电子封装-第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版文本样式,*,电子封装材料,2008,2009,学年 第二学期,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,第一章 电子封装技术概述,3,、从电子封装技术到电子封装工程,3.1,电子封装技术的体系和范围,3.2,电子封装工程的主要课题,3.3,电子封装材料,3.4,电子封装发展的国内外现状,电子封装工程的定义封装概念,“封装”的由来：,真空电子管时代， “组装或装配”,将电子管等器件安装在管座上构成电路设备,50,多年前，三极管出现，,30,多年前，,IC,等半导体组件出现,因为,一方面，半导体组件细小柔嫩,另一方面，性能高，功能多，规格多。为了充分发挥其功能，需要补强、密封、扩大，以便实现与外电路可靠的电气连接并得到有效的机械、绝缘等方面的保护作用。,由此发展了“封装”的概念,电子封装的发展过程图,电子封装工程的定义半导体器件制作工程,半导体器件制作过程,前工程：,从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体组件卫电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。,电子封装工程的定义半导体器件制作工程,半导体器件制作过程,后工程：,从由硅圆片切分好的一个一个的芯片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。,前工程、后工程区分以硅圆片切分成芯片为界,从半导体和电子元器件到电子机器设备图,电子封装工程的定义狭义的封装,狭义的封装,在后工程中完成,利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其它构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。,前图所示的封装工程是指将封装体与基板连接固定，装配成完整的系统或电子机器设备，以确保整个系统综合性能的工程。,电子封装工程的定义广义的封装工程,广义的电子封装工程,狭义的封装、实装工程、基板技术的总和,将半导体、电子器件所具有的电子的、物理,的功能，转变为适用于机器或系统的形式，,并使之为人类社会服务的科学与技术，统称,为电子封装工程。,电子封装工程的定义,按照特征尺寸的量级，电子封装工程的四个层次图,狭义的封装：,从半导体芯片到,50,微米的工程领域为,实装工程,将封装体连接于基板之上,四个层次构成了电子封装工程,电子封装工程的定义,电子封装工程的各个方面：,随半导体大规模集成电路技术的进展及电子机器设备向轻量、小型、多功能等方向的发展，对电子封装工程提出越来越高的要求。例如，超高性能化、薄型小型化、多端子引线、高频、大功耗以及高可靠性等等。这意味着电子封装工程所涉卫的科学技术颂域越来越多，范围越来越广，问题的难度也越来越大。,电子封装技术的构成及相关的技术、产业领域,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,电子封装工程的范围,电子封装属于复杂的系统工程,工艺上讲，四大基础技术：,薄厚膜技术、基板技术、微细连接技术、封接及封装技术，及由此派生出的各种各样的工艺问题,从材料上讲，涉及到各种类型的材料,如焊丝框架、焊剂焊料、金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉料、表面活性剂、有机粘结剂、有机洛剂、金属浆料、导电填料、感旋光性树脂、热硬化树脂、聚酞亚胺薄膜、感旋光性浆料，还有导体、电阻、介质及各种功能用的薄膜厚膜材料等。,从设什、评价、解析技术讲，涉及到,膜特性、电气特性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析、评价与检测,电子封装工程的范围,电子元器件的轻、薄、短、小、高性能，以及芯片向高集成度、高频率、超高,1,O,端子数方向发展，对电子封装提出越来越高的要求。包括：,封装的引脚门（引线）数越来越多，引脚节距越来越小，封装厚度越来越薄，封装面积越来越小，封装体在基板上所占的面积比例越来越大,增加封装工艺难度的同时，对电路系统的涉及（如采用,CAD,CAM,CAT,系统）及制造、生产装置等提出更严格的要求,设计系统及制造、生产装置的进步对电子封装产生了巨大的促进作用,电子封装的各个阶段,电子封装工程的范围层次划分,以超级计算机，,ISDN,（综合服务数字网络系统为例，设备构成在装配的各个阶段的层次为：,1,层次,指半导体集成电路组件,(,芯片,),半导体厂商提供,系列标准芯片,针对系统用户特殊要求的专用芯片,可称为未加封装的裸芯片更为确切。,确保芯片质量非常关键,保证芯片的功能符合要求及足够高的初期合格率,电子封装工程的范围层次划分,2,层次 ，包括：,单芯片封装：对单个裸芯片进行封装,多芯片组件：将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上，进行气密性封装（,MCM,）：,将多只确保质量的好管芯封装在多层互连基板上,与其它元器件一起构成具有部件或系统功能的多芯片组件,伴随着集成电路组件的高速、高集成化而产生,与单芯片封装相比，,MCM,具有更高的封装密度,能更好地满足电子系统微型化的需要,电子封装工程的范围层次划分,2,层次 ，包括：,单芯片封装：对单个裸芯片进行封装,多芯片组件：将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上，进行气密性封装（,MCM,）：,如,DIP,方式将多个单芯片封装在,PCB,上，则元器件间布线过长，布线的分布电客及布线的电阻会造成信号的延迟、损耗，难以发挥集成电路组件高速、高集成化的优势,MCM,技术是电子封装的发展趋势,电子封装工程的范围层次划分,3,层次,指构成板或卡的装配工序，将多数个完成层次,2,的单芯片封装和,MCM,，实装在,PCB,板等多层基板上，基板周边设有插接端子，用于与母板及其它板或卡的电气连接。