微电子封装关键技术及发展前景研究

北京科技大学 北京 100083

随着科学技术的发展,以集成电路为核心的电子产品数量不断增多,极大的带动了我国经济发展。但是在集成电路中器件的光、电、热等性能都会受到集成电路的影响,因此对微电子进行封装则可以有效的解决这一问题。

1 微电子封装技术

微电子封装就是以维系加工技术和膜技术为基础进行操作,将芯片等要素进行时设置,然后利用粘贴等方式将这些要素固定在基板或者是框架上。与此同时在进行操作时还需要将各要素的连接端引出。封装技术在进行固定式主要是以可塑性绝缘介质灌技术作为关键性技术进行操作,从而起到良好封装作用。经过微电子封装技术处理之后的各要素之间能够形成一个立体的连接结构。

微电子封装的基本功能为:

(1)能够为半导体芯片提供机械支撑,为其提供一个良好的保护环境,保证芯片不会受到外界环境的影响而降低新品的使用性能;

(2)能够为半导体芯片的正常工作提供所必须的电流电路,保证电路的畅通性;

(3)可以为芯片提供输入和输出信号电路,保证芯片能够与外界的各电子元件以及设备之间进行有效连接,实现芯片的控制功能;

(4)为芯片提供热通回路。由于芯片在运行时会产生一定的热量,如果这些热量无法及时散出,就会影响到芯片的使用功能,甚至还有可能损坏芯片,而微电子封装技术能够为芯片提供良好的散热环境;

(5)影响器件和电路性能。微电子封装技术能够将许多的芯片要素集中在一个很小的区域内以立体结构的形式存在,因此其能够在一定程度上对系统电路以及各电子元器件的光、电、热以及机械方面的性能产生影响。

由于微电子封装技术能够为电路和器件提供良好的运行环境,因此在该技术下可以保证电路和器件工作的稳定性。利用微电子封装技术进行封装的材料有很多种,比如说金属、陶瓷、玻璃、高分子材料等都可以作为封装材料。在进行材料选择时为了保证器件的稳定性和使用性能,首先需要对所需要封装器件的电气特性、物理特性以及工艺特性进行深入的分析,然后在控制封装成本的基础上选择合适的封装材料,从而实现良好、稳定封装的目的。

2 微电子封装的关键技术

随着微电子封装技术的不断发展,许多的封装技术开始在日常生活中发挥作用。当前主要的封装技术主要是集中在BGA封装、CSP封装等技术方面,并不断向着三维封装和系统封装的方向发展。以下就针对几种微电子封装关键技术进行分析。

2．1 BGA封装技术 球栅阵列封装BGA主要是在一些规模较大的集成电路中进行应用,从而起到良好封装效果。BGA封装技术能够将电路中的I/O引线以圆形或者是柱状形的方式焊接在一起,然后按照一定的阵列形式排列,从而保证封装的立体性。在BGA封装技术下I/O引线之间的间距非常的大,但是所使用的引线长度则是非常小,这样可以有效的解决封装器件之间引线共面度和翘曲的问题,从而保证各引线之间的独立性。总结BGA封装技术主要的优点有:

(1)I/O引线间距大。根据当前BGA封装技术中所设置的I/O引线间距多数为1．0mm或者是1．27mm,这样的间距内可以容纳很多的I/O接口数量。比如说对于间距为1．27mm的BGA封装技术下仅在边长为25mm的面积上就可以同时容纳350个I/O接口,容纳接口数量非常的大。

(2)可靠性高。利用BGA封装技术所产生的焊点缺陷率非常的低,而且焊点牢固,对引脚的破坏性小,因此可以保证电路和器件的性能。

(3)管脚水平同一性好。利用BGA封装技术进行焊接时其焊锡球在经过熔化之后可以自动的进行补偿平面误差,这样可以保证芯片与PCB之间具有良好的平面同一性,而且经过焊接之后的引脚非常的牢固,稳定性非常高。

