电子封装技术的新进展

电子封装技术的新进展

     (华强电子世界网讯) 随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。
    
     电子封装已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融人到芯片制造技术和系统集成技术之中。电子工业的发展离不开电子封装的发展，20世纪最后二十年，随着微电子、光电子工业的巨变，为封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各种先进的封装技术不断涌现，如BGA、CSP、FCIP、WLP、MCM、SIP等，市场份额不断增加，2000年已达208亿美元，电子封装技术已经成为20世纪发展最快、应用最广的技术之一。随着21世纪纳米电子时代的到来，电子封装技术必将面临着更加严峻的挑战，也孕育着更大的发展。
    
     1 电子封装技术的发展阶段
    
     电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的，一代器件需要一代封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史，以集成电路所需的微电子封装为例，其大致可分为以下几个发展阶段：
    
     第一个阶段为80年代之前的通孑L安装(THD)时代，通孔安装时代以TO型封装和双列直插封装为代表，IC的功能数不高，弓td却数较小(小于64)，板的装配密度的增加并不重要，封装可由工人用手插入PCB板的通孔中，引线节距固定，引线数的增加将意味着封装尺寸的增大，封装的最大安装密度是10脚／cm'，随着新的封装形式的不断涌现，这类封装将加速萎缩，预计其市场份额将从2000年的15％降到2005年的7％。
    
     第二阶段是80年代的表面安装器件时代，表面安装器件时代的代表是小外形封装(SOP)和扁平封装(QFP)，他们大大提高了管脚数和组装密度，是封装技术的一次革命，正是这类封装技术支撑着日本半导体工业的繁荣，当时的封装技术也由日本主宰，因此周边引线的节距为公制(1.0、0.8、0.65、0.5、0.4mm)，并且确定了80％的收缩原则，这些封装的设计概念与DIP不同，其封装体的尺寸固定而周边的引线节距根据需要而变化，这样也提高了生产率，最大引线数达到300，安装密度达到10-50脚／cm'，此时也是金属引线塑料封装的黄金时代。
    
     第三个阶段是90年代的焊球阵列封装(BGA)／芯片尺寸封装(CSP)时代，日本的半导体工业在80年代一直领先于美国，而90年代美国超过了日本，占据了封装技术的主导地位，他们加宽了引线节距并采用了底部安装引线的BGA封装，BGA的引线节距主要有1.5mm和1.27mm两种，引线节距的扩大极大地促进了安装技术的进步和生产效率的提高，BGA封装的安装密度大约是40-60脚／cm2，随后日本将BGA的概念用于CSP，开发了引线节距更小的CSP封装，其引线节距可小到1.0mm以下，CSP封装进一步减少了产品的尺寸和重量，提高了产品的竞争力，随着CSP在日本的大批量生产，BGA时代也就慢慢地过渡到了BGA／CSP时代。
    
     封装业界普遍预测21世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展阶段3D叠层封装时代--其代表性的产品将是系统级封装(SIP:systemin a package)，它在封装观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统，SIP实际上就是一系统基的多芯片封装(systemMCP)，它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封装效率提高60-80％，使电子设备减小1000倍，性能提高10倍，成本降低90％，可靠性增加10倍。
    
     2 电子封装技术的发展趋势
    
     电子器件的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等要求将继续推动着电子封装技术向着更高的性能发展，纵观近几年的电子封装产业，其发展趋势如下：
    
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     ●电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式。
    
     ●电子封装技术继续朝着超小型的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型封装形式--圆晶级封装技术(WLP)。
    
     ●电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现3D-MCM，也出现了3D-SIP等封装形式。
    
     ●电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块(MCM)外还有多芯片封装(MCP)、系统级封装(SIP)及叠层封装等。
    
     ●电子封装技术从分立向系统方向发展，出现了面向系统的SOC(片上系统)、SOP和SIP等封装形式。
    
     ●电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率、高性能仍然是发展的主题。
    
     ●电子封装技术向高度集成方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成等多种高集成方式。
    
     3 电子封装的最新进展
    
     在过去的40年，电子封装技术在封装材料、封装技术、封装性能以及封装的应用等方面均取得了巨大的进步，封装效率成几何倍数增长(硅片面积与封装面积的比值)，PGA的封装效率小于10％，BGA是20％，CSP的封装效率大于80％，MCM的封装效率可达90％，在最近几年，随着新的封装技术的出现，封装效率可超过100％，五芯片叠层封装的封装效率可达300％。电子封装技术已经成为电子领域的一颗明珠，电子封装技术的最新进展如下：
    