,4,层次,称为单元组装。将多个完成层次,3,的板或卡，通过其上的插接端子，措载在称为母板的大型,PCB,板上，构成单元组件。,电子封装工程的范围层次划分,5,层次,指将多个单元构成架，单元与单元间用布线或电缆相连接,6,层次,即总装。将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大规模电子设备,电子封装工程中，一般称层次,1,为,0,级封装，层次,2,为,1,级封装，层次,3,为,2,级封装，层次,4,、,5,、,6,为,3,级封装,电子封装工程的涉及的技术、材料、工序范围,芯片封装基板实装基板安装到电子机器设备或系统,以封装涉及的几何维数考虑，可分解为：,点，零维：,通过点的键合实现电气导通，如引线连接的键合点、倒装片的接点、回流焊的键合点等,线，一维：,通过金丝或布线实现电气连接，如键合引线、带载引线、电极布线、电源线、接地线、信号线等。,面，二维：,通过封接实现面与面的紧密接触，以保证固定、密封、传热等，如导电浆料所起的作用,典型的平面（球栅）阵列封装结构,电子封装工程的涉及的技术、材料范围,电子封装工程的涉及的技术、材料、工序范围,体，三维：,通过封装，将可塑性绝缘介质经模注、灌封、压入等，使芯片、中介板（或基板）、电极引线等封为一体，构成三维封装体，起到密封、传热、应力缓和及保护等作用。狭义的封装即指此过程,块，多维：,指带有电极引线端子的封装体。块与基板的连接即为实装。实装方式有针脚插入型,(,如,DIP),，平面阵列针脚插入型,(,如,PGA),，表面贴装型,(,如,QFP),，平面阵列表面贴装型,(,如,BGA),等,板，三维：,指实装有半导体集成电路组件，,L,、,C,、,R,等分立组件，变压器和其它部件的基板。由板通过插入、机械固定等方式安装成为系统或整机,电子封装工程的涉及的技术、材料、工序范围,电子封装工程中键合、连接、封接、封装、实装、安装等术语含义,名词术语不统一，同一术语所指内客不同，相同内客采用不同术语,封装：,指上述构成“体”的过程，或指封装体本身,封装技术：,从点、线、面到构成体的全部过程及工艺,“实装”,指上述体与板的连接过程及工艺,电子封装工程,包括上述所有方面,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,电子封装的功能,电子封装的功能,芯片电气特性的保持功能：,最主要的功能，,PKG,的迅速进步，正是为了充分保持芯片的固有特性，满足不断发展的高性能化、小型化、高频化等方面的要求,芯片的保护功能：,保护芯片表面以及连接引线等，使在电气或物理等方面相当柔嫩的芯片免受外力损害及外部环境的影晌。,PKG,是半导体器件的外缘，是芯片与实装基板间的界面,应力缓和功能：,通过,PGK,使芯片的热膨胀系数与基板的热膨胀系数相匹配，并与外界环境相隔离。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自发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。,DIP,为例的功能说明,DIP,是仍在广泛使用的,PKG,技术,芯片电气特性保持：,芯片由,Au,浆料固定在陶瓷底座上，蒸镀,AI,的,Fe,Ni,系金属引线端子一端通过,AI,丝键合与芯片电极连接，另一端伸到,PKG,之外,芯片保护：,底座与陶瓷盖板由玻璃封接，使芯片密封在陶瓷之中与外界隔离,DIP,为例的功能说明,应力缓和：,玻璃，封接密封作用，应力缓和作用，玻璃过渡后，陶瓷与,Fe,Ni,系金属的热膨胀系数相匹配。,尺寸调整配合：,芯片的电极间距较大，用引线框架即可完成尺寸调整（间距变换）的功能，一般,DIP,引线端子的节距为,2.54mm,。,可靠性试验：主要针对封接玻璃进行（焊接的热循环过程中，出现裂纹,?,防止热膨胀失配,?,）,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,电子封装分类,发展极为迅速，种类繁多、结构多样，发展变化大。,分类的方法很多，可,按芯片的装载方式（一级封装）,基板类型,封接方式,PKG,的外形、结构、尺寸,实装方式（二级封装）,按芯片的装载方式（一级封装）分类,按芯片的装载方式（一级封装）分类,按芯片上有电极的一面相对于装载基板来说是朝上还是朝下来分：,正装片,倒装片（,fliP,chip,）,按芯片的电气连接方式来分,有引线键合方式,无引线键合方式,倒装片键合,TAB,（自动键合带）,微机械键合之分,按芯片的装载方式（一级封装）分类,引线键合方式,用,Au,、,AI,、,Cu,等极细的金属丝（通常直径为,35,微米，功率元件用数百微米）分别在两个端子进行键合连接。不需要对端子进行预处理，定位精度较高，作为通用连接方式广泛采用。,缺点,要多个端子进行键合，作业速度慢,引线必须向上或向下拐弯，需要一定的高度，因此不利于薄型封装。,按芯片的装载方式（一级封装）分类,无引线键合方式中，要对,LSI,芯片电极（,AI,电极）预处理，形成半球形的凸点（焊台）,通过中间阻挡金属层，附上,Au,、,Cu,等凸点。