高密度电子封装的最新进展和发展趋势

2007-09-18 09:10:16来源: 中国电子元器件产业网
电子封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁,随着半导体产业的飞速发展及其向各行业的迅速渗透,电子封装已经逐步成为实现半导体芯片功能的一个瓶颈,电子封装因此在近二三十年内获得了巨大的发展,并已经取得了长足的进步。

今日的电子封装不但要提供芯片万事保护,同时还要在一定的成本不满足不断增加的性能、可靠性、散热功率分配等功能。电子封装的设计和制造对系统应用正变得越来越重要,电子封装的设计和制造从一开始就需要从系统入手以获得最佳的性能价格比。原来一些仅用于前道的工艺已经逐步应用与后道封装,且呈增长趋势。

电子封装发展的驱动力主要来源于半导体芯片的发展和向市场需要,可以概括为如下几点:速度及处理能力的增加是需要更多的引脚数,更快的时钟频率和更好的电源分配。

市场需要电子产品有更多功能,更长的电池寿命和更小的几何尺寸。电子器件和电子产品的需要量不断增加,新的器件不断涌现。

市场竞争日益加剧,芯片制造业的发展和电子产品的市场需要将最终决定电子封装的发展趋势——更小、更薄、更轻 性能更好、功能更强、能耗更小、可靠性更好、更符合环保要求、更便宜、电子封装的发展和趋势。

电子封装的发展主要经历了以下四个阶段

70年代:通孔安装器件、插入式器件 70年代器件的主流封装形式为通孔器件和插入器件,以DIP(dual in line)和PGA (Pin grid array)为代表;器件分别通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度,因而组装效率较低,同时器件的封装密度也较低。

80年代:表面安装器件 80年代出现了表面安装技术,器件通过回流技术进行焊接,由于回流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自对准效应,降低了对贴片精度的要求,同时回流焊接代替了波峰焊,也提高了组装良品率。此阶段的器件封装类型紧PLCC(QFJ)和QFP为主,由于采用四面引脚,因而也很大强度上提高了封装和组装的密度。 90年代中前期:BGA 90年代随着器件引脚和增加及对封装、组装亮度的要求,出现了球阵列式封装BGA。典型的BGA以有机衬底(如BT)代替了传统封装内的引线框架,且通过多层板布线技术实现焊点在器件下面的阵列平面分布,既减轻了引脚间距不断下降在贴装上面所遇到的阻力,同时又实现了封装、组装密度的大大增加,因而很快获得了大面积的推广且在产业中的应用急剧增长。

90年代后期:倒装焊接FC和芯片尺寸封装CSP倒装焊接技术在IBM公司在60年代引入,开始使用的是铜凸点,后发展为在芯片上制备高铅焊料凸点再将芯片正面朝下直接贴在陶瓷衬底上,使用回流焊接实现多个焊点的一次性组装。既大大提高了生产效率(当时的金丝球焊机焊接速度较慢),同时由于引线电阻小,寄生电容小,因而获得了优异的性能特别是高频性能。但由于价格和工艺复杂性等原因,该技术一直未获得广泛使用。由于芯片和有机衬底的热膨胀系数差别很大,因而早期该技术仅仅用于陶瓷衬底。80年代IBM公司发明了底层填充技术,采用底层填充料充芯片和衬底之间的间隙,从而大大地增加了由芯片和衬底膨胀系数失配所产生的热疲劳焊点寿命,同时也使得低成本的倒装焊接组装技术成为可能。目前在计算机、通信等领域倒装焊接技术已经获得了相当程度的应用,并且正呈高速增长趋势。

倒装焊接虽然具有优势的性能和近乎理想的封装密度,但仍然存在一系列的问题长期未能获得很好的解决,如芯片测试、老化、已知好芯片、返修等,应而其应用仍受到很大的限制;而与此同时另一技术CSP开始出现,并很快发展成为90年代以来最引人注目的封装形式。该封装形式估计很快成为封装形式的主流并将在很长的一段时期内点据统治地位。根据IPC定义,CSP为封装面积不大于芯片面积150%的封装形式,CSP已经发展超出100种不同的形式,其中最典型的是micro-BGA,器件与PCB板的连接与BGA相同,为焊锡球阵列,而内部芯片到BGA基板的连接既可以采用线焊技术,也可以采用倒装焊接技术。由于CSP既具有一般封装器件的易于操作、测试、返修等特点,同时又在一定程度上具有倒装焊接器件的高密度和优异高频性能等特点,因而成为BGA和倒装焊接之间的最好中间产品,预期在很大的一段时间内将成为器件封装形式的主流。

90年代后期,电子封装进入超高速发展时期,新的封装形式不断涌现并获得应用,除倒装焊接和芯片尺寸封装以外,出现了多种发展趋势,封装标准化工作已经严重滞后,甚至连封装领域名词的统一都出现困难,以下对部分形式作一简介:

  多芯片封装: 将多个芯片封装在统一器件内,从而实现更高的封装密度 三维迭层封装:

  芯片经过减薄后沿Z方向叠起来封装在同一个器件内。芯片之间通过线焊或倒装焊形式连接。该技术特别是在存储器件中已经获得一定范围的应用。

  单封装系统SIP: 如多芯片模块MCM:将多个具有不同功能的芯片封装在同一个器件内,以形成一个完整的系统或子系统功能:微电子机械系统MEMS:将微电子器件和应用微电子技术制备的如传感器、执行器等封装在同一模块中以形成系统功能;微光机电系统MEOMS):除微子机械外,进一步将光学系统集成进来。

