電子封裝結(jié)構(gòu)演變與微連接技術(shù)的關(guān)系

蔡重陽(yáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

1 微電子封裝結(jié)構(gòu)演變及相關(guān)連接技術(shù)

電子封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展大致經(jīng)歷如下四個(gè)階段：

第一階段：20世紀(jì)80年代之前的通孔安裝時(shí)代，以通孔器件和插件為主，以TO型封裝和雙列直插式封裝（DIP）為代表，這一階段立體技術(shù)為針腳插裝（PTH）[3]。在組裝到印刷線路板上時(shí)，引線插入PCB上的金屬化孔，通過(guò)釬焊方法將引線、焊盤和金屬化孔連成一體，通過(guò)波峰焊接和機(jī)械接觸實(shí)現(xiàn)器件的機(jī)械和電學(xué)連接。由于需要較高的對(duì)準(zhǔn)精度，因而組裝效率較低，器件封裝密度也低，不能滿足高效率自動(dòng)化生產(chǎn)要求。

第二階段：20世紀(jì)80年代以后，以表面貼裝類型的四邊引線封裝為主的表面貼裝技術(shù)（SMT）迅速發(fā)展，它改變了傳統(tǒng)的PTH插裝形式，通過(guò)微細(xì)的引線將集成電路芯片貼裝到PCB上，器件通過(guò)再流技術(shù)進(jìn)行焊接，由于再流焊接過(guò)程中焊錫熔化時(shí)的表面張力產(chǎn)生自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)，降低了對(duì)貼片精度的要求，同時(shí)再流焊代替了波峰焊，也提高了組裝良品率[4]，以小外形封裝（SOP）和扁形封裝（QFP）為代表。大大提高了管腳數(shù)和組裝密度，是封裝技術(shù)的一次革命。

第三階段：20世紀(jì)90年代中前期，集成電路封裝從四邊引線型向平面陣列型發(fā)展，以球柵陣列封裝（BGA）和芯片尺寸封裝（CSP）為代表，BGA用焊球代替引線，器件上的焊盤與PCB上的焊盤相對(duì)，之間用釬料相連接，由于焊球是整個(gè)平面排列，因此封裝效率更高。

第四階段：20世紀(jì)90年代提出SIP的封裝概念（系統(tǒng)級(jí)封裝），通過(guò)采用引線鍵合、倒裝焊互連、IC芯片直接內(nèi)連等封裝技術(shù)，滿足SIP所要求的互連以及功能和性能要求[5]，SIP的元器件集成封裝在統(tǒng)一的外殼結(jié)構(gòu)中，減少了總焊點(diǎn)數(shù)目，縮短了元器件的進(jìn)線路程，使性能得以提高。

2 封裝結(jié)構(gòu)與微連接技術(shù)的聯(lián)系

2.1 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)與技術(shù)的配合

縱觀整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)與微連接技術(shù)發(fā)展史，二者始終是緊密相連，密不可分的：

第一階段封裝結(jié)構(gòu)采用了配合手工易焊裝配的形式，因而具有長(zhǎng)長(zhǎng)的引腳，而由于封裝形式簡(jiǎn)單，所以采用成本較低的手工電路板焊接，至今仍有一定的市場(chǎng)份額。

第二階段則是隨著20世紀(jì)80年代自動(dòng)貼片的需要，各種表面貼片焊接（SMT）技術(shù)迅猛發(fā)展。為配合SMT自動(dòng)貼片的需要，又出現(xiàn)了各種SMD封裝。這類封裝通常在兩翼或周邊有扁平的引腳，從而方便地被放置到涂有焊膏的電路板上，以配合再流焊技術(shù)。

由于第二階段封裝引腳只能分布在封裝體四周，而QFP等結(jié)構(gòu)要求采用機(jī)械沖壓切筋成形工藝將引腳分離，但隨著封裝結(jié)構(gòu)中引腳數(shù)目的增加，工藝的難度越來(lái)越大，細(xì)微的引腳節(jié)也使得成品率難以保證。故在20世紀(jì)90年代，電子封裝結(jié)構(gòu)從周邊“線”封裝成功演變?yōu)椤懊妗狈庋b。BGA的輸入/輸出口分布于整個(gè)芯片封裝體背面，保證了足夠的焊點(diǎn)尺寸和節(jié)距，微連接工藝難度明顯降低，從而使BGA這一封裝結(jié)構(gòu)廣為使用。

