電子微組裝封裝概念

本篇為《電子微組裝可靠性設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）》節(jié)選

電子微組裝封裝技術(shù)，是用于電子元器件、電子微組裝組件（HIC、MCM、SiP等）內(nèi)部電互連和外部保護(hù)性封裝的重要技術(shù)，它不僅關(guān)系到電子元器件、電子微組裝組件自身的性能和可靠性，還影響到應(yīng)用這些產(chǎn)品的電子設(shè)備功能和可靠性，特別是對電子設(shè)備小型化和集成化設(shè)計(jì)有著重要影響。

在電子器件的生產(chǎn)中，電子產(chǎn)品體積的70%～99%由封裝手段決定；封裝成本占產(chǎn)品成本的30%～80%；超過50%的產(chǎn)品失效與封裝有關(guān)；60%以上的熱阻源于封裝；50%以上的信號延遲源于封裝；電子器件50%以上的電阻源于封裝。

一、定義

美國喬治亞理工學(xué)院的Rao R. Tummala等在“微電子封裝手冊”中將微電子封裝定義為：將一定功能的集成電路芯片，放置到一個(gè)與之相應(yīng)的外殼容器中，為芯片提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境；同時(shí)，封裝也是芯片各個(gè)輸入端、輸出端與外界的過渡手段，并且能有效地將封裝內(nèi)元器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量向外擴(kuò)散，從而形成一個(gè)完整的整體，并通過一系列的性能測試、篩選和各種環(huán)境、氣候、機(jī)械試驗(yàn)，來確保元器件的質(zhì)量，使之具有穩(wěn)定、正常的功能

二、功能

電子微組裝封裝技術(shù)，包括電子微組裝技術(shù)和組件封裝技術(shù)。其中，電子微組裝技術(shù)指組件內(nèi)部元器件、基板安裝的微組裝技術(shù)和實(shí)現(xiàn)局部微區(qū)電互連的微互連技術(shù)，如芯片焊料焊接或燒結(jié)、元件有機(jī)膠黏結(jié)等微組裝，絲鍵合、基板互連通孔、硅基板TSV等電連接的微互連；組件封裝技術(shù)指組件外部保護(hù)性封裝技術(shù)，如模塑封裝、陶瓷氣密封裝、金屬氣密封裝等。

電子微組裝封裝技術(shù)是在電子器件傳統(tǒng)封裝技術(shù)上發(fā)展起來的，也稱微電子封裝技術(shù)，它不僅包含傳統(tǒng)的封裝技術(shù)，更拓展了高密度組裝和封裝技術(shù)。在微組裝組件中單片集成電路、IC芯片功能的實(shí)現(xiàn)，要靠連接引出信號，即靠封裝組成半導(dǎo)體器件，因此，封裝不僅是IC支撐、保護(hù)的必要條件，也是其功能實(shí)現(xiàn)的組成部分，沒有封裝的芯片無法正常工作。采用電子微組裝封裝技術(shù)的電子微組裝組件，其組裝和封裝應(yīng)具備以下四種功能[3]。

（1）電源分配。微組裝組件的封裝結(jié)構(gòu)首先為芯片接通電源，使電流流通。其次，根據(jù)組件內(nèi)部器件不同部位所需電源不同的原理，能合理地為不同部位提供合理的電源分配，包括地線的分配問題，以減少電源的不必要損耗，這在組件的多層布線基板上尤為重要。

（2）信號分配。為盡可能減小電信號的延遲，在布線時(shí)要盡可能使信號線與芯片的互連路徑及通過封裝的I/O引出路徑達(dá)到最短。對于高頻信號，還要考慮信號間的串?dāng)_，以進(jìn)行合理的信號分配布線和接地線分配。

（3）散熱通道。各種微電子封裝都要考慮器件、部件長期工作時(shí)如何將聚集的熱量散出的問題。不同的微組裝封裝結(jié)構(gòu)和材料具有不同的散熱效果，對于大功耗的微電子封裝，還要考慮附加熱沉或使用強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷的方式，以保證系統(tǒng)在使用溫度要求范圍內(nèi)正常工作。

