电子技术毕业论文微电子封装工艺的发展.doc

毕业论文设计课题名称微电子封装工艺的发展专业班级电子科学与技术班学号姓名指导教师微电子封装工艺的发展摘要本文介绍微电子封装技术的发展过程和趋势同时介绍了各个时期不同种类的封装技术也做了对现在国内对于微电子封装技术不足的分析和对发展前景的展望和构想关键字为电子封装发展趋势优点一封装技术的发展从年代中后期开始电子产品正朝着便携式小型化网络化和多媒体化方向发展这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求单位体积信息的提高高密度和单位时间处理速度的提高高速化成为促进微电子封装技术发展的重要因素片式元件小型化高性能片式元件是应用最早产量最大的表面组装元件它主要有以厚薄膜工艺制造的片式电阻器和以多层厚膜共烧工艺制造的片式独石电容器这是开发和应用最早和最广泛的片式元件随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化高性能高可靠性安全性和电磁兼容性的需求对电子电路性能不断地提出新的要求片式元件进一步向小型化多层化大容量化耐高压集成化和高性能化方向发展在铝电解电容和钽电解电容片式化后现在高值耐高温低失真的高性能已投放市场介质厚度为的电容器已商品化层数高达层之多出现了片式多层压敏和热敏电阻片式多层电感器片式多层扼流线圈片式多层变压器和各种片式多层复合元件在小型化方面规格尺寸从发展目前最新出现的是长宽体积缩小为原来的集成化是片式元件未来的另一个发展趋势它能减少组装焊点数目和提高组装密度集成化的元件可使效率芯片面积基板面积达到以上并能有效地提高电路性能由于不在电路板上安装大量的分立元件从而可极大地解决焊点失效引起的问题芯片封装技术追随的发展而发展数十年来芯片封装技术一直追随着的发展而发展一代就有相应一代的封装技术相配合而的发展更加促进芯片封装技术不断达到新的水平六七十年代的中小规模曾大量使用型封装后来又开发出并成为这个时期的主导产品形式八十年代出现了相应的封装形式开发出适于表面贴装短引线或无引线的等结构在此基础上经十多年研制开发的不但解决了的封装问题而且适于使用在或其他基板上表面贴装使终于成为主导电子产品并延续至今为了适应电路组装密度的进一步提高的引脚间距目前已从发展到了由于引脚间距不断缩小数不断增加封装体积也不断加大给电路组装生产带来了许多困难导致成品率下降和组装成本的提高另一方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制已是引脚间距的极限这都限制了组装密度的提高于是一种先进的芯片封装应运而生是球栅阵列的英文缩写它的端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面引线间距大引线长度短技术的优点是可增加数和间距消除技术的高数带来的生产成本和可靠性问题的兴起和发展尽管解决了面临的困难但它仍然不能满足电子产品向更加小型更多功能更高可靠性对电路组件的要求也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求所以更新的封装又出现了它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大日本电子工业协会对规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于与结构基本一样只是锡球直径和球中心距缩小了更薄了这样在相同封装尺寸时可有更多的数使组装密度进一步提高可以说是缩小了的之所以受到极大关注是由于它提供了比更高的组装密度而比采用倒装片的板极组装密度低但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂没有倒装片的裸芯片处理问题基本上与的组装工艺相一致并且可以像那样进行预测和返工正是由于这些无法比拟的优点才使得以迅速发展并进入实用化阶段目前日本有多家公司生产而且正越来越多地应用于移动电话数码录像机笔记本电脑等产品上从近几年的发展趋势来看将取代成为高端子封装的主流为了最终接近本征传输速度满足更高密度更高功能和高可靠性的