以上介紹了幾種較為傳統(tǒng)的微連接組裝技術(shù)演變，隨著當(dāng)今技術(shù)的不斷發(fā)展，隨后又有一批新的微電子封裝技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)。

2.2 新興技術(shù)導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)的革命

2.2.1 3D封裝

就像蓋房子一樣，當(dāng)土地面積有限時(shí)，就只能往高空發(fā)展，隨著芯片封裝結(jié)構(gòu)的日趨密集，普通封裝技術(shù)遭遇瓶頸，芯片在基板平面上的垂直堆棧也就勢(shì)在必行，其實(shí)早在1967年RCA公司就曾提出這種想法，但近十年來(lái)還是以表面貼裝的2D技術(shù)為主流技術(shù)，近年來(lái)由于多媒體網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨，信息傳輸?shù)娜萘吭龃笮枰咚俚男盘?hào)傳輸，伴隨而來(lái)的是信號(hào)失真、延遲等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，縮短信號(hào)線就成為解決上述問(wèn)題的方法之一。3D封裝技術(shù)利用垂直堆棧的方法將兩個(gè)以上的IC組合在同一封裝體中，除了節(jié)省基板使用面積、提高封裝密度以外，還可利用立體堆棧方式縮短組件間的配線長(zhǎng)度，以改善電氣特性，并可將不同功能的IC組合于同一封裝體中。在SOC技術(shù)尚未發(fā)展成熟時(shí)，3D封裝可提供簡(jiǎn)單、成本較低的替代方案。

2.2.2 圓片級(jí)封裝

WLP以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP。有人又將WLP稱為圓片級(jí)芯片尺寸封裝（WLP-CSP）。它不僅充分體現(xiàn)了BGA、CSP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且是封裝技術(shù)取得革命性突破的標(biāo)志。圓片級(jí)封裝技術(shù)采用批量生產(chǎn)工藝制造技術(shù)，可以將封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降。正因?yàn)閳A片級(jí)封裝技術(shù)有如此重要的意義，所以它一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注并迅速獲得巨大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)工藝中，IC芯片與外部的電氣連接是用金屬引線以鍵合的方式把芯片上的I/O連至封裝載體并經(jīng)封裝引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著IC芯片特征尺寸的縮小和集成規(guī)模的擴(kuò)大，I/O的間距不斷減小、數(shù)量不斷增多。當(dāng)I/O間距縮小到70 μm以下時(shí)，引線鍵合技術(shù)就不再適用，必須尋求新的技術(shù)途徑。圓片級(jí)封裝技術(shù)利用薄膜再分布工藝，使I/O可以分布在IC芯片的整個(gè)表面上而不再僅僅局限于窄小的IC芯片的周邊區(qū)域，從而解決了高密度、細(xì)間距I/O芯片的電氣連接問(wèn)題[6]。

2.2.3 微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）封裝技術(shù)

MEMS是微電子技術(shù)的拓展與延伸，它是隨著IC超微細(xì)加工技術(shù)和超精密加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，是將微電子和精密機(jī)械加工技術(shù)融為一體的系統(tǒng)。

MEMS封裝技術(shù)嚴(yán)重滯后的主要原因是MEMS封裝完全不同于傳統(tǒng)集成電路（IC）的封裝。傳統(tǒng) IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐、保護(hù)其不受環(huán)境的干擾與破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外界信號(hào)、能源及接地的電氣互連。MEMS器件一般均含有由多種材料組成的三維結(jié)構(gòu)和活動(dòng)構(gòu)件，且常處于高溫、高濕或酸、堿性惡劣環(huán)境之中。鑒于這種與外部環(huán)境的交互作用關(guān)系及其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，MEMS封裝對(duì)傳統(tǒng) IC封裝提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。MEMS的特性和優(yōu)點(diǎn)是：體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定，通過(guò) IC等工藝可批量生產(chǎn)，成本低、性能一致性好，功耗低、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短，綜合集成度高、附加值高，具有多種能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)裙δ苄?yīng)。近年來(lái)，隨著MEMS與微電子、光電以及新興納米技術(shù)的融合，MEMS技術(shù)已在越來(lái)越多的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)得到了更為廣泛的應(yīng)用，并逐步成為世界各國(guó)爭(zhēng)相投資研究的熱點(diǎn)。

從上面各階段可以看出，封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與演變常常是為了配合當(dāng)下微連接技術(shù)或降低工藝的復(fù)雜度與難度，而先進(jìn)的微連接技術(shù)又為封裝結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供了可能，二者相輔相成，共同推動(dòng)了微電子行業(yè)的進(jìn)步。

