淺析微電子封裝的發(fā)展歷史和新動(dòng)態(tài)
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(電子信息技術(shù))
根據(jù)美國電子消費(fèi)協(xié)會發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2013年全球電子消費(fèi)行業(yè)銷售額創(chuàng)造新高，較上一年增長3%，達(dá)到1.068萬億美元。以中國為主的亞洲發(fā)展中國家則首次取代北美，成為全球最大電子消費(fèi)市場。與此同時(shí)，電子產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展也帶動(dòng)了與之密切相關(guān)的電子封裝產(chǎn)業(yè)。微電子封裝一方面朝著高集成度、高頻率、大功率、低成本的方向發(fā)展，另一方面，新工藝和新材料的不斷涌現(xiàn)，也使微電子封裝朝著更節(jié)能、更環(huán)保和更持久的道路前進(jìn)，本文從微電子封裝的角度出發(fā)，介紹了其發(fā)展歷史及最新動(dòng)態(tài)，同時(shí)對今后的發(fā)展給出了一些建議。
1 電子封裝發(fā)展簡史
自從1947年發(fā)明了第一只半導(dǎo)體晶體管，同時(shí)也就開啟了電子封裝的歷史。一般將電子封裝的發(fā)展分為3個(gè)階段。
(1) 20世紀(jì)70年代為通孔插裝器件時(shí)代。主流的封裝形式為通孔器件和插入式器件，包括DIP（雙列直插式）和PGA(針柵陣列)，器件的電氣和機(jī)械聯(lián)接分別通過機(jī)械接觸和波峰焊接來實(shí)現(xiàn)。由于這類插裝器件要求具備高對準(zhǔn)度，但是又受到當(dāng)時(shí)的工作條件所限，使得封裝速率始終難以提高。
(2) 20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了SMT（表面貼裝技術(shù)）。以PLCC（塑料有引線片式載體）和QFP（四邊引線扁平封裝）為代表，與傳統(tǒng)的插裝式不同，集成電路是通過將一些細(xì)微的引線貼裝在PCB板上，其電氣特性得到了提高，并且生產(chǎn)的自動(dòng)化程度與70年代相比有了大幅的提升。此外，它還具有密度高、引線節(jié)距小、成本低和適于表面安裝的優(yōu)點(diǎn)。
(3) 20世紀(jì)90年代為BGA（球柵陣列封裝）和CSP（芯片尺寸封裝）時(shí)代。在這個(gè)時(shí)期，集成電路規(guī)模飛速發(fā)展，引線間距不斷減小，以至于到后來在工作過程中達(dá)到技術(shù)所能支撐的極限。在這種情勢下，BGA的出現(xiàn)在很大程度上解決了遇到的問題。它以面陣列、焊球凸點(diǎn)為I/O引腳，大大提高了封裝的密度，進(jìn)入了爆炸性發(fā)展時(shí)期。
2 當(dāng)前廣泛應(yīng)用的電子封裝技術(shù)
2.1 BGA／CSP封裝技術(shù)
BGA封裝即球柵陣列封裝，是在封裝體基板的底部制作陣列焊球并作為電路的I/O端與PCB（印刷線路板）互連的技術(shù)。目前市場上出現(xiàn)的BGA封裝，按基板種類主要分為PBGA（塑封BGA）、CBGA(陶瓷BGA)、CCGA（陶瓷焊柱陣列）、TBGA（載帶BGA）、MBGA（金屬BGA）、FCBGA（倒裝芯片BGA）、EBGA（帶散熱器BGA）等。BGA封裝自感或互感效應(yīng)小，信號傳輸延遲小，工藝技術(shù)操作起來方便快捷，產(chǎn)品制作成功率高。不過封裝時(shí)對空氣濕度較敏感。
CSP即芯片尺寸封裝，是目前最先進(jìn)的集成電路封裝形式之一。與BGA結(jié)構(gòu)基本一樣，只是錫球直徑和球中心距縮小變薄了，這樣在相同封裝尺寸時(shí)可有更多的I/O數(shù)，使組裝密度進(jìn)一步提高，可以說CSP是縮小了的BGA。目前CSP封裝可分為LFT（傳統(tǒng)導(dǎo)線架形式）、RIT（硬質(zhì)內(nèi)插板型）、FIT（軟質(zhì)內(nèi)插板型）以及WLP（晶圓尺寸封裝）。
CSP的特點(diǎn)為組裝時(shí)占用印制板的面積小，可用于薄型電子產(chǎn)品的組裝；重量是相同引線數(shù)的QFP的1／5以下；在相同尺寸的各類封裝中，CSP的輸入／輸出端子密度允許做的更大。
2.2 多芯片組件封裝技術(shù)
多芯片組件封裝簡稱MCM技術(shù)，是將兩個(gè)或以上的大規(guī)模集成電路的裸芯片共同封裝于同一個(gè)外殼內(nèi)。按基板進(jìn)行分類有厚膜MCM、薄膜MCM、陶瓷MCM和混合MCM。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了封裝的高密度化、小型化和輕量化，可靠性也得到提高。但缺點(diǎn)是MCM成本較高，并且由于高集成度而使器件熱量集中無法快速擴(kuò)散，成為阻礙電子技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)主要因素。
2.3 倒扣芯片技術(shù)
倒扣芯片技術(shù)簡稱FCT，在當(dāng)前也是一項(xiàng)廣為應(yīng)用的技術(shù)形式。它與以往的組裝形式正好相反，將芯片有源區(qū)面對基板進(jìn)行鍵合。之前一直未獲得廣泛應(yīng)用的原因主要是價(jià)格成本高和工藝復(fù)雜等。該技術(shù)在芯片和襯底之間的間隙采用底層填充料進(jìn)行填充，改善了芯片和襯底熱膨脹系數(shù)失配問題。