(4)兼容性好。BGA封装能够与SMT贴装工艺以及设备之间进行通用,表现为良好的兼容性,而且可以在多种不同的芯片、设备、系统中进行使用,兼容性能良好。

2．2 CSP封装技术 芯片尺寸CSP封装技术是在微电子封装中较为常见一种封装技术,该技术能够根据整机要求效果进行挑战。CSP封装技术下要求焊球之间的间距保持在1mm以内的范围内,这也就意味着CSP封装技术的间距要比BGA封装技术的间距还要小。CSP封装技术能够对芯片进行可靠性封装,保护芯片的使用性能,与此同时CSP封装还能够具有良好的封装密度,便于后期的焊接、封装、安装以及测试等各项操作。

当前CSP封装技术的种类有很多,比如说说圆片级CSP、芯片选层型CSP等。其中圆片级CSP的应用最为广泛,而且最为常见,具有非常广阔的发展空间。但是这些封装技术的间距都会控制在1mm的范围内。根据当前CSP封装技术的间距进行分析,常见间距有0．5mm、0．65mm、0．8mm和1mm几种类型。以圆片级CSP为例其在进行封装时首先需要对圆片进行切割,将一个圆片分割成为多个IC芯片,然后再进行封装操作。在进行封装操作时需要完成一道操作工艺之后再开始进行下一道操作工艺,这样可以有效的提高封装操作效率。在进行倒装芯片进行操作时与一般的封装工艺相同,只是在原有的基础上增加了引脚布线和凸点制作工艺,而且在该技术下不需要反复的进行测试,因此可以在很大程度缩小操作流程,提高封装效率。虽然CSP芯片在进行封装操作时有诸多的封装优势,但是其在实际的应用时也存在很大的缺点,比如说CSP的间距非常的小,此时在进行封装操作时I/O口的数量就会受限,而且利用该封装技术所需要的成本比较的高。

2．3 3D封装技术 根据当前3D封装的类型进行划分,主要可以分为三种不同的类型,一是埋置型3D封装。该封装主要是将各种电子元器件埋置在基板或者是介质层中,然后利用SMC和SMD进行顶层贴装,此时就可以达到良好的封装效果。二是圆片规模集成封装(WSI封装)。在该封装模式下首先需要对硅圆片为对象进行集成处理,然后在源基板上进行布线处理,最后利用SMC和SMD进行顶层贴装。利用该技术进行封装之后可以实现三维立体结构封装效果。三是叠层3D封装。在该封装技术下首先需要将器件进行2D封装,然后将已经完成封装的2D芯片按照叠层的方式进行3D封装。在这三种3D封装技术中应用最为广泛的是叠层3D封装技术。该技术在使用时的优势主要有:

(1)易携带。随着人们生活水平的不断提升,手机、平板等便携式电子设备逐渐进入到人们生活,人们为了便于携带要求这些设备逐渐向着微型化方向发展。而3D封装技术在可以满足这一要求。3D封装技术能够降低封装厚度,从而降低设备的厚度。

(2)兼容性好。叠层3D封装技术具有良好的兼容性,可以与其他的封装技术实现兼容操作,而且叠层3D封装技术经过适当的改进之后还能够实现大规模批量生产。

2．4 SIP系统封装技术 系统级封装SIP封装技术就是将多种不同的元件混合在一起封装在同一个封装体内,SIP封装技术能够实现系统封装效果。在SIP系统封装技术下能够将芯片、材料、系统等多种要素封装在一起,因此SIP系统封装是一个系统性的概称。

SIP系统封装技术中关键性的因素就是选择合适的封装载体和封装工艺。由于SIP系统封装技术设计到系统集成封装,因此其在进行封装时首先需要根据系统功能需求的不同进行功能模块的划分,然后对系统各功能模块进行组合,形成一个完整的系统载体。基板作为传统封装技术中所采用的载体其主要是发挥互连的作用,但是在SIP封装技术中所选用的载体既是电路单元的组成部分,又属于系统功能中的一部分。在进行模块划分时为了保证模块之间的独立性,在实际的划分时尽量做到能够按照功能的不同进行划分,这样可以为后期的SIP系统封装奠定基础。比如说手机蓝牙模块,为了便于进行系统封装,可以将该模块中的基带处理器为单元进行封装,然后将该单元的一端与系统CPU控制接口进行连接,另一端则与硬件接口进行连接。通过这样的划分。