3 微連接的特點(diǎn)

由于在集成電路中芯片面積微小而焊點(diǎn)數(shù)目巨大，微電子焊接領(lǐng)域的工作稱為微連接。由于電子封裝結(jié)構(gòu)尺寸非常微小，因此相對(duì)于常規(guī)焊接方法而言，微連接具有如下特點(diǎn)：

（1）連接材料的尺寸變得極其微小，在常規(guī)焊接中被忽略或不起作用的一些影響因素此時(shí)有可能成為決定連接質(zhì)量和可焊性的關(guān)鍵因素。如溶解、擴(kuò)散、表面張力、應(yīng)變量等。

（2）微電子材料在形態(tài)上一般為薄膜、厚膜、箔等，且多為附著在基板材料上的金屬?gòu)?fù)合層。由于微電子材料結(jié)構(gòu)性能的特殊性，需要采用特殊的連接方法，且不能對(duì)器件的功能產(chǎn)生任何影響[6]。

（3）由于連接接頭的界面在服役過(guò)程中所受到的力、熱等作用會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，將影響連接的力學(xué)、電氣性能和可靠性。因此要求連接精度很高，鍵合時(shí)間很短，對(duì)加熱、加壓等能量的控制要求非常精確。

接下來(lái)討論幾種常見(jiàn)的微連接技術(shù)以及它們的應(yīng)用對(duì)象。

4 電子封裝中的微連接技術(shù)

4.1 芯片焊接技術(shù)

4.1.1 引線鍵合

引線鍵合技術(shù)（WB）又稱線焊，即將裸芯片電極焊區(qū)和電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上的金屬布線焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來(lái)。通過(guò)加熱、加壓、超聲波等能量方式去除表面氧化膜，借助劈刀等鍵合工具實(shí)現(xiàn)連接。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，引線鍵合已成為IC封裝業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，它具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，幾乎可以適應(yīng)各種封裝結(jié)構(gòu)[7]。但引線鍵合也存在鍵合強(qiáng)度和可靠性受環(huán)境影響大、互聯(lián)密度低的不足。減小引線直徑、縮小焊盤間距等方式是目前提高互聯(lián)密度的思路，但引線直徑和焊盤間距會(huì)達(dá)到物理極限，因此必須發(fā)展其他微連接技術(shù)，如載帶自動(dòng)鍵合、倒裝鍵合等。

4.1.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)

載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)（TAB）是一種改進(jìn)的引線鍵合技術(shù)。TAB技術(shù)是在類似于膠片的聚合物柔性載帶上粘接金屬薄片，在金屬薄片上腐蝕出引線圖形，然后再與芯片上的凸臺(tái)進(jìn)行熱壓焊或熱壓再流焊實(shí)現(xiàn)連接[8]。

TAB技術(shù)通過(guò)減少鍵合節(jié)距，增加芯片I/O口數(shù)來(lái)提高封裝密度，由于TAB的工藝變得更復(fù)雜，成本也大幅提高，同時(shí)封裝集成度不如芯片直接引線鍵合高，使得TAB很難取代引線鍵合。TAB可應(yīng)用于BGA（TBGA）等封裝結(jié)構(gòu)。

4.1.3 倒裝芯片鍵合

倒裝芯片鍵合技術(shù)（FCB）是20世紀(jì)60年代初由IBM公司開(kāi)發(fā)，目的之一在于解決手工引線鍵合效率低而無(wú)法滿足大批量生產(chǎn)的需要；二是隨著芯片功能越來(lái)越強(qiáng)，外引線數(shù)不斷增加，引線間距一再縮小，采用呈陣列分布的金屬凸點(diǎn)代替金屬絲的方法可克服引線鍵合技術(shù)的局限性[9]。它將傳統(tǒng)的引線連接變?yōu)橥裹c(diǎn)連接，由原來(lái)的引線鍵合的兩個(gè)焊點(diǎn)變?yōu)橐粋€(gè)，大幅度減少了封裝尺寸，提高了生產(chǎn)效率，縮短了信號(hào)傳輸?shù)穆窂健?/p>

4.2 微電子焊接技術(shù)

