形式为三极管时代的插入式封装，后面出现了表面贴装式封装，如今模块封装和系统封装应用比较广泛等。半导体封装的相关机器有很多，根据封装形式的不同，封装机器也有很多种。
1.2 半导体封装机器的作用
在半导体封装过程中会用到很多的封装机器，封装机器的整体作用是完成整个半导体封装的过程。而半导体封装不仅要保护内部免受外界环境的影响，也要加强芯片内外的连接能力。综合来说，封装机器进行半导体封装具有以下作用：
第一，对芯片进行物理保护。芯片是一个非常重要的部分，所以一旦受到损害，产生的后果非常严重。通过半导体封装，芯片与外界得到了隔离，一方面可以避免空气中的杂质对芯片进行腐蚀，另一方面也能够避免温度过高等产生应力而损坏芯片。
第二，实现电气连接。根据功能的需求，利用封装可以对电路板上的间距进行合理的调整，从而便于实际的安装，保证电气连接合理通畅。合理的封装不仅可以降低相关的材料费用，而且还能保证芯片的高质量和可靠性。比如，合理的布线长度以及阻抗配比可以保证芯片的质量和效率。
第三，实现标准规格化。在半导体封装时，需要确定封装的尺寸、形状以及长度间距等等，这不仅仅可以建立封装的标准，而且能够跟电路板等厂家进行配合，从而实现整个产品的标准化过程。
2 半导体封装机器的维护
半导体封装机器的可靠性在很大程度上决定着半导体产品的质量，所以封装企业要做好封装机器的质量和维护工作，保证封装机器的正常运行。
半导体封装机器虽然操作简单，工作精度高，但这同时也决定了它的机械结构比较复杂，自动化的程度比较高，发生故障的概率以及解决成本更加高。半导体机器中具有机械系统、电气系统以及软件系统等等，在每个系统中也都存在着很多子系统。多个系统的相结合，设计不到位，就很容易降低封装机器的可靠性。
为了加强半导体封装机器的可靠性，就要从以下几个方面加强工作。第一，加强工作人员素质的培养，让工作人员在封装过程中尽职尽责，尽量减少人为失误造成机器故障。第二，提高封装机器的可靠度，不断将新技术融合到封装机器上，比如自动故障诊断识别系统以及生产报告生产系统等等。第三，加强封装机器的检修工作，建立定时的检查机制，实时监控封装机器的运行情况，发现问题能够及时的进行修理维护工作。
结语
半导体的迅速发展对电子计算机技术以及经济的发展都具有重要作用，而半导体封装机器的封装环节在半导体器件中具有重要作用。本文介绍了半导体封装机器的相关概念和重要作用，探讨了封装机器的管理和维护工作。
参考文献
电子封装的技术范文6
关键词:系统级封装技术;系统级封装工艺;系统级封装设计;系统级封装产品
System in Package Technology and the Application
Jeff Chen,Jacky Zhang,Tony Li,Wolly Wang,Kevin Gao
(JCST.Co.Ltd, Jiangyin 214431 China)
Abstract: This paper introduced System in Package technology and the background, made a deep comparison with SoC technology. The advantages of SiP technology are demonstrated by analyzing the technical characteristics. The BOM constitution and cost characteristics of SiP are also analyzed. This paper analyzed the opportunities and challenges of domestic SiP industry in the point of view of IC industry integration, introduced the key techniques and the current capability in SiP designing and manufacturing, taking JCST as a example, and also analyzed the potential trends and challenges. This paper also gave a detail introduction of SiP products and the application.