在倒装片微互联时，使凸点直接与基板上相应的布线电极相接触，键合一次完成。,按芯片的装载方式（一级封装）分类,TAB,键合方式。芯片装载在预先布好线的有机带基上。适合薄型高密度封装，便于自动化操作。,按基板类型分,基板的作用：,措载、固定电子元器件，利用其表面或内部形成的电路图形，进行电路连接，同时兼有绝缘、导热、隔离及保护元器件的作用。,电子封装不断向小型、细引线间距、立体化、高频、大功率密度等方向发展，对基板提出越来越高的要求。,不同的封装类型总是对应着不同类型的基板。,从材料上，分有机基板和无机基板两大类,从结构上，分单层（包括柔性带基）、双层、多层、复合基板等。,按封接或封装方式分,半导体元件的封接或封装方式分：,气密性封接,树脂封装,封接和封装的目的：,与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，起保护和电气绝缘作用，同时还可实现向外散热及应力缓和,一般说来，气密封装可靠性较高，价格贵。目前由于封装技术及材料的政进，树脂封装已占绝对优势，在有些特殊颂域，气密性封装必不可少的。,按封接或封装方式分,半导体元件的封接或封装方式分：,气密性封接,树脂封装,封接和封装的目的：,与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，起保护和电气绝缘作用，同时还可实现向外散热及应力缓和,一般说来，气密封装可靠性较高，价格贵。目前由于封装技术及材料的政进，树脂封装已占绝对优势，在有些特殊颂域，气密性封装必不可少的。,按,PKG,的外形、尺寸、结构分类,按外形，主要是根据,PKG,接线端子的排布方式对其进行分类。依靠,PKG,的发展顺序，先后出现,DIP,、,PGA,QFP,、,BGA,CSP,等几大类,按封装材料、封装器件封装结构分类,我国多采用按照封装材料、封装器件和封装结构的分类方法，,按封装材料、封装器件封装结构分类,我国多采用按照封装材料、封装器件和封装结构的分类方法，,按封装材料、封装器件封装结构分类,我国多采用按照封装材料、封装器件和封装结构的分类方法，,按封装材料、封装器件封装结构分类,我国多采用按照封装材料、封装器件和封装结构的分类方法，,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属封装,1956,，,1st,晶体管，开始金属封装,1965,，,1st,实用化集成电路，促进金属封装的发展。开始用,TO,型封装，后来干板直插式、浅腔直接式和扁干式封装，管脚数从,38 10 12 14 16 24 28 32 34 42 68 92,基本工艺仍然是金属玻璃封接工艺,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属封装,封装精度高、尺寸严格、金属零件以冲、挤为主，便于大量生产,价格低廉、性能优良、芯片放置客易，应用灵活,仍广泛用于晶体管、混合集成电路，,目前许多微封装电路、多芯片组件（,MCM,）也采用金属封装,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,陶瓷封装,由于集成度,，规模,，要求封装引线数,国际上,20,世纪,60,年代发明双列直插封装（,DIP,）,电、热性能优良，可靠性高,随着多层陶瓷工艺的引进，我国于,20,世纪,70,年代初掌握了多层陶瓷技术，并开发出双列直插封装（,DIP,）和扁干封装（,FP,）,目前，标准,DIP,封装已完全系列化，引线数为,4,64,，引线节距,2.54mm,。,高性能、高可靠集成电路领域仍占主导地位。,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,陶瓷封装,大规模集成电路（,LSI,）高性能、高速度和高密度发展,DIP ,满足,LSI,、,VLSI,的集成度不断增长需求的封装技术,高密度封装技术,无引线片式载体,(LCCC),、塑料有引线片式载体（,PLCC,）、四边引线扁平封装（,QFP,）和针栅阵列封装（,PGA,）,美国,20,世纪,70,年代初首先推出，,20,世纪,80,年代初标准化。,特点,:,封装从两边向周边发展，又从周边向整面阵列发展,引线节距,2.54mm L 27mm,或更小,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,陶瓷封装,我国，,80,年代末期，第一代高密度封装产品,目前,LCCC 16132,基本形成系列,PGA72257,基本形成系列,QFP 16244,基本形成系列,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属、陶瓷封装,以传统多层陶瓷工艺为基础，以金属和陶瓷材料为框架,我国，,20,世纪,70,年代开始发展，主要用于微波毫米波二极管、微波低噪声三极管、微波毫米波功率三极管和单片集成电路,微波毫米波领域应用封装的电参数要求很苛刻,典型参数有引线电感、引线电阻、输入输出电客、输入输出特性阻抗、电压驻波比、隔离度、谐振频率、插入损耗等,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属、陶瓷封装,我国在,20,世纪,70,年代中期开发了,GaAs,器件，首先从低噪声器件开始，先后,推出,6,18GHZ,系列产品，百后又向功率器件发展，到,80,年代进入深入发展的时,期，,Ga,AS,材料、低噪声器件、功率器件乃至微波毫米波集成电路在品种、功能、频,域上都取得了长足的进步。