分立器件封裝及其主流類型

龍 樂(龍泉長柏路98號l棟208室，四川 成都 610100)

摘 要：分立器件封裝也是微電子生產技術的基礎和先導-本文介紹國內外半導體分立器件封裝技術及產品的主要發(fā)展狀況，評述了其商貿市場的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：半導體；封裝；分立器件

中圖分類號：TN305．94；TN32 文獻標識碼： A 文章編號： 1681-1070(2005)02-12-6

1 引言

半導體分立器件是集成電路的前世今生，相對而言，它是單個無聯系的、具有器件功能特性的管芯，封裝在一個管殼內的電子器件，在大功率、高反壓、高頻高速、射頻微波、低噪聲、高靈敏度等很多應用場合起著舉足輕重與不可替代的關鍵作用。一些先進的半導體生產工藝和封裝技術已應用到分立器件制造中，新的封裝形式日新月異，新結構、新器件源源而來，產業(yè)規(guī)模也不斷擴大，成為半導體產業(yè)的一大支柱：中國目前已成為全球最大的分立器件市場，分立器件占整個半導體市場的比例達40％左右，遠高于國際平均值的10％：國內電子信息產業(yè)規(guī)模1．88萬億元超過日本，成為僅次于美國位居世界第二位的國內第一大產業(yè)：有需求就有供給，整機產業(yè)決定了分立器件市場今后的走向，同時也確定分立器件生產企業(yè)須從市場角度出發(fā)，高度關注主流動向的深刻影響，在此影響下如能不斷調整產品結構及產業(yè)規(guī)劃，多元化和多樣化通盤考慮，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，分立器件還很有希望。

2 微小尺寸封裝

芯片制作技術早巳進入深亞微米時代，管芯面積大大縮減，化學機械拋光精密減薄優(yōu)勢顯現，真正的挑戰(zhàn)在于使用這些微小、超薄的管芯進行組裝的封裝技術，促進封裝的技術含量與投資規(guī)模快速提升。另一方面，在相同空間增添更多功能的整機發(fā)展趨勢仍未停止，應用需求封裝采用更先進的技術，向高性能的微型化小尺寸封裝外形演繹、目前，分立器件微小尺寸封裝有更多規(guī)格版本供貨，提供了更低的成本和空間優(yōu)勢，簡化外圍電路設計更自由，易連接．例如，數字晶體管的小平腿微縮表面貼封裝TSFP-3的尺寸為(1．0×0．6×0．4)mm，比工業(yè)標準SOT-23還要小86％。

金屬膜MELF無引線圓柱形二極管是小外形器件SOD的先驅，為統(tǒng)一尺寸和使用方便，也采用小外形晶體管SOT以及DPAK、D2PAK、SOD-123、DO-214AA／AB／AC、DO-216AA、SOD-882等封裝類別，隨整機產品結構變化繼續(xù)研發(fā)新封裝。具體而言，SOD-123是一種鷗翼型引線塑封二極管，其尺寸和SOT-23相同，電路板PCB占位面積和0．5W的MELF封裝類似兼容，現正被SOD-123FL矮型扁平引腳封裝逐步取代，并已確立其市場地位。在亞洲更流行一種微封裝SMA的J引線DO-214AC，這種表面貼裝一般額定在1A／W，它比DO-214AB更窄，占用較小的PCB空間。DO-216AA集低外形、低功率、小尺寸及電流處理能力于一體化，尺寸比SMA小一半，而熱性能一樣，最大厚度1．1mm．新型變容二極管采用尺寸只有(1．0×0．6)mm的超小型扁平封裝SFP封裝類型，實際安裝面積大約減少40％，而且其內部電容偏差值保證達到1．8％，可減少整機生產線上的調諧工作量，高頻開關二極管也采用超小型SFP封裝。SOD-882為新一代小型分立無引線扁平封裝，已用于眾多的開關、齊納、肖特基、變容、波段開關、PIN二極管等產品，采用非常薄的紙帶包裝，在標準180mm卷軸上能夠提供1萬只產品。