Keywords: System in Package technology; System in Package process; System in Package designing; System in Package product
1引言
封装技术大致每十年更新一代,从第一代插孔元件、第二代表面贴装、第三代面积阵列到当今第四代芯片封装,封装承包商和芯片制造商紧密合作,研究和开发了若干种先进的封装和测试技术,以满足不同领域的需求。这些不断涌现的封装新技术为系统级封装技术( System in Package, SiP)的实现奠定了坚实的基础[1]。所谓系统级封装,是指将多个具有不同功能的有源组件与无源组件,以及诸如微机电系统(MEMS)、光学(Optics)元件等其它元件组合在同一封装中,成为可提供多种功能的单颗标准封装组件,形成一个系统或子系统[2]。
2SiP兴起背景
2.1 摩尔定律的挑战与SoC的局限
早在20世纪90年代后期,SiP的观念就已在欧美半导体业界萌芽,而此时SoC设计开始在集成电路业内兴起。SoC与SiP的目标均是在同一产品中实现多种系统功能的高度整合,前者是利用半导体前段制程的电路设计来完成,后者是利用后段封装技术来达到,从根本上讲两者殊途同归。由于基于CMOS工艺的集成电路技术的进展日新月异,SoC的发展随着摩尔定律的脚步不断演进[3],发展速度远快于SiP,成为大量集成电路解决方案的主流设计技术,SiP的发展受到限制。
随着集成电路技术沿摩尔定律发展至深亚微米工艺节点,SoC的发展面临极大的瓶颈。首先,SoC的设计方法学、设计工具、设计验证等设计挑战日渐加剧,研发时间往往长达一年半以上,这在竞争激烈的集成电路产业是非常不利的;其次,SoC所需研发费用和研发风险急剧增加,为SoC的发展限制了很高的门槛;再次,由于设计方面和集成电路工艺方面的限制(如采用GaAs和SiGe等技术),SoC在射频电路、传感器、驱动器,甚至无源元件等异质元件整合上面临巨大的困难。而随着消费性电子与移动通讯产品需求的快速增长,相关电子产品功能整合日趋多样(个性化、客户定制化),在外观设计薄型化与产品开发周期日益缩短等双重压力下,SoC由于其本身的技术瓶颈,很难面面俱到,因而使得兼具尺寸与开发弹性等优势的SiP技术跃然而起。并且自深亚微米、超深亚微米工艺节点开始,集成电路工艺技术沿摩尔定律持续发展本身也遭遇了诸多困难,更突出了SiP的重要性。
2.2 集成电路产业链整合的背景与封测行业的机遇
除了台积电外,封测大厂如日月光(ASE)、艾克尔(Amkor)与矽品(SPIL)等,也已将SiP列为未来技术发展主轴;英特尔(Intel)更成功运用此一技术在其四核心处理器产品的开发上,顺利抢得市场先机;与此同时,包括瑞萨(Renesas)、意法半导体(STMicroelectronics)、飞思卡尔(Freescale)、英飞凌(Infineon)等国际整合元件制造商(IDM),亦已大量采用SiP技术发展各种高整合度解决方案[4]。因此对于国内半导体产业,尤其是对于封装企业来说,掌握SiP封装技术产品的研发和应用将会带来前所未有的一次发展,是拉近和国际一线企业之间差距的最好机会。
随着SiP封装技术的出现,封装测试业在整个半导体产业链上的地位有了明显的提高,越来越被重视,从以前的从属地位慢慢转变成关键地位,对最终产品开发的成败起到关键作用;SiP技术在最近五年左右的时间才得到广泛的推广和应用,因此对该项技术的认知程度和应用上我们与国际公司的差距没有想像的那么大。
3SiP的优势
SiP与SoC的目标均是在同一芯片中实现多种系统功能的高度整合,前者是利用半导体前段制程的电路设计来完成,后者则是仰赖后段封装技术来达到,两者殊途同归。SiP的实现方法是采用微互连技术将不同集成电路工艺技术制造而成的若干裸芯片和微型无源元件集成在同一个小型基板(Substrate)上,形成具有系统功能的高性能微型组件。以下分别阐述SiP相对于SoC技术或者其它封装技术的优势。