当然，这一切都离不开封装的重要支撑。微波器件已,覆盖,P,、,L,、,S,、乙,Kll,各个波段。百封装基本上以带线结构为主。这些封装的器件,已广泛用于卫星通信等电子系统之中。,至于微波毫米波单片电路（,MMIC,）的封装主要有四类：一类是采用多层陶瓷,工艺制造，其结构与微波器件金属陶瓷封装相似厂类是金属框架和多层陶瓷绝缘,子成一体的结构；三类是陶瓷和玻璃的结构；四类是基片载体。各类均有良好的频,率性能、高的隔离度和小的电压驻波比。使用这些封装的,MMIC,，研制已进入,smm,波段。,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属、陶瓷封装,严格设计，器件的频率、功率、噪声和增益达到要求,解诀不同膨胀系数材料的不匹配封接的关键技术，才能保证封装的可靠性,因为这类封装必须把多层陶瓷件和多种材料如钨铜、可伐、镍、银铜等的金属零件封接在一起,从封装结构上，微波毫米波二极管封装一般采用同轴结构，按照同轴传输线模式来设计结构紧凑、尺寸严格、应用方便,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,金属、陶瓷封装,我国，,20,世纪,70,年代，开发,GaAs,器件,低噪声器件,6,18GHz,产品功率器件发展，离不开封装的重要支撑,微波器件已覆盖,P,、,L,、,S,、,C,、,Ku,各个波段。封装基本上以带线结构为主。,微波毫米波单片电路（,MMIC,）的封装,一类是采用多层陶瓷工艺制造，其结构与微波器件金属陶瓷封装相似，二类是金属框架和多层陶瓷绝缘子成一体的结构，三类是陶瓷和玻璃的结构，四类是基片载体,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,塑料封装,我国，起步于,20,世纪,70,年代，开始于塑料双列直插外壳（,PDIP,），,基本工艺：芯片,减薄,划片,粘片,键合,塑封,去毛刺,去筋,分离,打弯成形,测试,成本低廉、工艺简单，适于大批量生产，具有极强的生命力,我国电子封装的发展水平（到,20,世纪,90,年代中期）,塑料封装,自诞生起发展越来越快，在封装中占的份额越来越大。目前塑料封装占世界集成电路封装市场的,95,以上，在我国也是如此,品种也越来越多，在,80,年代末期，开发了塑料四边引线扁干封装（,PQFP,）、塑料小外形封装（,PSOP,）和塑料有引线片式载体（,PLCC,）,90,年代又继续开发了,TPQFP,、,TSOP,以卫,IC,卡的封装。引线节距不但从,PDIP,的,2.54mm,减小到,PSOP,的,1. 27mm,和,0.65mm,，封装厚度也从,PDIP,的,3.6mm,减少到,PQFP,的,2.0mm,，进而减少到,TPQFP,的,1.4mm,以下,几种典型的,PKG,类型,DIP,（,dual in-line package,，双列直插式封装）,最早,PKG,，针脚分布于两侧，直线平行布置，直插入印制线路板，实现机械固定和电气连接。,仅利用,PWB,单面,针脚直径、间距都不能太细，故,PWB,上通孔直径、间距乃至布线间距都不能太细,难以实现高密度封装,几种典型的,PKG,类型,PGA,（,pin grid array package,，针栅阵列插入式封装）,DIP,的基础上发展，适应高速度、多针脚化,针脚在整个平面呈栅阵排布,针脚间距不变，针脚数按近似干方的关系提高,采用导热性良好的陶瓷基板，可适应高速度、大功耗器件的要求,有向外伸出针脚，用插入式实装，不用表面实装,用陶瓷基板，价格高,多用于较为特殊的用途。,CPU,的封装,PGA,（,Pin Grid Array Package,）,几种典型的,PKG,类型,QFP,（,quad flat pack package,，四边引线线扁平封装）,由,SOP,（,small outline package,，小外形表面封装）发展而来,外形扁平，鸟翼形引线端子的一端由,PKG,的四个侧面引出，另一端沿四边布置在同一平面上,由,QFP,派生出的,PKG,：,LCCC,PLCC,以及,TCP,几种典型的,PKG,类型,QFP,（,quad flat pack package,，四边引线线扁平封装）,用,SMT,（,surfac,mount technology,表面贴装技术）方式实装在基板上，非针脚插入,PWB,通孔,通过焊料等贴附在,PWB,表面电路图形上。,PWB,两面可形成不同的电路，用整体回流焊等方式可使两面上搭载的全部元器件一次键合完成，便于自动化操作，实装的可靠性有保证。,目前最普遍采用的,PKG,形成,QFP,引线端子四周边布置，伸出,PKG,之外,若引线间距过窄、引线过细，则端子更为柔嫩，制造及实装过程中发生变形等。当端子数超过几百个，端子间距等于或小于,0.3mm,时，要精确地搭载在电路,tu,图形上并与其他电路元件一起采用再流焊一次完成实装，难度极大，需要采用专用自动搭载机以及高超的技能，致使价格剧增，而且还存在可靠性及成品率方面的问题,几种典型的,PKG,类型,QFP,（,quad flat pack package,，四边引线线扁平封装）,用,SMT,（,surfac,mount technology,表面贴装技术）方式实装在基板上，非针脚插入,PWB,通孔,用焊料贴附在,PWB,表面电路图形上,PWB,两面可形成不同电路,用整体回流焊等方式两面搭载全部元器件一次键合完成便于自动化操作，保证实装可靠性,目前最普遍采用的,PKG,形成,几种典型的,PKG,类型,QFP,（,quad flat pack