SOT-23／89／143是表面貼裝SMT初行時業(yè)界的主要封裝變革范例，現在這類封裝已被尺寸更小巧、熱特性更佳的新型SOT、薄型小外形封裝TSOP、薄型微縮小外形封裝TSSOP、微縮小外形封裝SSOP所逐漸替換，各大廠家均有獨自的創(chuàng)新系列產品及市場目標，例如，5或6條引腳的新型SOT-553／563封裝大大縮減了PCB面積和厚度，超小型、低厚度如表1所示。封裝性能通常按熱特性及其占據的PCB面積之比來進行評估，具體評估情況如表2所示，其熱特性提高的關鍵是采用扁平引腳設計，而表2中的其他兩種類型均為翼型引腳，SOT-553／563已投人數十種小信號的雙極晶體管、開關或肖特基二極管、數字晶體管、偏壓電阻晶體管的封裝生產中，硅以及硅鍺射頻雙極晶體管可采用標準的SOT封裝，工作頻率可達20GHz，小尺寸塑封SOT、TSFP、單／X2晶體管封裝TSLP-3／6等的實際應用覆蓋整個有線和無線領域。表3顯示出市場上常見的貼片式分立功率器件的微型封裝特點，熱阻θJC與封裝形式相關。近年來，功率半導體封裝外包業(yè)務正迅速增長，預測到2006年功率半導體封裝市場的年度復合增長率為36．6%。

隨著微小尺寸封裝技術不斷發(fā)展，許多廠商加速商品化生產占據更小PCB面積的半導體分立器件。與此同時，充分應用微小尺寸封裝的后發(fā)優(yōu)勢，研發(fā)在一個封裝外殼中密封雙／多只分立器件管芯的復合化、陣列化的產品紛紛上市，進一步提高PCB面積效率：另外，還可將有關控制、外圍電路芯片及某些無源元件也組合在一起，發(fā)展成多芯片模塊。

3 復合化封裝

嚴格地講，復合化封裝仍屬微小尺寸封裝類別，只是更多的分立器件管芯被整合進同一封裝中，雙管芯封裝居多，封裝引出腳更多也是一大特色。市場上最常見的有國內生產廠家推出的有引腳直插式封裝5、6、14引腳的開關對管、互補對管、復合對管、4晶體管陣列，結構上有共發(fā)射板、共集電板、獨立雙PNP管、獨立PNP／NPN管、獨立4晶體管陣列、達林頓管等類別，在各類整機多種形式的電路中，PCB的排列緊湊而簡化，焊點相應減少，應用起來十分靈活方便。

在多數情況下，6引腳封裝可以容納單、雙管芯，TSOP-6的引線座增大，能容納的單、雙管芯的最大尺寸分別為(1．016×1．778)mm和(0．6096×0．7112)mm，現用于封裝N和P溝器件、雙N與P溝器件及互補MOSFET。微型封裝Micro 8是一種薄外形8引腳封裝，比SO-8小50％左右，也可封裝一個或兩個管芯，單管芯尺寸面積為(1．778×2．59)mm雙管芯為(1．106×1．778)mm。將MOS-FET與肖特基二極管復合化封裝稱其為FETKY器件，這種混合封裝包括一只控制及同步MOSFET與二極管，可改善電流密度，并使封裝寄生電阻與封裝電感減至最?。罕容^常見的還有把絕緣柵雙極晶體管IGBT和反并聯二極管封裝在一起的結構，便于應用-在一個超微型SOT-666封裝內結合低VCE sat晶體管及帶電阻晶體管功能，推出具備集成負載轉換功能的晶體管，1A、40-80V的SC-74封裝的這種晶體管針對汽車與消費應用：SOT-363分為標準配置和反向配置(半偏置或全偏置)，封裝中裝有兩只相同的雙邏輯門的射頻MOSFET，這種合二為一使得器件更加小型化，并降低PCB面積和成本，同時提供高功率增益、低功能以及靜電放電ESD保護。