3.1 广泛的应用领域和设计弹性
SiP 可以作为一块标准单元用于PCB 组装,也可以是最终的电子产品。与传统的芯片封装不同,SiP 不仅可以处理数字系统,还可以应用于光通讯、传感器以及微机械MEMS等领域,在计算机、自动化、通讯业等领域得到广泛的应用。SiP可以灵活而及时地对个别芯片或器件进行升级换代,因此可以缩短IC设计周期,降低设计费用,减少芯片测试时间。SiP 产品设计弹性大,开发时间快速,开发成本低,整合密度高,尺寸小,并使用更少的系统电路板空间,让产品设计拥有更多的想像空间。
3.2 改善电磁干扰(EMI)与信号完整性(SI)
系统总线传输数据的带宽与时钟频率f、数据宽度W 成正比。一般来说,当功能整合愈复杂时,芯片尺寸相对愈大,造成内部信号线路在进行全局布线(Global Wiring)时路径太长,信号传递过久的情形,且容易产生电磁干扰现象。与板级连线相比,SiP 封装内裸片间的互连引线长度更短,这有效减小了系统的互连线延迟和串扰,降低了容抗,使器件能够工作在更高的工作频率,从而有效提高了带宽。裸片间较短的互连还会带来一些潜在的好处:裸片的I/O 输出不必采用强驱动设计,使用小功率的I/O缓冲器就可保证裸片间传输信号的完整性,因此可以采用更低的工作电压,从而进一步减小了器件的功耗。此外也可以减少为屏蔽高速信号管脚引起的寄生电容和寄生电感而引入的电源和接地引脚,减少了和PCB 间的I/O 管脚数量。
3.3 简化元件采购,改善终端产品制造效率
电子类终端产品的功能是系统性的体现,由若干个电子子系统或子模块构成,因此子模块数量越少,其元件采购流程越简单,且相应的制造效率也越高。SiP技术类产品本身是具有系统或子系统的功能,当其应用于电子类终端产品时,无疑会极大地简化元件采购流程,改善其制造效率,并且更加符合消费类电子产品轻、薄、短、小的需求。
4SiP的成本
SiP相对于SoC在成本上具有诸多争议。SiP一般使用多层结构的BT材质的基板作为封装的载体,加上各类元件组装、芯片组装及整个封装产品的测试费用,从封装制造的角度来说其成本比封装单芯片的SoC产品高。但SiP产品开发时间较SoC大幅缩短,在很多新产品的开发上,时间就是金钱;透过封装产品的高度整合可减少印刷电路板(PCB)尺寸及层数,降低整体材料清单(BOM)成本,大大减少了终端产品的制造和运行成本,提高了生产效率;SiP使用更少的电路板空间,让终端产品设计拥有更多想象空间,可以使终端产品做的轻、薄、短、小,具有时尚个性化的外观设计,增加产品的附加值,从产品销售的角度来看,SiP产品价值较SoC高出许多;并且SiP较SoC具有更小的设计、制造风险和更低的门槛,对于企业来说,这也是无形中的成本优势。
5SiP、SoC和SoB技术的比较
SiP、SoC和SoB的关系,可以用图1形象的说明。
归根结底,SiP仍须以SoC为发展基础,技术上,两者相辅相成,但应用上,双方则是各善其长。换而言之,只要SoC持续发展,SiP就可基于新的SoC让整合度更上一层楼。
6国内SiP发展现状
上文所述,SiP产业依靠整个半导体产业链的配合。相比于国外和台湾地区,中国大陆半导体产业起步较晚,目前整体水平仍有差距,面对国外和台湾地区的行业竞争,压力较大。半导体产业是国家重点扶植的产业,发展较快。当前的状况对国内的封测产业来说,既是机遇,也是挑战。
长电科技股份有限公司是封测行业中内资企业的指标性企业,于2005年筹备SiP产业设施与人力团队,从事SiP技术与市场的研究,协助相关业者了解SiP技术的优点并凝聚产业合作的共识,通过与各大系统设计公司、芯片制造商的紧密合作,并且利用自身在封装领域的强大技术优势加大科研投入,在国内企业中脱颖而出,使国内SiP领域的发展取得质的飞跃。下文以长电科技为例,介绍SiP产业的关键技术和当前的能力与挑战。