package,，四边引线线扁平封装）,技术难度大,QFP,引线端子四周边布置，伸出,PKG,之外,引线间距过窄、引线过细，则端子更为柔嫩，制造及实装过程中发生变形等,当端子数超过几百个，端子间距,0.3mm,，精确搭载在电路图图形上，与其他元件一起用再流焊一次完成实装，难度极大,用专用自动搭载机、高超的技能价格剧增，可靠性、成品率的问题,J,字型引线,端子的,PLCC,可缓解矛盾，不能根本解诀,几种典型的,PKG,类型,BGA,（,ball grid array,，球栅阵列封装）,PGA,：端子平面阵列布置，插入式的针脚换成键合用的微球,QFP,：用,SMT,等由一次回流焊完成实装,发展了,BGA,几种典型的,PKG,类型,BGA,（,ball grid array,，球栅阵列封装）,与电路图形的自对准功能,所占实装面积小,端子间距要求不苛刻,便于实现高密度封装,具有优良的电学性能等,几种典型的,PKG,类型,BGA,（,ball grid array,，球栅阵列封装）,从形式上看,BGA,主要有下面几种类型：,PBGA,（,plastic ball grid,aray,，以印制线路板为封装基板的,BGA,CBGA,（,ceramic ball grid,aray,，以陶瓷基板为封装基板的,BGA,FBGA,（,tape ball grid,aray,），带载,BGA,SBGA,（,super ball grid array,），以覆铜基板为封装基板（,interposer,）的,BGA,几种典型的,PKG,类型,BGA,（,ball grid array,，球栅阵列封装）,BGA,的技术发展趋势：两极化的发展,其一：满足多功能、高性能的电子机器设备为主要目标多引脚、高速化为其主要特怔,其二：满足多功能、轻量小型、便携的电子机器设备为主要目标，以小型化为其主要特怔。,几种典型的,PKG,类型,CSP(chip,size package),，芯片尺寸封装,1996,年提出,与芯片尺寸几乎同样大小，具有半导体封装功能（互换性、质量保证、保护芯片及实装客易等）的球栅阵列型封装,目前正在迅速发展中,CSP,具有各种结构，非新的封装类型,几种典型的,PKG,类型,CSP(chip,size package),，芯片尺寸封装,CSP,特怔：,与芯片尺寸等同或略大的封装的总称。,封装形式上属于已有封装形式的派生品，按现有封装形式分类：,BGA,、,LGA,、,SON,成本高、便携式信息电子设备用。标准化、一次回流焊特性与,QFP,相当,外观（实装时的互连结构）、内部连接方式上均有多种不同结构,积极开发极限超小型封装，适应一般便携式信息设备中实现超高密度化封装需要,发展极为迅速，新,CSP,结构不断出现。,按外形分为：平面阵列端子型、周边布置端子型,几种典型的,PKG,类型,CSP(chip,size package),，芯片尺寸封装,平面阵列端子型,CSP,FBGA,的开发、应用最为广泛的，用于逻辑器件、存储器件,周边布置端子型,CSP,SON,、,QFN,等无引线小型封装，用于存储器件卫低价位逻辑器件等。,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,电子封装可按实装方式来分类,DIP,实装型：,DIP,、,PGA,SMT,实装型,: QFP,、,BGA,CSP,均属于二级封装。,电子器件的发展趋势：小型、多功能、高速化,电子封装的发展趋势：总体结构发展变化很快，新的封装、实装类型不断出现,为减小封装体积、减少封装环节，封装的许多功能由基板来承担：,COX,、,KGD,各种实装方式,各种实装方式,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,汇聚大规模系统的中枢电路部分，以多个,LSI,芯片的模式高密度实装于同一块布线基板上：,MCM,电子封装中兼有,IC,功能，用内藏积层电阻、电容、电感元件的多层基板,用集多种存储器于一体的逻辑芯片（,SOC,）并实装为,MCM,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,COX,（,chip on X,），裸芯片直接装载在布线基板上的,X,基板，随场合、用途不同，,X,可以是：有机膜片、印刷电路板、陶瓷基板、玻璃基板、硅片基板,LSI,的端子电极,可采用引线键合的连接方式,一般采用倒装片方式装载在带焊盘的,TAB,、或各类基板上,多采用三维布线的多层基板实现高密度实装,需要解诀,LSI,芯片与布线基板,X,间的热膨胀系数匹配,需要解诀实装后的检查、维修、保护,直接操作裸芯片，实装工程在超净工作环境进行,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,MCM,（,multi chip module,，多芯片组件,）,，将大型通用计算机、航天设备及高级计测设备用的关键部分集中在一起，以高性能为第一目标，作成模块式,价格比较贵,，,20,世纪,80,年代初发源于美国,从结构上，可将其分为三大类,：,MCM,C,采用各种陶瓷多层基板,MCM,L,（,lamination,）采用多层,PWB,基板,MCM,D,（,deposition,）以薄膜光刻技术为基础，采用细引线间距多层布线基板。如陶瓷上薄膜（,thin film on ceramics,），,SOS,。基板也是在与,LSI,相近的制造环境下制作,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,WSI,（,wafe,scale integration,，硅圆片规模的集成封装,）,基本思想,：实现硅,片上系统,将,必要的回路按功能分类,，作,在同一块硅片上,，由,硅片上的布线连接。