当前SIP技术主要用途有:一是应用在RF无线电中。利用SIP封装技术能够将具有多种功能的芯片与具有RF功能的芯片封装在一起,然后组成一个简单的系统。二是应用在传感器中。SIP基础可以将硅元素所组成的传感器期间集成在一起,然后应用到各项控制设备中;三是应用到计算机网络系统中,能够实现集成化功能。

3 微电子封装的发展前景

随着电子技术的不断发展,日常生活中的许多设备都需要应用到微电子封装技术,这就要求在进行发展时能够深入的了解微电子封装技术,并根据市场的需求进行技术调整,从而保证微电子封装技术能够更好的符合时代变化,促进我国电子领域以及集成电路行业的不断发展。与此同时我国只有在微电子封装技术方面加大研究力度,才能够跟上国际发展水平,提高我国在国际上的综合竞争能力,因此进行微电子封装技术发展十分有必要。总结当前微电子封装技术发展现状,可以确定其未来的发展主要向着以下几个方向变化:

(1)FC技术将成为主流技术。首先,FC技术是在当前微电子封装方面的最小封装技术。FC技术下要求每个焊点之间的间距在1mm以下,而且线性的尺寸要比当前最小的线性尺寸还要缩短30%左右,这样在该技术下所得到的封装系统最终的尺寸要比现有封装技术下的系统尺寸还要小30%到50%之间。其次,FC技术下对引脚进行焊接时其凸点的高度要比WB封装下的凸点高度小许多,这样就会有效降低电路中的电感值,因此该技术可以在高频电路以及电子产品中起到良好作用。最后,利用FC技术进行封装时其可以在芯片的背面安装散热片,这样可以将芯片运行所产生的热量及时散出去,为芯片提供良好工作环境,保证芯片的使用性能。

(2)无源元件向着集成化方向发展。根据当前当值产品中的器件类型进行分析,绝大多数为无源元器件,但是随着微电子技术的不断发展,无源元器件所在的比例将会逐渐的增大,有源和无源所占比例将会超过1:50。

在集成电路或者是半导体产品中无源元器件和有源元器件都属于产品重要组成部分之一。在进行封装时为了保证封装面积小型化以及集成化,在进行元器件封装时可以采用无源元器件进行封装,这样可以有效避免有源元器件所占面积,从而节省封装电路基板上的元器件的数量。与此同时在无源元器件组装时其采用的微组装技术也将成为封装技术的一个重要环节,在微电子封装中起着关键性作用。总之无源元器件在未来的发展中将会向着集成化的方向进行变化。

(3)由分立系统向系统级封装发展。SIP系统封装技术是最近几年才开始应用的一种封装技术,该技术虽然研发的时间比较的短,但是其应用范围却在不断的扩大,也是当前许多日用电子产品中经常采用的一种封装技术。在SIP系统封装技术下能够将一级芯片封装、二级插卡封装和三级基板封装有机的结合在一起,将三个封装层次封装在一个层次范围内然后进行应用,这样能够大大简化封装结构,还能够有效提供系统封装效率。在SIP系统封装中能够将芯片、器件、电子电路、布线等各项要素都封装在一个特定的系统中,既能够保证系统设计的灵活性又能够减小封装体积,因此SIP系统级封装将会成为未来发展的一大趋势。

结语

随着我国科学技术的不断发展,集成电路产业得到了突飞猛进的发展,许多的设备和器件都开始向着微型化、便捷化的方向发展,因此微电子将成为未来发展的一大趋势。要想很好的实现集成电路微型化,就需要利用一定的微电子封装技术对电路和器件进行封装操作。因此本文在进行研究时就针对当前几种微电子关键封装技术进行分析,了解该技术的优点以及应用范围,然后展望微电子封装技术未来的发展前景。