6.1 关键工艺介绍与当前工艺能力
6.1.1 晶圆磨划
对于存储类产品,若要在规定的尺寸内集成最大化的存储容量,芯片堆叠是必需的,这就必须最大化的减小芯片厚度。晶圆减薄工艺中最大的问题是碎裂。目前长电科技的晶圆减薄工艺能力是能将12英寸晶圆减薄至25μm。
随着集成电路工艺技术的持续进步,铜互连工艺中使用低介电常数(Low-K)介质,此类晶圆称为Low-K晶圆。由于Low-K晶圆材料和物理特性,其在磨划中较传统晶圆容易出现诸如分层、崩角等问题[5]。Low-K晶圆的磨划将是未来一段时间内的趋势与挑战。
6.1.2 先进的装片技术
SiP 3D封装强调芯片的多芯片堆叠,可堆叠不同类型、不同厂商的多种芯片,包括闪存(Flash)芯片、数字 ASIC芯片及RF芯片等,解决了SoC所遇到的麻烦。它为便携式电子产品小型化、多功能化、低成本化和快速多变化提供了一条有效的途径。因此,大尺寸、超薄厚度芯片的堆叠装片技术是实现高密度系统封装的重要基础,是不可或缺的关键工艺技术。而芯片堆叠技术中关键的一环是FOW技术[6](图2)。
多种结构芯片堆叠技术主要有载板芯片堆叠装片技术、“Spacer Die”式芯片堆叠装片技术、“金字塔”式芯片堆叠装片技术和“台阶”式芯片堆叠装片技术(图3)。
6.1.3 高密度互连形成
引线键合技术[7]是形成高密度互连的基础。通常SiP产品中需要在有限的空间中集成数颗尺寸大小各异的芯片,一般都会采用芯片堆叠的封装工艺,同时此类产品中芯片的压焊点间距非常的小,压焊点的数量非常多,因此这类产品的焊线技术比传统的封装产品有着更高的要求;为了实现多层堆叠芯片的金线焊接工艺,提升焊线工艺的稳定性和确保产品成品率的稳定,采用芯片间金线串连的焊线技术必不可少;在一些超薄塑封体的产品中,为了避免金丝露出塑封体表面,需要严格控制芯片的金线弧高,因此稳定的低弧度金线倒打工艺是确保成品率的关键焊线技术;为了满足压焊点间距达到45～60微米、压焊点开口尺寸小于45微米的芯片的焊线工艺,需要开发超密间距劈刀的小球径焊线工艺。当焊线的层数增加时,不同线环形层之间的间隙相应减少,需要降低较低层的引线键合弧高,以避免不同的环形层之间的引线短路,因此必须采用高密度立体多层焊线技术。以上几种高密度互连技术如图4所示。
随着半导体行业的竞争日趋激烈,降低制造成本是企业提高竞争力的有效且必要的途径之一。封测行业的制造成本中很重要的一环是用于连接芯片与基板所用的金线成本。采用铜线键合技术[8]可以减少这一成本,提高产品的竞争力。但是铜线键合技术由于尚未成熟,目前仍有诸多挑战。
6.1.4 倒装芯片应用的金属突点与RDL
消费类与通信类电子产品多数需要高速芯片与射频芯片,此类芯片多以倒装芯片(Flip Chip)的形式封装[9],以减小由于信号传输路径过长而引起的不必要的延迟,以及由于引线键合而引入的多余的电感,改善信号完整性与电磁兼容性。倒装芯片也可以应用于SiP中,其原理是通过芯片焊盘的再分布层(RDL,Redistribution Layer)[10]重新布局芯片的焊盘,并且通过在再布局后的焊盘上形成金属突点的形式,使得芯片可以倒装在基板上。在某些特殊的芯片堆叠情况下,可以通过RDL技术制造载板芯片,为特殊的堆叠提供可行性。
6.2 SiP设计
现代的封装结构已变得越来越复杂,芯片的速度也变得越来越快,封装设计变得越来越重要。封装生产前需要进行大量的设计工作,如封装种类的选取、叠层的设计、布线设计、芯片与封装结构的连接及可制造性分析、电性能及其它物理性能的分析等。一个良好的封装布线设计,不仅能够保证系统信号在发送端和接收端都具有较高的信号质量,而且能够保证系统在时序上也能满足设计要求。