如将,CPU,、存,储器、辅助电路作在同一,硅片上的,计算机,除单片型外，还有利用硅片布线基板的所谓硅上硅,（,SOS,，,Si,on,Si,）方式的混合型,。,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,WSI,（,wafe,scale integration,，硅圆片规模的集成封装,）,混合型的特点：,与硅基板的热膨胀系数相同，可搭载任意尺寸的,LSI,基板一侧也能形成电路元件；,可在同一硅基板上搭载制作工艺不同的,LSI,各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）,SOC,（,syste,on a chip,，即芯片上系统,将,COM,、存储器、,ASIC,及其他元件等异种回路混载于同一芯片上的逻辑电路,随,LSI,技术成熟、成品率提高，这种更高形式的异种电路集成的设想已逐渐变成现实,这种异种回路的集成再配以上述的,COX,MCM,、,WSI,等封装技术，可大大提高电子封装密度。,各种封装方式断面面积的比较,封装底面积比,A:E=3:1,封装体积比,A:E=10:1,现状与趋势,现状,大批量电子产品用的封装方式以,SMT,（包括,QFP,、,BGA,CSP,等）为主，,向,COX,过渡。,R&D,集中于,MCM,、,WSI,等,从价格性能比考虑，后几种方式完全替代,SMT,不现实,将进入,DIP,（包括,PGA,等）、,SMT,、,COX,MCM,、,WSI,多种封装方式共存的时代,趋势,器件不是裸芯片，是带有各种保护的,EPC,但随电子封装工程的发展，,PKG,的功能正逐渐由实装基板来承担,KGD,（确保质量芯片）：不采用封装基板、且不带任何保护的裸芯片封装，仅保留保持电气特性的功能,现状与趋势,趋势,不采用封装基板，芯片直接微互联在母（基）板上的方式（,KGD,） ，分：,FC,倒装片、非,FC,传统意义的,FC,：不加任何保护的裸芯片实装，,FC,分：,加保护的,EPC,和裸芯片,FC,封装相关的技术课题,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,封装相关的技术课题,大型电子设备系统的装配、封装层次,一个系统构成往往需要若干个装配、封装阶段，即分成若干个层次,每个层次以及各层次间的配合对于保证整个系统的性能至关重要,层次的划分有利有弊：,利：便于制造、运输与保管,弊：增加了接线端子（信息、电源、,GND,）,系统的大型化、信息量的增加、端子数急剧增加,对端子的可靠性提出更高的要求,封装相关的技术课题,高速，多端子、高密度、高发热与高可靠性、低价格、轻量化、小体积之间也存在着矛盾,系统高速化,IC,元件间连接线尽量短用高密度封装技术：在层次,2,中应采用,MCM,系统高速化、连接线缩短、封装密度提高单位面积或单位体积内的发热密度迅速增加,发热密度增加，半导体,pn,结温度升高系统的可靠性变差，寿命缩短,关键问题：因此，如何有效冷却模块及系统。超级什算机和大型什算机等大规模电子系统，用液体冷却或介质相变冷却等成本冷却方式；对于,EWS,、微机、微处理等桌上或便携系统，需要采成本空冷方式,封装相关的技术课题,信号的高速传输：对应第,3-6,层次，对于,2,层次中用单芯片封装而用,MCM,的情况尤为重要,应保证布线长度最短、布线长度偏差最小,布线越短越好,保证电气信号衰减和延迟最小,避免同时开关造成的噪声,精心设计布线、各条信号线定时特性,控制布线长度偏差达到最低限度,封装相关的技术课题信号的高速传输,信号的高速传输：,采用多层布线基板,降低反射噪声、串扰噪声、接地噪声,3,层次用,PWB,板，,4,层次单元中担当卡间布线的母板，,2,层次中,MCM,用多层布线板中，都要采取相应措施降低反射噪声、串扰噪声以及接地噪声,保证各层次间连接用插接端子及电缆的特性阻抗相匹配,要开发高层数、高密度的多层布线基板,封装相关的技术课题信号的高速传输,信号的高速传输：,开发特性阻抗匹配的多端子插接板,通常，插接端子的特性阻抗,100,电缆及多层布线板的特性阻抗（例如,50,）难与之匹配,减小接触力，采用,ZIF,（,zer,insertion force,，零接触力）型插接端子,每个插接端子的接触力大约为,1N,，如搭载,1000,个端子的插接板卡，则需要,1000N,结构设什较为困难,开发光插接端子。,封装相关的技术课题,高效率冷却、散热,高效率冷却、散热,与,2,6,层次相关联，,LSIC,必须考虑的问题,节能要求,IC,本身做到低功耗，工作电压越来越低,但：随集成度提高、信号速度增加功耗不断上升,随发热密度增加，高效散热手段从自然空冷强制空冷液体冷却、介质相变冷却方向发展,成本、体积角度,大型电子设备系统可承受先进的冷却方法,桌上或便携系统（,EWS,、微机、微处理器、手机等），必须用普通空冷当务之急是提高冷却效率,特别是,2,层次采用,MCM,技术时，要开发相应的各种高效冷却技术,封装相关的技术课题高密度化,高密度化，与,2,、,3,层次相关联,2,层次中用单芯片封装时，要开发超过,2000,个,I,O,端子的多引脚封装及相适应的表面型封装技术,3,层次中，为了满足,QFP,、,PGB,、,LGA,、,TAB,、,BGA,、,CSP,等超小型、多引脚封装表面实装的要求，需要开发新的,SMT,技术,为满足系统高速、多功能的要求，,2,层次中必须开发,MCM,封装。,MCM,封装相关技术渐成熟。随市场规模扩大，价格渐降低。,封装相关的技术课题防止电磁波干扰技术,防止电磁波干扰技术，与,5,、,6,层次相关联。