二極管以往大多采用雙向(即軸向)或單向的雙條腿引出線封裝，復合化封裝已成為其發(fā)展方向，包括變容、開關、阻尼、調制、肖特基等復合二極管系列產品，特點是超小型化、多功能化，片狀化封裝。在結構上分單一功能管芯(含多個)和兩種管芯的功能復合二極管，外形大多數采用片狀化SOT或TO封裝：國際市場上已有大量二配對、三配對和四配對的復合變容二極管供貨，外形為片狀化或單列直插式封裝，用于電視，通信、儀器等產品中；復合開關二極管內含兩個并聯或串聯的管芯，常被多種電路選用，二極管陣列由3個以上的開關二極管管芯組成，最多的可用十余個管芯組成，外形片狀化以及單列直插式封裝的應用最大面廣：工作電流大于5A的肖特基二極管一般采用TO-220封裝，也可根據需要封裝成雙管芯的TO-254、MO-78，DPAK、B2-01B／C外形，采用雙管芯(3X2)mm微型引腳封裝的高效率小型肖特基對管，具有良好的可焊性及散熱性；阻尼與調制二極管可組成多功能復合二極管，外形TO-220型封裝，開關速度快，導通時損耗小：

總而言之，復合化將幾只管芯封裝在一起，外形很像一塊集成電路，有一定程度的集成化功能，電參數等物理性能的一致性大為提高，便于在許多整機設計場合中應用。

4 焊球陣列封裝

目前，常用功率晶體管的主要封裝方式有金屬氣密F型封裝TO-3管芯金屬結構，塑料封裝TO-220，ISOTO-3P、ISOF-4、TO-3P等多種類型結構，微波功率晶體管有H型、Q型封裝的管芯一陶瓷一金屬結構，雙極型功率晶體管因成本低，仍占有一席之地，功率MOSFET向低內阻、低電壓應用發(fā)展。管芯與封裝占用面積之比也是功率器件封裝改進的重要方向，在以往的SMT封裝中，如TSOP-6、SOT-23、SMA、SMB等，這一比例為20％左右，約80％的封裝面積被浪費掉，無引線封裝的芯片／占用面積比提高到約40％，焊球陣列BGA封裝則進一步提高此比例。利用Spacer技術與溝槽柵工藝生產的管芯，跟先進的BGA封裝相結合，可制造封裝尺寸大為減少的BGA封裝功率MOSFET，其熱傳導性能優(yōu)異，熱阻Rθjc為0．5℃／W，功率密度50W／in2，高效率電流通過能力大，在50W／in2條件下實現每相40A電流，極低寄生源極電感，(5．0×5．5)mm封裝為6pH，導通電阻RDS(on)值低、P溝MOSFET在超小型(1．5×1．5×0．8)mm的BGA封裝內實現高性能，比同級設備現用標準的SSOT-6或TSOP-6封裝MOSFET的尺寸減少了75％，封裝性能因數改善也達75％；采用倒裝芯片技術封裝功率MOSFET的Flip FET，在管芯工藝上巧妙地把源和漏都做在同一個表面上，同時使管芯具有特別強的表面保護能力，有利于采用BGA方式包裝與焊接，并將所有的凸點都設置到封裝單面，芯片與占用面積之比幾乎達100％，這一新型封裝降低了熱阻，消除了其他類型封裝所存在的寄生參數，增加了產品的附加值，保持產品性能優(yōu)勢。

5 直接FET封裝

市場上已有采用多種先進封裝的功率MOS-FET供貨，流行形式有DPAK、SO-8、Power Pak、LFPAK、直接(Direct)FET等，表4示出其中數種性能比較-直接FET封裝結構是專門為低電壓大電流功率MOSFET而研發(fā)的，其PCB占用面積與SO-8封裝相當，厚度僅為0．7mm，遠小于SO-8的1．75mm、管芯被包裹在一個銅質罐形殼帽中，封裝底部特別設計的帶有柵極與源柵焊盤，可直接連接到PCB上；漏極在上，與銅殼蓋帽相連，銅殼蓋帽也焊在PCB上。專有鈍化系統(tǒng)的新型互聯技術可省去引線框架、引線鍵合，銅殼即是散熱器的外殼，從而達到雙面散熱冷卻的作用，電和熱的通道都十分舒暢，使功率密度加倍，革新了器件的熱管理。現已開發(fā)出十余款直接FET封裝的產品上市，接人電路后的測試結果表明，一個直接FET結構在不帶頂部冷卻的情況下，可輕易取代兩個并聯的SO-8封裝，有時能替代兩個并聯的Power Pak，在大電流DC／DC變換器中，可以更低的系統(tǒng)成本和縮減PCB尺寸，大幅度提升功率密度。