由于深刻意识到封装设计能力对于SiP封装产品的重要性,长电科技于2007年7月建立了自己的设计团队,目前拥有封装设计工程师20余人,积累了两年的SiP封装产品的设计开发经验,协同各类客户成功开发产品100余款。SiP封装设计能力的建立,标志着长电科技由传统制造密集型企业逐步转向设计和产权密集型封装企业。长电科技的SiP设计流程如图5所示。
随着消费类和通信类电子产品对性能和功能的更高及更多样化的需求,SiP封装面临诸多的挑战,其中最突出的是含有射频芯片的情况[11]。包含有高速数字芯片、存储芯片、射频芯片的SiP封装产品越来越多,此类产品需要在IC设计阶段即考虑封装因素,即采用芯片-封装协同设计的方式,以期取得最佳的性能、最短的设计周期,并且为取得产品的最大成品率打下基础。业界对此类产品在设计方法学上仍在探索阶段,且此类产品的设计需要强大的EDA工具支持,目前是整个业界的核心课题。
7SiP产品的市场状况
随着“后PC时代”的到来,以“3C”为主体的电子产品将会更多地采用SiP形式。在国内市场,一方面随着“3G”的深入普及,更多具有概念性的业务在逐步开展,SiP是此类概念性电子产品的首选形式;另一方面,数字电视(DTV)、CMMB等业务在国内逐步开展,与“3G”结合,将会推出更多的电子产品种类,为SiP提供更多的发展空间。
长电科技目前开发的产品已经涉及大容量存储、移动支付、移动身份认证、地磁传感器、加速传感器、射频+ 基带模块等诸多领域;其产品类型涉及MicroSD卡、MiniSD卡、 SD卡、LGA、 BGA、 USB模块、其它特殊模块等。长电科技在SiP领域的突破充分证明:只有合作共赢才能完善SiP的产业链,建立SiP的良好发展环境;只有在技术领域的勇敢开拓才能拥有SiP市场的主动权。图6所示是长电科技的SiP产品路线图。
SiP封装技术和产品有着非常广阔的应用和市场前景,现阶段国内SiP封装产品的需求已经来势汹汹,日渐迫切。SiP封装产品及应用的大量推出,将会对未来信息社会的社会形态和人们的日常生活方式造成巨大的影响。SiP产品的短小轻薄、开发弹性及优异的异质整合能力,使其在移动电子消费品市场快速崛起,并逐渐受到半导体业者重视。未来,随着电子产品对嵌入式存储器需求日增,及高频设计讯号品质的要求,SiP仍将持续维持高度成态势,并成为SoC之外,IC设计的另一重要取向。
8总结
SiP封装技术给国内半导体产业、尤其是封装企业带来了一次前所未有的发展机会,标志我国封装产品将由低端转为高端,封装行业由制造密集型产业转向设计和产权密集型产业的过程即将到来。SiP封装技术应用不仅将又一次促使半导体产业链的重新整合,而且将会促进消费类电子、通信、智能卡等应用型产业与半导体封测产业的整合。因此,产业链间如何打破藩篱、携手合作,共同营造更完善的SiP发展环境,将是当务之急。以长电科技为标杆的内资企业一定可以在其中担当重要的角色,为中国半导体产业的发展作出重大的贡献。
参考文献
[1] 杜小松,杨邦朝. 芯片尺寸封装技术. 微电子学,2000, 30(6), 418-421.
[2] ITRS 2003, 省略.
[3] Moore’s Law, Gordon Moore, Cramming More Components Onto Integrated Circuits, Electronics[A], Vol.38, No.8, April 19, 1965.
[4] 王智弘, 半导体产业链总动员,SiP技术来势汹汹[A], 新电子,2007年9月号258期.
[5] Wang ZhiJie, Wang, S. Wang, J.H. etc, 300mm Low K Wafer Dicing Saw Study[A],IEEE.2005,9.262-268.
[6]