,架内单元与单元间连线（第,5,层次）及架间连线（第,6,层次）如同天线，会产生电磁干扰（,EMC,、,EMI,）,频率越高越严重,采用光缆是最好的解诀办法,光缆通过光波传输信号，不产生,EMC,和,EMI,成本高，架内及架间信号连接均采用光缆，不现实,较好方案,架内的,EMC,问题相对来说比较容易解诀采用电气方式,架间采用光缆方式,实现上述方案，要开发发受信模块、光开关元器件：使光导布线与电气布线进行高效信号转换,第一章 电子封装技术概述,1,、电子封装工程的定义及范围,1.1,定义,1.2,范围,1.3,功能,1.4,分类,2,、技术课题,2.1,信号的高速传输,2.2,高效率冷却,2.3,高密度化,2.4,防止电磁波干扰技术,第一章 电子封装技术概述,3,、从电子封装技术到电子封装工程,3.1,电子封装技术的体系和范围,3.2,电子封装工程的主要课题,3.3,电子封装材料,3.4,电子封装发展的国内外现状,从电子封装技术到电子封装工程电子封装技术的体系与范围,电子封装技术的体系与范围,随,IT,技术，特别是便携通信技术的迅猛发展，封装技术近几年呈现日新月异的变化,以手机封装为例的简单说明过程和封装技术,从硅圆片到手机整机的封装流程,从电子封装技术到电子封装工程,电子封装技术的体系与范围,电子封装主要四大技术为支柱,设计、评价、可靠性技术,封装工艺技术（薄厚膜、封接、封装等）,基板及搭载的元器件（各种原材料及元器件工艺等）,实装技术（微互联，成型、组装等）,从电子封装技术到电子封装工程,电子封装技术的体系与范围,从软科学角度以,“设计、评价、可靠性技术”,为中心，包括各类相关技术的基础理论，综合设计及模拟技术,从硬科学角度，以,“基板及搭载的元器件”,为中心，包括厚膜、薄膜形成装置，各类成型、组装设备，生产线等,作为封装技术的基础，以,“封装工艺技术”,为中心，以基础理论和膜形成装置等为依托,从应用角度，以,“实装技术”,为中心，以封装综合设计及各类成型、组装、装配设备，生产线为依托,从电子封装技术到电子封装工程,芯片制作工艺随,电子封装技术的,飞速发展而变化,为适应封装平面阵列端子布置,芯片表面布线工程量增加,需要变更布线材料,需要下覆金属层工程,表面钝化工程量增加,为适应外部连接要求,更改电极凸点设计,电极凸点的结构、制作，考虑键合连接的工艺要求,为满足基板上直接搭载芯片的要求,基板制作与芯片制作在同一超净工作间中进行,第一章 电子封装技术概述,3,、从电子封装技术到电子封装工程,3.1,电子封装技术的体系和范围,3.2,电子封装工程的主要课题,3.3,电子封装材料,3.4,电子封装发展的国内外现状,电子封装工程涉及主要课题,互联技术,金属材料及相关工艺,有机材料,厚膜及薄膜,界面与表面,微细结构内应力,可靠性,基板,电磁波辐射,电路图形设计,散热,粘结与封接,电极及阻挡层,精细镀层,光电子学,微细加工,包覆、保护,上述技术和过程问题分成四个方面,基础封装理论,制膜工程,基板及布线工程,微细连结工程,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装理论,涉及到广义封装,目前涉及,1,、,2,、,3,个层次的半导体封装,将来可能涉及到从原子、分子水平的器件、生物芯片、高温超导器件等更广泛意义上的封装。,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装设计,内涵：针对用户提出的电子、机械、环境等方面的功能要求，参考电子设备最新的发展趋势、大规模集成电路的制造水平，确定如何实现的具体方案（包括材料开发、工艺选择、品质保证标准等）,上述程序及方法因所要求的器件及电子设备的不同而差异很大,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装设计,在封装设计中要综合考虑各方面的因素,由要求的电学性能，针对封装的电学特性值计算和设计材料的特性最终选定材料并确定布线图形、引线布置、封装类型等,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装设计,在封装设计中要综合考虑各方面的因素,综合考虑功能一电路一封装一器件进行系统最优化设什，是封装设计的发展方向,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装设计,目前封装设计的重点目标,超高速元件（回路、模块）封装设计,超小型封装（,FBGA,、,CSP,、芯片,1:1,的,CSP,等）设计,超薄型封装设计、三维器件封装设计,无封装基板的倒装片实装设计,裸芯片,KGD,设计、传感器封装设计,高散热封装设计、超导元件封装设计等,电子封装工程涉及主要课题,基础封装理论,封装的计算机模拟,节约时间、人力、物力,采用计算机工作站，可进行从,LSI,到,FBGA,、,MCM,、,CSP,、,KGD,等各种类型的封装结构的模拟,主要是从成膜布线、基板制作、键合连接到封接封装、一直到检查测定，涉及的大量结构、工艺、材料等问题,电子封装工程涉及主要课题,制膜工程,分薄膜、厚膜两大类,薄膜：溅射、真空蒸镀、,CVD,等方法制作,厚膜：主要用丝网印刷法，此外还有喷涂、电镀、浆料喷射、直接描画、,LB,法等各种不同的方法,从膜的功能分,电阻、导体、绝缘、介电、保护及各种特殊功能膜,从膜的材料分,金属、合金、氧化物、玻璃、陶瓷、聚合物、半导体、非晶态等,封装对膜层的尺寸、形态、结构等有特殊的要求,电子封装工程涉及主要课题,制膜工程,电子封装工程的发展、新型封装结构的出现，对制膜工程提出许多新的要求,AIN,基板实用化，成膜工艺与,Al,2,O,3,基板差别很大,0.3mm,以下微细电极间距的,QFP,、,0.5mm,以下电极间距的,BGA,、,CSP,等实装电极的焊料印刷需要采取许多特殊措施,多层基板三维布线成膜有许多新的要求等,目前的制膜工程大致包括,膜材料及成膜工艺、微细加工、特殊功能膜。