（4）機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)。微組裝組件的組裝封裝結(jié)構(gòu)為器件芯片和其他元件提供可靠的機(jī)械支撐，并且能夠適應(yīng)熱、機(jī)械、潮濕等環(huán)境及環(huán)境應(yīng)力的變化。微組裝組件在試驗(yàn)和使用過程中，各種環(huán)境因素可能為半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性、可靠性帶來很大影響，所以微組裝和封裝結(jié)構(gòu)還應(yīng)為內(nèi)部芯片和元件提供可靠的環(huán)境保護(hù)功能。

三、分級

根據(jù)電子行業(yè)的定義，微電子封裝依照制作工藝、流程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可以分為四個(gè)不同層次的分級，典型的微電子封裝分級如圖1所示。

 圖1 典型的微電子封裝分級

由圖1可知，〇級封裝被定義為在圓片上的制作過程，如IC制造、倒裝芯片（Flip Chip）的凸點(diǎn)形成等；也有將〇級封裝泛指未加封裝的裸芯片，芯片由半導(dǎo)體廠商提供，分兩大類，一類是標(biāo)準(zhǔn)系列化芯片，另一類是針對系統(tǒng)用戶特殊要求的專用芯片。

一級微封裝又稱為芯片級封裝（簡稱一級封裝），即采用微組裝微互連技術(shù)和外殼封裝技術(shù)將單芯片或多芯片封裝在一個(gè)包封和氣密封裝腔體內(nèi)，是目前微電子封裝的主體。一級封裝著重于將單個(gè)器件或多個(gè)元器件封裝起來，而所涉及的封裝形式則有很多，其封裝類型如圖2所示。一般來說，常根據(jù)芯片數(shù)量把一級封裝簡單分為單芯片封裝和多芯片封裝兩大類。前者是對單個(gè)裸芯片進(jìn)行封裝；后者則是將多個(gè)裸芯片或尺寸封裝芯片搭載于多層基板上進(jìn)行封裝。一級封裝的典型產(chǎn)品：分立電子器件、混合集成電路、多芯片組件和SiP組件。

圖2 一級微電子封裝的分類

二級微電子封裝又稱板級封裝（簡稱二級封裝），即采用表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Techology, SMT）等技術(shù)將帶封裝的分立元器件組裝到基板上（PCB或其他布線基板）。二級封裝以SMT為主體，通過一系列構(gòu)成板卡的裝配工序，將多個(gè)完成一級封裝的單芯片封裝或多芯片組件，安裝在PCB等多層基板上，也有將裸芯片直接安裝在PCB上形成的組件，基板周邊設(shè)有插接端子，用于與母板及其他板卡的電氣連接。常見的計(jì)算機(jī)主板生產(chǎn)就屬于二級封裝的范疇。二級封裝的典型產(chǎn)品：混合微電路或多芯片模塊。

三級微電子封裝又稱單元組裝，即采用插卡或插座技術(shù)將多個(gè)二級封裝的板卡通過插接端子，搭載在稱為母板的大型PCB上，構(gòu)成單元組件，形成密度更高、功能更多、更復(fù)雜的三維立體封裝單元產(chǎn)品。傳統(tǒng)的三級封裝的典型產(chǎn)品：柜式組件單元和印制線路組件（Printed Wire Assembly, PWA）。

由于導(dǎo)線和導(dǎo)電帶與芯片間鍵合焊接技術(shù)的大量應(yīng)用，一級、二級封裝技術(shù)之間的界限已經(jīng)模糊了。國內(nèi)基本上把〇級和一級封裝形式稱為封裝，一般在元器件研制和生產(chǎn)單位完成。把相對應(yīng)國際統(tǒng)稱的二級和三級封裝形式稱為電子組裝。微電子封裝不但直接影響著電路本身的電性能、機(jī)械性能、光性能和熱性能，還在很大程度上決定著電子整機(jī)系統(tǒng)的小型化、多功能化、可靠性和成本。