电路组装的要求还必须发展裸芯片技术裸芯片技术有两种主要形式一种是技术另一种是倒装片技术技术用技术封装的裸芯片是芯片主体和端子在晶体上方在焊接时将此裸芯片用导电导热胶粘接在上凝固后用机将金属丝或在超声热压的作用下分别连接在芯片的端子焊区和相对应的焊盘上测试合格后再封上树脂胶与其它封装技术相比技术有以下优点价格低廉节约空间工艺成熟技术也存在不足即需要另配焊接机及封装机有时速度跟不上贴片对环境要求更为严格无法维修等技术又称为倒装片与相比芯片结构和端锡球方向朝下由于引出端分布于整个芯片表面故在封装密度和处理速度上已达到顶峰特别是它可以采用类似技术的手段来加工故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向年代该技术已在多种行业的电子产品中加以推广特别是用于便携式的通信设备中裸芯片技术是当今最先进的微电子封装技术随着电子产品体积的进一步缩小裸芯片的应用将会越来越广泛从年以来裸芯片的年增长率已达到之多发展较为迅速的裸芯片应用包括计算机的相关部件如微处理器高速内存和硬盘驱动器等除此之外一些便携式设备如电话机和传呼机也可望于近期大量使用这一先进的半导体封装技术最终所有的消费电子产品由于对高性能的要求和小型化的发展趋势也将大量使用裸芯片技术元器件的缩小则可以大大推进电子产品体积的缩小以移动电话为例年代重而现在最轻的已达克可以很容易地放进上衣口袋里微组装新一代组装技术微组装技术是年代以来在半导体集成电路技术混合集成电路技术和表面组装技术的基础上发展起来的新一代电子组装技术微组装技术是在高密度多层互连基板上采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片形成高密度高速度高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术多芯片组件就是当前微组装技术的代表产品它将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上然后封装在外壳内是电路组件功能实现系统级的基础采用裸芯片直接安装技术或使电路图形线宽达到几微米到几十微米的等级在的基础上设计与外部电路连接的扁平引线间距为把几块借助组装在普通的上就实现了系统或系统的功能当前已发展到叠装的三维电子封装即在二维平面电子封装基础上向方向即空间发展的高密度电子封装技术实现不但使电子产品密度更高也使其功能更多传输速度更快性能更好可靠性更好而电子系统相对成本却更低对发展影响最大的莫过于芯片因为高成品率要求各类芯片都是良好的芯片而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选给组装带来了不确定因素的出现解决了问题不但具有裸芯片的优点还可像普通芯片一样进行测试老化筛选使的成品率才有保证大大促进了的发展和推广应用二封装技术种类自二十世纪几十年代以来迅速发展的新型微电子封装技术包括寒秋阵列封装芯片尺寸封装原片级封装三位封装和系统封装等项技术焊球阵列封装阵列封装是世界上九十年代初发展起来的一种新型封装这种的突出的优点电性能更好用焊球代替引线引出路径短减少了引脚延迟电阻电容和电感封装密度更高由于焊球是整个平面排列因此对于同样面积引脚数更高例如边长为的当焊球节距为时有只引脚相比之下边长为引脚节距为的只有只引脚的节距为和与现有的表面安装工艺和设备完全相容安装更可靠由于焊料熔化时的表面张力具有自对准效应避免了传统封装引线变形的损失大大提高了组装成品率引脚牢固转运方便焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装因此得到爆炸性的发展因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装陶瓷焊球阵列封装载带焊球阵列封装带散热器焊球阵列封装金属焊球阵列封装还有倒装芯片焊球阵列封装可应用于表面安装这是它的主要优点但是当的引线节距达到时它的组装技术的复杂性将会增加所以一般用于较低引线数条和较小的封装休尺寸见方因此在引线数大于条以上和封装体尺寸超过见方的应用中封装取代是必然的在以上几类封装中最有希望成为发展