集成電路密度和功能的提高推動電子封裝的發展。隨著現代微電子技術的創新,電子設 備向著微型化、集成化、高效率和高可靠性等方向發展,電子系統總體的集成度提高,功率密度也同步升高。電子元件長期在高溫環境下運轉會導致其性能惡化,甚至器件被破壞。因此,有效的電子封裝需要不斷提高封裝材料的性能,并將電子線路布線合理化,使得電子元件在不受環境影響的同時,實現良好的散熱,幫助電子系統保持良好的穩定性。
電子封裝一般可按封裝結構、封裝形式和材料組成分類。從封裝結構來看,主要包括了 基板布線、層間介質和密封材料基板,基板分為剛性板和柔性板,層間介質分為有機聚合物) 和無機(氧化硅、氮化硅和玻璃)兩種起到保護電路、隔離絕緣和防止信號失真等作用。密封材料當前主要為環氧樹脂,占整個電子密封材料的 97%以上,環氧樹脂成本低、產量大、 工藝簡單。從封裝形式來看,可分為氣密封裝和實體封裝。氣密封裝是指腔體內在管芯周圍 有一定氣體空間與外界隔離,實體封裝指管芯周圍與封裝腔體形成整個實體。從材料組成分來看,主要分為金屬基、陶瓷基和塑料基封裝材料。
電子封裝基本分類,數據來源:《電子封裝材料的研究現狀及趨勢》
陶瓷封裝在高致密封裝中具有較大發展潛力。陶瓷封裝屬于氣密性封裝,主要材料有 Al2O3、AIN、BeO 和莫來石,具有耐濕性好、機械強度高、熱膨脹系數小和熱導率高等優 點。金屬封裝的主要材料包括 Cu、Al、Mo、W、W/Cu 和 Mo/Cu 合金等,具有較高的機械強度、散熱性能優良等優點。塑料封裝主要使用的材料為熱固性塑料,包括酚醛類、聚酯類、 環氧類和有機硅類,具有價格低、質量輕、絕緣性能好等優點。此外,電子封裝還常用四大 復合材料,分別為聚合基復合材料(PMC)、金屬基復合材料(MMC)、碳/碳復合材料(CCC) 和陶瓷基復合材料(CMC)。
三大主要封裝材料
對于集成電路等半導體器件來說,封裝基板需要滿足以下六點要求:
(1)高熱導率,器件產生的熱量需要通過封裝材料傳播出去,導熱良好的材料可使芯片免受熱破壞;
(2)與芯 片材料熱膨脹系數匹配,由于芯片一般直接貼裝于封裝基板上,兩者熱膨脹系數匹配會降低芯片熱應力,提高器件可靠性;
(3)耐熱性好,滿足功率器件高溫使用需求,具有良好的熱穩定性;
(4)絕緣性好;
(5)機械強度高,滿足器件加工、封裝與應用過程的強度要求;
(6)價格適宜,適合大規模生產及應用。
六大優勢促使陶瓷封裝成為主流電子封裝。陶瓷基封裝材料作為一種常見的封裝材料, 相對于塑料封裝和金屬封裝的優勢在于:
(1)低介電常數,高頻性能好;
(2)絕緣性好、可靠性高;
(3)強度高,熱穩定性好;
(4)熱膨脹系數低,熱導率高;
(5)氣密性好,化學性 能穩定;
(6)耐濕性好,不易產生微裂現象。 典型電子封裝材料性能對比
封裝工藝形式多樣,適配各類應用需求。我們以光模塊的封裝為例,TOSA 和 ROSA 的主要封裝工藝包括 TO 同軸封裝、蝶形封裝、COB 封裝和 BOX 封裝。TO 同軸封裝多為 圓柱形,具有體積小、成本低、工藝簡單的特點,適用于短距離傳輸,但也存在散熱困難等缺點。蝶形封裝主要為長方體,設計結構復雜,殼體面積大,散熱良好,適用于長距離傳輸。COB 即板上芯片封裝,將芯片附在 PCB 板上,實現小型化、輕型化和低成本等,BOX封裝 屬于一種蝶形封裝,用于多通道并行。此外,其余常見的封裝方式包括雙列直插封裝(DIP)、 無引線芯片載體(LCC)等等。
TO 同軸封裝激光器示意圖
蝶形封裝激光器示意圖
COB 封裝收發器示意圖
BOX 封裝接收器示意圖
他常見封裝方式簡介
封裝方式 | 簡稱 | 簡介 |
晶體管外形封裝 | TO封裝 | 插裝型封裝之一,由一個TO管座和一個TO管帽組成。TO管座作為封裝元件的底座并為其提供電源,而管帽則可以實現平穩的光信號傳輸。這兩個元件形成了保護敏感元器件的密封封裝。 |
雙列直插式封裝 | DIP | 插裝型封裝之一,引腳從封裝兩側引出,可以直接焊在有DIP結構的芯片插座上,或焊在有相同焊孔數的焊位中。其特點是可以很方便地實現PCB板的穿孔焊接,和主板有很好的兼容性,封裝材料有塑料和陶瓷兩種。 |
插針網格陣列封裝 | PGA | 插裝型封裝之一,其底面的垂直引腳呈陳列狀排列。封裝基材基本上都采用多層陶瓷基板。用于高速大規模邏輯LSI電路。一般有CPGA(陶瓷針柵陣列封裝)以及PPGA(塑料針柵陣列封裝)兩種。 |
小外形封裝 | SOP | 是一種表面貼裝式封裝,引腳從封裝兩側引出呈海鷗翼狀。常見的封裝材料有:塑料、陶瓷、玻璃、金屬等,目前已發展出TSOP、VSOP等多種形式。 |
帶引腳芯片載體 | LCC | 表面貼裝型封裝之一,引腳從封裝的四個側面引出,是高速和高頻IC用封裝,按材料的不同又細分為PLCC(塑料封裝)、CLCC(陶瓷封裝)。 |
球柵陣列封裝 | BGA | 表面貼裝型封裝之一,在印刷基板的背面按陳列方式制作出球形凸點用以代替引腳,在印刷基板的正面裝配LSI芯片,然后用模壓樹脂或灌封方法進行密封又可以細分為PBGA、CBGA等 |
芯片級封裝 | CSP | CSP封裝可以讓芯片面積與封裝面積接近1:1的理想情況,與BGA封裝相比,同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高三倍,具有體積小、輸入/輸出端數多以及電氣性能好等優點。 |
板上芯片封裝 | COB | 是裸芯片貼裝技術之一,半導體芯片交接貼裝在印刷線路板上,芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實現,并用樹脂覆蓋以確保可靠性。COB是最簡單的裸芯片貼裝技術,但封裝密度較差。 |
審核編輯:郭婷
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原文標題:【新技術新工藝】陶瓷封裝技術趨勢
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