  SOC:将整个系统的功能完全集成在同一个半导体芯片上。

随着芯片封装密度的不断提高,被动元器件和基板逐渐成为阻碍密度和性能提高的壁垒,因而带动了被动元器件如电阻、电容等的发展。其发展历史及趋势和主动元器件相仿,也经历了从通孔组装到表面安装到1维阵列并正向平面阵列方向发展。 随着封装、组装的发展,晶片级、 芯片级、组装级、系统级的界线已经逐渐模糊。原来一些仅仅用于晶片级的技术已经开始用于封装和组装级。 目前热点和发展趋势 在封装、组装业高速发展的背景下,以下几点尤为引人注目 底层填料 无铅焊接 导电胶 高密度基板 底层填料 底层填料原来仅仅用于较大芯片的倒装焊接应用,以增加焊点的热疲劳寿命。现在已经被大量应用于CSP器件中,用以增强焊点抵抗机械应力、振动、冲击等能力。 底层填料主要分为流动型和无流动型。流动型通过毛细管现象将底层填料吸入芯片与基板之间的空隙之中,然后使用热或光进行固化。从材料角度要求其热膨胀系数尽可能与焊锡材料相近,玻璃化转变温度高、扬氏模量大、离子杂质少、防潮性好、与芯片、钝化层材料、基板材料、阻焊材料等有良好的粘合强度;从工艺角度来中看,要求填充速度快、具有充小空隙的能力、固化时间短,固化后无填料不均匀沉淀等。

1996年,美国Georgia Institute of Technology 的C.P.Wong教授首先发表了他们的无流动型底层填料方面的结果。引起研究和产业界的广泛关注,度迅速成为热点研究领域。该材料集助焊剂和底层填料功能与一身,在回流过程中焊接和固化过程一次完成(也可以在回流焊接后低于焊接锡熔点的温度完成最终固化)。由于工艺过程比流动型的底层填料要简单得多,因而可以大大降低生产成本并提高生效率。 无论是流动型还是无流动型的底层填料,一经固化,器件一般无化返修,这一特性从某种程度上限制了底层填料在产业的应用。近年来在可返修底层填料方面已经取得了很好的进展,现已经开发出在化学可返修、热学可返修、热塑型底层填料等样品。预期相应产品在短期内会逐步走向市场。 无铅焊料 由于PbSn共晶焊料中含有有害健康和环境的铅元素,因而焊料的无铅化一直是电子工业广泛关注的一个问题。虽然禁铅几经起落,但随着环境保护意识的不断增强及市场竞争的不断的加剧,无铅焊接正离我们越来越近。

价格、性能:到目前为止,以有很多无铅焊料体系得到了充分的研究,但从性能价格比方面仍然没有任何材料可以和传统锡铅晶焊料相比。

助焊剂:现有助焊剂种类很多,新的产品仍在不断涌现,但几乎所有体系皆是按照锡铅共晶焊料设计并优化的。新的焊料体系对助焊剂必定是提出新的要求。同时今后无铅焊料很可能出现多种焊料体系共存的局面,这更加加大了助焊剂开发的难度。

元器件、基板、焊接设备:目前的无铅焊料体系一般都比共晶锡铅材料的熔点高。由于现在绝大多数器件为塑料封装器件,焊接温度的提高对器件的抵抗热应力和防潮性能必定提出更高的要求;同时焊接设备也会产生一定影响。

导电胶:导电胶焊接由于具有一系列的优点如成本低廉、焊接温底低、不含铅、可以实现很小的引脚间距等,因而近二十年一直颇受关注,并且导电胶焊料在某些领域已获得了很好的运用。在无铅化方面,导电胶至少是共晶锡铅的一个可能的替代方案。而在小引脚间距方面,对于锡铅体系,如间距小于0.5毫米,对贴片机的精度要求就将明显增高,而对更小的引脚间距,焊接的良品率可能明显下降。虽然由于平面阵列式器件如BGA,CSP的出现在一定程度上缓解了间距不断变小在时间上的应力,但在未来,器件的引脚间距仍肯定继续朝着不断减小的方向发展,因而在未来,导电胶任将是锡铅焊接材料的一个强有力的竞争者。

高密度基板技术:随着电子系统不断向高密度、高速度方向发展,现有基板制备技术已经无法满足技术要求,高密度基板技术应运而生。高密度基板的典型要求如下:线宽/线距,75/75微米焊盘尺寸,150-200微米 微通孔尺寸,200微米传统基板制备技术显然无法达到这样的要求。在通孔方面,现已经发展出激光钻孔、光掩模腐蚀等通孔技术,且这三种技术都获得了一定程度的产业应用。

目前高密度基板技术在数字摄像机、通讯和计算机等领域已获得了相当程度的应用,且应用范围正不断扩大。与此同时为进一步提高系统的密度,将被动元器件集成于基板制造过程中的技术也已经步入研究开发阶段,在不久的将来有望一定的范围内获得市场应用。

总结

电子封装、组装的发展主要可以概括为高密度、高速度、和环保。在器件封装方面,BGA,CSP和倒装焊接技术将是未来10年内的发展主流:基板方面,高密度基板的市场有率将稳步提高:集成了被动元器件的高密度基板有望在某些领域进入市场:在基板互连方面,无铅焊接估计会很快进入市场,但无铅焊接和传统共晶锡铅焊料预计会在较长的时间内处于共存状态。

中国的封装、组装业正处于高速发展阶段,且已经初具规模,这一情况下,通过加强电子封装、组装领域的研究开发,增强研究、服务机构和产业之间的交流和协作,必定可以极大地推动中国的封装、组装业的迅速发展,完成产业从量向质的转变。

关键字:散热  功率  时钟  频率

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