6 IGBT封裝

IGBT兼具功率MOSFET和雙極型功率晶體管的特點，現已開發(fā)出第5代技術的產品，在600V以上中等電壓范圍內成為主流功率器件，從模塊化封裝轉向分立單管封裝，做成塑封器件，應用于空調器、洗衣機、微波爐、電飯煲、電磁灶等白色家電中。600V／8A、10A、15A非穿通型IGBT采用D2Pak以及TO-220全絕緣封裝，絕緣能力保證不低于2kV，薄型硅非穿通技術有效降低了關斷能耗，設有“方形”反向偏壓安全工作區(qū)及10μs短路能力。1000V／60A的IGBT采用專有的溝道和非穿通技術生產，TO-264封裝，達到甚至超越IPC／JEDEC(電子器件工程師聯合協會)的J-STD-020B標準要求，具有出色的開關、傳導及耐雪崩陸能。

7 無鉛封裝

各國電子產品無鉛化法令執(zhí)行在即，日本全部采用綠色封裝半導體，美國啟動使用綠色環(huán)保半導體的步伐，歐盟對綠色半導體的使用規(guī)定是到2006年7月必須采用，在國內一些整機大廠商開始提出無鉛封裝產品要求。面對無鉛化與綠色組裝的要求，無鉛封裝已成各分立器件廠家的賣點和爭取訂單的砝碼，從元器件前沿源頭杜絕污染，支持無鉛綠色環(huán)保生產。

分立器件的引腳采用錫鉛鍍層，或凸點制作為鉛錫焊球，有的為90鉛／10錫，以適應PCB連接。無鉛焊料是無鉛封裝的前提和關鍵，無鉛焊料中錫—銀—銅系最為流行，表5示出典型無鉛焊料再流焊工藝：隨著無鉛焊料進程，國外很多廠家不僅推出100％無鉛封裝小信號分立器件系列，超薄超小無鉛封裝分立器件，全綠色封裝等，而且將無鉛化向功率分立器件、玻璃和陶瓷產品轉移，提供功率產品的無鉛封裝，包括高功率模塊、專用或標準功率模塊、功率類型的MOSFET、雙極晶體管、射頻晶體管、肖特基二極管、可控硅、智能模塊等-在一整套100％無鉛塑封小信號分立器件系列產品中，用100％純錫塑工藝取代錫鉛鍍技術，并與鉛基型號完全前向和后向兼容，具備同樣的尺寸與電氣／機械特性，滿足業(yè)界標準的無鉛方案升級：無鉛焊球凸點已投入批量生產，推出一整套無鉛化產品?無鉛封裝功率產品多以錫銀或錫銅二元合金的電鍍層引腳推出，產品達到或超過IPC／JEDEC共同標準J-STD-020B要求。無鉛封裝的研發(fā)與使用牽涉到材料的選擇和工藝修改，無鉛封裝和限量使用有害物質后產品的可靠性不低于原有水平，涉及工藝方面問題多，技術難度大，國內無鉛封裝處于初始階段，日、美、歐大廠商的無鉛封裝量產將形成嚴峻的挑戰(zhàn)。

