一文詳解電子微組裝封裝

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)。

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(guò)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(hào)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(guó)喬治亞理工學(xué)院的Rao R. Tummala等在“微電子封裝手冊(cè)”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。

二、功能

電子微組裝封裝安裝的微組裝技術(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)。

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(lái)的，也稱(chēng)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(hào)，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(méi)有封裝的芯片無(wú)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(wèn)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(hào)分配。為盡可能減小電信號(hào)的延遲，在布線時(shí)要盡可能使信號(hào)線與芯片的互連路徑及通過(guò)封裝的I/O引出路徑達(dá)到最短。對(duì)于高頻信號(hào)，還要考慮信號(hào)間的串?dāng)_，以進(jìn)行合理的信號(hào)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(zhǎng)期工作時(shí)如何將聚集的熱量散出的問(wèn)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(duì)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(guò)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(lái)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(jí)

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(jí)，典型的微電子封裝分級(jí)如圖1所示。

圖1 典型的微電子封裝分級(jí)

由圖1可知，〇級(jí)封裝被定義為在圓片上的制作過(guò)程，如IC制造、倒裝芯片（Flip Chip）的凸點(diǎn)形成等；也有將〇級(jí)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(lèi)，一類(lèi)是標(biāo)準(zhǔn)系列化芯片，另一類(lèi)是針對(duì)系統(tǒng)用戶特殊要求的專(zhuān)用芯片。

一級(jí)微封裝又稱(chēng)為芯片級(jí)封裝（簡(jiǎn)稱(chēng)一級(jí)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(jí)封裝著重于將單個(gè)器件或多個(gè)元器件封裝起來(lái)，而所涉及的封裝形式則有很多，其封裝類(lèi)型如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，常根據(jù)芯片數(shù)量把一級(jí)封裝簡(jiǎn)單分為單芯片封裝和多芯片封裝兩大類(lèi)。

前者是對(duì)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(jí)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(jí)微電子封裝的分類(lèi)

二級(jí)微電子封裝又稱(chēng)板級(jí)封裝（簡(jiǎn)稱(chēng)二級(jí)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(jí)封裝以SMT為主體，通過(guò)一系列構(gòu)成板卡的裝配工序，將多個(gè)完成一級(jí)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(jiàn)的計(jì)算機(jī)主板生產(chǎn)就屬于二級(jí)封裝的范疇。二級(jí)封裝的典型產(chǎn)品：混合微電路或多芯片模塊。

三級(jí)微電子封裝又稱(chēng)單元組裝，即采用插卡或插座技術(shù)將多個(gè)二級(jí)封裝的板卡通過(guò)插接端子，搭載在稱(chēng)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(jí)封裝的典型產(chǎn)品：柜式組件單元和印制線路組件。

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(jí)、二級(jí)封裝技術(shù)之間的界限已經(jīng)模糊了。國(guó)內(nèi)基本上把〇級(jí)和一級(jí)封裝形式稱(chēng)為封裝，一般在元器件研制和生產(chǎn)單位完成。把相對(duì)應(yīng)國(guó)際統(tǒng)稱(chēng)的二級(jí)和三級(jí)封裝形式稱(chēng)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。