2.4三維電子封裝技術(shù)
疊層芯片封裝簡稱3D封裝，是指在不增加封裝組件體積的情況下，在豎直層面上疊加兩個(gè)以上的芯片。近年來，疊層芯片封裝逐漸成為封裝技術(shù)的發(fā)展主流。與常規(guī)封裝技術(shù)相比，三維封裝尺寸和重量進(jìn)一步減小，信號傳遞延遲現(xiàn)象有所改觀，并最終達(dá)到了高速、高效和高可靠性的工作狀態(tài)。
3微電子封裝的新動(dòng)態(tài)
從20世紀(jì)70年代的通孔插裝到目前的三維系統(tǒng)封裝，電子封裝技術(shù)無論是在封裝材料、封裝技術(shù)還是封裝的應(yīng)用等方面幾經(jīng)變遷，不斷完善，對人類生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。隨著電子工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，電子封裝領(lǐng)域又發(fā)生了一些改變。
3.1 新型復(fù)合材料
目前廣泛使用的電子封裝材料有金屬、金屬基復(fù)合材料、玻璃、塑料、陶瓷等等。隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，單一基體的封裝材料已無法適應(yīng)時(shí)代的需求，所以迫切地需要開發(fā)新型復(fù)合基材料。由于現(xiàn)今科技的發(fā)展，電子封裝材料不僅要具有更高的熱導(dǎo)率及與芯片熱膨脹系數(shù)的匹配性，還應(yīng)具有更低的密度。在對大量的復(fù)合材料進(jìn)行各種性能比對后，Beo、AIN、Al／SiC與AISi由于具有高熱導(dǎo)率、低密度及與芯片材料良好的熱膨脹匹配性等優(yōu)點(diǎn)而脫穎而出，并已經(jīng)逐步取代常規(guī)的一些封裝材料。
3.2 無鉛焊料
新型的無鉛焊料優(yōu)點(diǎn)突出，除了機(jī)械性能優(yōu)良和穩(wěn)定性高外，原料價(jià)格也較便宜，慢冷時(shí)焊接表面的孔洞較少。但是這種焊料的熔點(diǎn)普遍偏高，浸潤性也比較差，不利于操作，這些將是研究無鉛焊料亟待解決的問題。通過各種性能測試試驗(yàn)，已篩選出的可投入使用的無鉛合金焊料達(dá)幾百種之多，其中SnAgCu、SnZnBi、SnCu等幾類頗受市場青睞。
3.3低溫焊接技術(shù)
近年來雖然一直在盡力推廣應(yīng)用無鉛焊料，但是由于大部分無鉛焊料的熔點(diǎn)都較高，導(dǎo)致無鉛焊料在使用時(shí)需要消耗更多的能源。另外，廢舊產(chǎn)品處理的難度大、成本高也是必須面對的現(xiàn)實(shí)。因此，使用低熔點(diǎn)的無鉛焊料，實(shí)現(xiàn)無鉛焊料的低溫焊接就顯得尤為重要。使用低溫焊接技術(shù)，可以大大降低連接時(shí)的熱應(yīng)力，降低成本，產(chǎn)品廢棄后處理也較容易，有實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的可能。
4結(jié)語
電子封裝技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到電路板以及整個(gè)工作器件的性能發(fā)揮和工作壽命的長短。芯片封裝技術(shù)幾經(jīng)升級，但始終還是不夠完善。仍然需要在攻克關(guān)鍵性的技術(shù)瓶頸、考慮其市場占有價(jià)值、注重其可持續(xù)發(fā)展等方面不斷進(jìn)取，完成產(chǎn)業(yè)從量向質(zhì)的轉(zhuǎn)變。
本文根據(jù)我國封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對未來的發(fā)展給出了幾點(diǎn)建議：
(1)攻克技術(shù)瓶頸。在電子封裝不斷向高集成化、輕量化、高性能化發(fā)展的同時(shí)著力解決散熱問題、信號傳輸延遲問題、噪聲干擾問題等。
(2)注重環(huán)保。實(shí)施綠色電子制造和采用綠色電子封裝材料。全面采用無鉛、無鹵素及免清洗材料；導(dǎo)電膠成為替代無鉛釬料的另外一種材料與無鉛釬料共同發(fā)展。
(3)降低成本。不斷延長電子器件的使用壽命，用有機(jī)導(dǎo)電聚合物代替合金焊料，研究下部填充樹脂，提高廢棄元器件的回收技術(shù)，增加二次利用率。
(4)關(guān)注應(yīng)用在特殊領(lǐng)域的電子產(chǎn)品。對各種高溫、潮濕等惡劣工作環(huán)境或者對電子元器件有特殊要求的某些場所，研究具有針對性的封裝方式。
摘要：隨著電子產(chǎn)品向小型化、高集成度的方向發(fā)展，電子產(chǎn)品的封裝技術(shù)已逐步邁入到微電子封裝時(shí)代。電子產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界最活躍、最重要的產(chǎn)業(yè)之一。回顧了電子封裝的發(fā)展歷程，著重介紹了當(dāng)今一些被廣泛應(yīng)用的封裝形式，討論了電子封裝領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢。最后，根據(jù)研究現(xiàn)狀給出了發(fā)展我國微電子封裝技術(shù)的建議。