8 商貿市場現狀

國內分立器件廠家對行業(yè)的發(fā)展一直高度關注，由產品經濟轉入市場經濟，生產形勢呈上升狀態(tài)，發(fā)展現狀如表6所示。

據CCID分析，2003年國內分立器件市場規(guī)模已占全球1／3，今后還將以接近20％的速度增長，國內市場需求主要來自消費電子類、計算機及外設、通信三大領域，產品目前仍以普通晶體管、二極管為主，生產方面以后工序封裝為多，而前工序的管芯芯片制造卻沒有形成可觀的生產規(guī)模，導致產品大進大出，國內市場上進口產品約占90％的市場份額，國內廠家內銷量僅占市場銷量的10％，競爭中以日、歐、美等國外商占優(yōu)勢，表7示出2003年國內分立器件市場前15家供應商排名情況。

誘人的市場吸引了全球眾多頂級半導體供應商的進入，國外分立器件以高端產品為主導，營收額、市場獨占性不及集成電路，產品分散率大，例如變容、開關、肖特基、快恢復整流、瞬變電壓抑制等二極管、功率晶體管、微波器件、電力電子器件等門類及品種繁多，2004年仍有30％左右的增長率，今后的市場年需求量還會持續(xù)增長。各廠家所生產的產品類型各異，市場策略各有千秋，一些廠商在集成電路供貨方面實力雄厚，并不斷強化分立器件的本地化服務，生產轉向國內。例如，歐洲公司飛利浦半導體、英飛凌、意法半導體在分立器件的市場份額不斷擴大，多元化規(guī)模建封裝廠，飛利浦半導體自稱為分立器件的捍衛(wèi)者，銷售額中的22％來自分立器件，在廣東、吉林等地成立合資公司，廣東測試和裝配工廠可年產40億只分立器件，吉林飛利浦半導體有限公司年封裝能力為6億只大功率晶體管等分立器件。樂山菲尼克斯半導體有限公司是美國安森美半導體在全球產量最大、生產成本最低的SOT-23生產基地，主導產品SOT-23產量占國內總量的90％以上，產品出口在95g《以上，到2010年力爭出口創(chuàng)匯5億美元。

市場增長為優(yōu)勢企業(yè)提供做大做強的發(fā)展空間，國內廠家的生產能力顯著增強，是中低檔分立器件生產大國，產品具有國際競爭力。從分立器件行業(yè)銷售總額比重來看，長三角地區(qū)占43．3％，京津環(huán)渤海灣地區(qū)占24．9%，珠三角地區(qū)占19．3％，其他地區(qū)為12．5％，其中長三角地區(qū)企業(yè)占全國封裝業(yè)的80％，產值近70％，長三角的經濟主要面向國內市場。新潮集團長電科技形成年產100億只分立器件能力，在TO-92系列產品基礎上，拓展貼片式封裝器件，上市后募集資金用于組建片式晶體管30億只／年封裝，片式功率MOSFET器件封裝、片式器件封裝檢測生產線全自動化技改等項目，產品上檔次，產業(yè)上規(guī)?？缭绞桨l(fā)展。

封裝具有人力資源、資金需求大，技術門檻相對不高，封裝測試在整個產業(yè)鏈中比較容易進人的特點-許多跨國公司都將封裝測試工廠設置在勞動力成本較低的地方，鑒于市場和成本等原因，國內今后可能成為分立器件的主要產銷地。據專家預測，到2007年，國內分立器件的市場規(guī)模將達到2330億只，543億元。

美國半導體行業(yè)協會SIA最近發(fā)布2004年中市場報告，對于2004年至2007年間的分立器件市場作了最新的預測如表8所示，包括功率晶體管與射頻晶體管在內，2003年為實際值；其他為預測值：盡管對某些數據不同的組織與公司之間仍有一些分歧，但普遍認為市場前景看好，分立器件的封裝為適應市場需求正加快變革。

9 結束語

分立器件封裝技術傳承變換，旺盛的市場需求引發(fā)小空間內的大創(chuàng)新，要全面仔細分類詳述封裝類型及產品遠非本文所涉，只是試圖窺一斑而知全豹，在全球半導體市場大回暖的環(huán)境中，領略感受分立器件封裝的瞬息萬變和發(fā)展趨勢，以及行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，風雨綢繆，轉變觀念，多角度形成發(fā)展分立器件的共識。