最快的封装我们不妨以它为例叙述的工艺技术和材料除了具有的所有优点以外还具有热性能优良芯片背面可安装散热器可靠性高由于芯片下填料的作用使抗疲劳寿命大大增强可返修性强所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术倒装芯片焊接技术多层印制板制作技术包括多层陶瓷基板和树脂基板芯片底部填充技术焊球附接技术散热板附接技术等它所涉及的封装材料主要包括以下几类凸点材料和等凸点下金属化材料或焊接材料焊料无铅焊料多层基板材料高温共烧陶瓷基板低温共烧陶瓷基板树脂基板底部填充材料液态树脂导热胶硅树脂散热板铜目前国际上的典型系列示于表芯片尺寸封装芯片尺寸封装和是同一时代的产物是整机小型化便携化的结果美国给的定义是芯片封装面积小于或等于芯片面积的封装称为由于许多采用的形式所以最近两年封装界权威人士认为焊球节距大于等于的为小于的为由于具有更突出的优点近似芯片尺寸的超小型封装保护裸芯片电热性优良封装密度高便于测试和老化便于焊接安装和修整更换因此九十年代中期得到大跨度的发展每年增长一倍左右由于正在处于蓬勃发展阶段因此它的种类有限多如刚性基板柔性基板引线框架型微小模塑型焊区阵列微型凸点芯片载体型芯片迭层型和圆片级等的引脚节距一般在以下有和等表示出了系列一般地都是将圆片切割成单个芯片后再实施后道封装的而则不同它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的最后将圆片直接切割成分离的独立器件所以这种封装也称作圆片级封装因此除了的共同优点外它还具有独特的优点封装加工效率高可以多个圆片同时加工具有倒装芯片封装的优点即轻薄短小与前工序相比只是增加了引脚重新布线和凸点制作两个工序其余全部是传统工艺减少了传统封装中的多次测试因此世界上各大型封装公司纷纷投入这类的研究开发和生产的不足是目前引脚数较低还没有标准化和成本较高图示出了的外形图图示出了这种的工艺流程所涉及的关键技术除了前工序所必须的金属淀积技术光刻技术蚀刻技术等以外还包括重新布线技术和凸点制作技术通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层为了使适应了二级封装较宽的焊盘节距需将这些焊盘重新分布使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布这就需要重新布线技术另外将方形铝焊盘改为易于与焊料粘接的圆形铜焊盘重新布线中溅射的凸点下金属如中的应有足够的厚度如数百微米以便使焊料凸点连接时有足够的强度也可以用电镀加厚层焊料凸点制作技术可采用电镀法化学镀法蒸发法置球法和焊膏印刷法目前仍以电镀法最为广泛其次是焊膏印刷法重新布线中材料为或所用的介质材料为光敏苯并环丁烯或聚酰亚胺凸点材料有等封装封装主要有三种类型即埋置型封装当前主要有三种途径一种是在各类基板内或多层布线介质层中埋置或等元器件最上层再贴装和来实现立体封装这种结构称为埋置型封装第二种是在硅圆片规模集成后的有源基板上再实行多层布线最上层再贴装和从而构成立体封装这种结构称为有源基板型封装第三种是在封装的基础上把多个裸芯片封装芯片多芯片组件甚至圆片进行叠层互连构成立体封装这种结构称作叠层型封装在这些封装类型中发展最快的是叠层裸芯片封装原因有两个一是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动要求在增加功能的同时减薄封装厚度二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容经过改进很快能批量生产并投入市场据预测世界的手机销售量将从年的增加到年的年增长率达到因此在这个基础上估计叠层裸芯片封装从目前到年将以的速度增长图示出了叠层裸芯片封装的外形它的目前水平和发展趋势示于表叠层裸芯片封装有两种叠层方式一种是金字塔式从底层向上裸芯片尺寸越来越小另一种是悬梁式叠层的芯片尺寸一样大应用于手机的初期叠层裸芯片封装主要是把和叠在一起目前已能把逻辑和模拟等叠在一起叠层裸芯片封装所涉及的关键技术有如下几个圆片减薄技术由于手机等产品要求封装厚度越来越薄目前封装厚度要求在以下甚至而叠层芯片数又不断增加因此