,电子封装工程涉及主要课题,基板及布线工程：电子器件向小型、多功能、高速化发展，对封装基板及布线工程提出越来越高的要求,基板承担许多封装功能：,减小封装体积、减少了封装环节,典型：裸芯片实装,同一块基板的负载大大增加：,多芯片组件（,MCM,）、系统芯片（,SOC,）形式,基板内藏了许多电子元件：,减小体积,电阻、电容、电感,电子封装工程涉及主要课题,基板及布线工程：电子器件向小型、多功能、高速化发展，对封装基板及布线工程提出越来越高的要求,减小引线距离,信号的高速化的迫切要求,基板及布线中会出现应力、散热、,EMI,、信号干扰与损耗以及系统的相容性等问题,有效途径：正在开发积层多层板、,LTCC,基板,基板及布线工程包括,基板材料及结构、布线材料及工艺、封装总体结构及可靠性,电子封装工程涉及主要课题,微细连挂工程：封装工程中最重要的课题，可分为几种不同的范畴,治金学连接,主要包括超声焊、热压焊、超声热压焊、软钎焊、硬钎焊、回流焊等,目前普遍采用的引线连接、倒装片（凸点连接）、,TAB,、钎焊连接等主要的微细连接法都属于此范畴,随封装尺寸成数量级的缩小，这种连接方式已显得无能为力，正逐渐被其他连接方式所替代,电子封装工程涉及主要课题,微细连挂工程：封装工程中最重要的课题，可分为几种不同的范畴,微机械连接,包括导电性粘结剂连接、各向异性浆料（,ACP,）连接、各向异性膜（,ACF,）连接、积层式多层基板层间通孔（,VIA,）电镀连接、导电浆料连接、多层陶瓷基板层间通孔的印刷连接等各种物理连接法,有望成为替代焊接等治金学连接的方法,电子封装工程涉及主要课题,微细连挂工程：封装工程中最重要的课题，可分为几种不同的范畴,化学连接,模拟生物体内的神经系统,所有有机生物体内都能进行电脉冲连接,与生物芯片等相关联,面向未来的研究课题,第一章 电子封装技术概述,3,、从电子封装技术到电子封装工程,3.1,电子封装技术的体系和范围,3.2,电子封装工程的主要课题,3.3,电子封装材料,3.4,电子封装发展的国内外现状,电子封装材料,电子封装的性能、制作工艺、应用及发展等决定于构成封装的各类材料,类型：,半导体材料、封装基板材料、绝缘材料、导体材料、键合连接材料、封接封装材料,涉及材料的：,可加工成形性：,材料物性：热膨胀系数、热导率、介电常数、电阻率,相容性,成本,电子封装材料,以高密度电子封装用多层基板及芯片尺寸大小的封装（,CSP,）为例，涉及材料包括：,金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉料、表面活性剂、有机粘结剂、有机溶剂、金属浆料、导电填料、感光性树脂、热硬化树脂、聚酰亚胺薄膜、感光性浆料等,上述材料是电子封装、平板显示器乃至整个电子工业基础中的基础,第一章 电子封装技术概述,3,、从电子封装技术到电子封装工程,3.1,电子封装技术的体系和范围,3.2,电子封装工程的主要课题,3.3,电子封装材料,3.4,电子封装发展的国内外现状,电子封装在世界范围内的现状,1999,年,封装产量,620,亿只，产值,35,亿美元,增速,10,，封装基本类型,15,年变更一次,1955,年起,类型主要,TO,型圆形金属封装,封装对象晶体管、小规模集成电路,封装引线数,3,12,线,电子封装在世界范围内的现状,1965,年,类型主要是双列直插封装（,DIP,）,先陶瓷,DIP,后塑料,DIP,引线数为,6,一,64,引线节距为,2.54mm,电子封装在世界范围内的现状,1980,年,封装形式出现表面安装封装（,SMT,），主要有小外形晶体管封装（,SOT,），翼形（,L,形）引线小外形封装（,SOP,），,J,形引线小外型封装（,SOJ,），塑料,J,形四边引线片式载体（,PLCC,），塑料,L,形四边引线扁干封装（,PQFP,）等,引线数为,3,300,引线节距为,1.27,0.4mm,电子封装在世界范围内的现状,1995,年起,出现焊球阵列,(BGA),，芯片尺寸封装,(CSP),BGA,外引线,焊料球，球栅排列在封装的底面，焊球,1.51.0mm,，适合于焊球数,100 1000,以上,封装基极,陶瓷或,PCB,CSP,硅芯片面积和封装所占印刷板面积之比大于,80,外引线,引线框架的引线、焊料球或焊料凸点，目前已将焊料凸点直接做在硅圆片的各芯片上，然后再切割成独立的可以直接倒装焊的集成电路芯片,电子封装在世界范围内的现状,封装村料,塑料为主,1997,年,塑封、陶瓷封装和其他封装（,COB,、金属封装、裸芯片等）份额分别为,93,、,2,和,5,。近年来，由于部分军品和部分,EPROM,、,MPU,等先进产品由陶瓷封装改为塑封，陶瓷封装进一步减少，而裸芯片、板上芯片（,COB,）等进一步增加，到,2002,年，这,3,类封装所占的份额分别为,92,、,1,和,7,。,习题与思考题,1,、电子封装的定义,2,、电子封装的功能,3,、电子封装的范围,4,、电子封装的分类,5,、电子封装技术涉及的主要技术课题,6,、电子封装技术涉及的体系和范围,7,、电子封装工程的主要课题,8,、电子封装使用的材料有那几类，例举之,习题与思考题,9,、电子封装发展的国内外现状,10,、根据芯片封装的历史演变，写出,10,种封装类型的英文缩写，简要解释其技术特点,11,、简述电子封装技术发展的趋势和对封装技术的要求,12,、简述封装技术的工艺流程,