     3．1 封装新材料
    
     3．1．1 低温共烧陶瓷材料(LTCC)--未来的陶瓷封装
    
     所谓的LTCC是与HTCC(高温共烧陶瓷)相对应的一类封装材料，它主要是由一些玻璃陶瓷组成，烧结温度低(900℃左右)，可与贱金属共烧，介电常数低、介电损耗小、可以无源集成等，尤其是其特别优良的高频性能，使其成为许多高频应用的理想材料，该技术开始于80年代中期，经过十几年的开发和应用、已经日臻成熟和完善，并在许多领域获得了广泛的应用，在军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域，LTCC技术均获得了极大的成功，有人称LTCC代表着未来陶瓷封装的发展方向。
    
     3.1.2高导热率氮化铝陶瓷材料--未来的高功率电子封装材料
    
     氮化铝陶瓷材料是90年代才发展起来的一种新型高热导率电子封装材料，由于其热导率高、热膨胀系数与硅相匹配、介电常数低、高绝缘，而成为最为理想的微电子封装材料，目前已经在微波功率器件、毫米波封装、高温电子封装等领域获得了应用，随着氮化铝制备技术的不断完善和价格的进一步降低，氮化铝陶瓷封装必将得到更大的发展，成为未来功率电子封装的主流。
    
     3．1．3 AISiC材料--新型的金属基复合材料
    
     AISiC金属基复合材料为封装的设计者提供了一套独特的材料特性，可用于高性能高级热处理的封装设计，总的来说与传统的封装材料相比，A1SiC具有以下特性，第一是该材料可以净尺寸加工，避免了繁杂的后加工处理，第二是该材料具有高的热导率，与半导体芯片相匹配的热膨胀系数以及非常低的密度，A1SiC复合材料将是一种新的高性能金属基复合材料，在不远的将来它将替代目前使用的CuW、CuMo材料，成为重要的电子封装热沉材料。
    
     3．2电子封装技术的进展
    
     3．2．1 当前的封装技术
    
     (1)BGA封装
    
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     BGA封装技术的出现是封装技术的一大突破，它是近几年来推动封装市场的强有力的技术之一，BGA封装一改传统的封装结构，将引线从封装基板的底部以阵列球的方式引出，这样不仅可以安排更多的I／O，而且大大提高了封装密度，改进了电性能，如果它再采用MCM(多芯片模块)封装或倒装片技术，有望进一步提高产品的速度和降低复杂性。
    
     BGA封装2005年的市场将达25亿块，2000-2005年之间的平均市场增长率为20％，增长速率低于CSP。BGA与CSP不同，其产品中82％采用的是硬质基板，软质基板的量还不足5％。
    
     (2)封装倒装片(FCIP)
    
     倒装片技术是一种先进的非常有前途的集成电路封装技术，它分为封装倒装片(FCIP)和板上倒装片(FCOB)两种，封装倒装片是一种由IBM公司最先使用的先进封装技术，它是利用倒装技术将芯片直接装入一个封装体内，倒装片封装可以是单芯片也可以是多芯片形式，倒装片的发展历史已将近40年，它的突出优点是体积小和重量轻，在手持或移动电子产品中使用广泛。
    
     由于显示器驱动器市场的不断壮大，推动着倒装片封装技术的发展，预计倒装片封装的数量将会增大，到2005年将会达到40-45亿块。
    
     (3)多芯片模块(MCM)
    
     MCM是90年代兴起的一种混合微电子组装技术，它是在高密度多层布线基板上，将若干裸芯片IC组装和互连，构成更复杂的或具有子系统功能的高级电子组件，MCM的基本结构主要有三种：MCM-L、MCM-C、MCM-D，现在已出现了将这些技术组合在一起的趋势如MCM-C／D、MCM-L／D、MCM-E／F、MCM-L／D等，MCM的主要特点是布线密度高，互连线短、体积小、重量轻和性能高等，MCM技术自问世以来就受到了世界各国的广泛重视，并被列为美国十大军用高技术之一。
    
     目前MCM已被广泛用于计算机、通信、军事、航空和航天等领域，随着其KGD主要障碍的突破，其应用范围和数量都将进一步扩大，预计世界MCM的平均年增长率超过35％，2000年已达200亿美元。
    
     (4)CSP封装
    
     CSP封装是BGA封装进一步小型化、薄型化的结果，是90年代推出的一种新的超小型封装技术，它主要是指封装面积不大于芯片尺寸1.2倍的封装，其特点是尺寸小、成本低、功耗低等，目前CSP已有上百个品种，CSP之所以受到极大的关注是由于它能提供比BGA更高的组装密度，虽然它的组装密度还不如FCIP，但其工艺简单，基本和SMT相同，CSP是最终的超小型封装，它给高性能、低成本、微型化的高密度封装带来了希望，并解决了KGD的供给难题。
    
     目前，CSP正在向手机市场进军，2000年CSP的世界市场为14．5亿块，超过了BGA(10．2亿块)，预计2005年CSP将达68亿块，5年间的年平均增长率达36％。
    
     3．2．2 未来的封装技术
    
     (1)圆片级封装(WLP)技术
    
     圆片级封装和圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)是同一概念，它是芯