要求芯片必须减薄圆片减薄的方法有机械研磨化学刻蚀或机械研磨减薄一般在左右而用等离子刻蚀方法可达到对于的减薄正在研发中低弧度键合因为芯片厚度小于所以键合弧度高必须小于目前采用金丝的正常键合弧高为而用反向引线键合优化工艺后可以达到以下的弧高与此同时反向引线键合技术要增加一个打弯工艺以保证不同键合层的间隙悬梁上的引线键合技术悬梁越长键合时芯片变形越大必须优化设计和工艺圆片凸点制作技术键合引线无摆动模塑技术由于键合引线密度更高长度更长形状更复杂增加了短路的可能性使用低粘度的模塑料和降低模塑料的转移速度有助于减小键合引线的摆动目前已发明了键合引线无摆动模塑技术系统封装实现电子整机系统的功能通常有两个途径一种是系统级芯片简称即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能另一种是系统级封装简称即通过封装来实现整机系统的功能从学术上讲这是两条技术路线就象单片集成电路和混合集成电路一样各有各的优势各有各的应用市场在技术上和应用上都是相互补充的关系作者认为应主要用于应用周期较长的高性能产品而主要用于应用周期较短的消费类产品是使用成熟的组装和互连技术把各种集成电路如电路电路电路或者光电子器件器件以及各类无源元件如电容电感等集成到一个封装体内实现整机系统的功能主要的优点包括采用现有商用元器件制造成本较低产品进入市场的周期短无论设计和工艺有较大的灵活性把不同类型的电路和元件集成在一起相对容易实现美国佐治亚理工学院研究开发的单级集成模块简称就是的典型代表该项目完成后在封装效率性能和可靠性方面提高倍尺寸和成本较大下降到年预期达到的目标包括布线密度达到热密度达到元件密度达到密度达到尽管还是一种新技术目前尚不成熟但仍然是一个有发展前景的技术尤其在中国可能是一个发展整机系统的捷径三国内外比较我国封装技术与国外封装技术的差距所在封装技术人才严重短缺缺少制程式改善工具的培训及持续提高培训的经费及手段先进的封装设备封装材料及其产业链滞后配套不拿且质量不稳定封装技术研发能力不足生产工艺程序设计不周伞可操作性差执行能力弱封装设备维护保养能力欠伟缺少有经验的维修工程师且可靠性实验设备不齐全失效分析能力不足国内封装企业除个别企业外普遍规模较小从事低端产品生产的居多可持续发展能力低缺乏向高档发展的技术和资金缺少团队精神缺乏流程整合持续改善精细管理的精神缺少现代企业管理的机制和理念四思考和建议先进封装在推动更高性能更低功耗更低成本和更小形状因子的产品上发挥着至关重要的作用在芯片封装协同设计以及为满足各种可靠性要求而使用具成本效益的材料和工艺方面还存在很多挑战为满足当前需求并使设备具备高产量大产能的能力业界还需要在技术和制造方面进行众多的创新研究在能量效率医疗护理公共安全和更多领域都需要创新的封装解决方案面对世界蓬勃发展的微电子封装形势分析我国目前的现状我们必须深思一些问题微电子封装与电子产品密不可分已经成为制约电子产品乃至系统发展的核心技术是电子行业先进制造技术之一谁掌握了它谁就将掌握电子产品和系统的未来微电子封装必须与时俱进才能发展国际微电子封装的历史证明了这一点我国微电子封装如何与时俱进当务之急是研究我国微电子封装的发展战略制订发展规划二是优化我国微电子封装的科研生产体系三是积极倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创技术否则我们将越跟踪越落后在这一点上我们可以很好地借鉴韩国和台湾的经验高度重视微电子三级封装的垂直集成我们应该以电子系统为龙头牵动一级二级和三级封装方能占领市场提高经济效益不断发展我们曾倡议把手机和雷达作为技术平台发展我国的微电子封装就是出于这种考虑高度重视不同领域和技术的交叉及融合不同材料的交叉和融合产生新的材料不同技术交叉和融合产生新的技术不同领域的交叉和融合产生新的领域我们国家已经有了一定的基础在电子学会已经有不少分会和机构技术领域已涉及电子电路电子封装表面贴装电子装联电子材料电子专用设备电子焊接和电子电镀等过去同行业交流很多但不同行业交流不够我们应该充分发挥电子学会各分会的作用积极组织这种技术交流参考文献高尚通杨克武新型微电子封装技术电子与封装李可为编著集成电路芯片封装技术北京电子工业出版社