微電子焊接為一般采用錫基釬料的釬焊技術(shù)，適合自動(dòng)化、大批量生產(chǎn)的波峰焊、再流焊技術(shù)。

4.2.1 波峰焊

波峰焊是通孔插裝結(jié)構(gòu)最常用的焊接方法[10]。適合于插裝型電子線路的規(guī)?；a(chǎn)，在當(dāng)前的電子工業(yè)中仍具有重要地位，但隨著IC電路高密度、小型化的發(fā)展，體積更小的表面貼裝型電路占的比例越來(lái)越大。對(duì)于焊接形狀變化多樣、管腳間距極小的元件，波峰焊有一定局限性，而再流焊技術(shù)則越來(lái)越顯示出其重要性。

4.2.2 再流焊

所謂再流焊，就是通過(guò)加熱使預(yù)置的釬料膏或釬料凸點(diǎn)重新熔化即再次流動(dòng)，潤(rùn)濕金屬焊盤表面，形成牢固連接的過(guò)程[11]。目前再流焊工藝中較成熟的是熱風(fēng)再流焊和紅外再流焊，適應(yīng)無(wú)鉛焊接的耐高溫再流焊成為該技術(shù)重要的發(fā)展方向。再流焊工藝是表面安裝技術(shù)的主要工藝技術(shù)。

4.2.3 激光焊

激光是一種高強(qiáng)度的電磁射線，激光的產(chǎn)生過(guò)程可簡(jiǎn)述為：在外界光（或電等）的激勵(lì)下，使某種具有一定能級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并產(chǎn)生光的 “受激發(fā)射”[12]。激光焊接是由激光輻射在時(shí)間和空間上提供一個(gè)能量高度集中的熱源。在很小的區(qū)域（光斑直徑小于0.1 mm或更?。┖秃芏痰臅r(shí)間內(nèi)（小于5 ms），使被焊的各種金屬（包括熱傳導(dǎo)率很大的Au、Ag、Cu、Al和難熔的W、Mo）熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。

激光焊接主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光作為熱源能在很短的時(shí)間內(nèi)把大量的熱集中到很小的表面，即加熱過(guò)程高度局部化，沒(méi)有熱應(yīng)力。

（2）激光焊不需要電子束焊所要求的高真空環(huán)境，也不像釬焊那樣把外加材料引入接點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了焊接操作，有利于自動(dòng)化和程序化。

（3）激光焊是一種非接觸式加熱，且光束可穿透透光物質(zhì)（如石英、玻璃等），所以可以焊接難以接近的部位。

隨著激光焊機(jī)小型化和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，使得半導(dǎo)體器件焊接進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

4.2.4 擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下將兩種待焊金屬的焊接表面相互接觸通過(guò)微觀塑性變形或通過(guò)焊接面產(chǎn)生微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，使之距離達(dá)0.1～0.5 nm以內(nèi)（這樣原子內(nèi)的引力起作用，才有可能形成金屬鍵），再經(jīng)原子相互間不斷擴(kuò)散、相互滲透，來(lái)實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種方法。

擴(kuò)散焊具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，工藝參數(shù)易控制，質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高。

（2）焊接接頭質(zhì)量好，擴(kuò)散接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，在焊縫中不存在各種熔化焊缺陷，即使批量生產(chǎn)接頭質(zhì)量也是穩(wěn)定的。

4.2.5 真空焊

真空釬焊技術(shù)從20世紀(jì)40年代開(kāi)始至今，已成為一種極有發(fā)展前途的焊接技術(shù)。真空釬焊，是指工件加熱在真空室內(nèi)進(jìn)行，主要用于要求質(zhì)量高的產(chǎn)品和易氧化材料的焊接。真空系統(tǒng)可連接到工件，使工件內(nèi)部的壓力在釬焊過(guò)程中低于大氣壓。

真空釬焊操作簡(jiǎn)單，不僅節(jié)省大量?jī)r(jià)格昂貴的金屬釬劑，而且又不需要復(fù)雜的焊劑清洗工序，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)真空釬焊釬料的濕潤(rùn)性和流動(dòng)性良好，可以焊更復(fù)雜和狹小通道的器件，真空釬焊提高了產(chǎn)品的成品率，獲得堅(jiān)固、清潔的工作面。因而至今仍廣泛應(yīng)用于微電子器件生產(chǎn)中。

5 未來(lái)封裝結(jié)構(gòu)與微連接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)歷史發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合微電子產(chǎn)品的高性能、多功能、高可靠、輕型化、低成本等發(fā)展特點(diǎn)，電子封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)有：

（1）更多的輸入/輸出端口；

（2）更小、更輕、更薄，封裝密度更高；

（3）更便于安裝和使用；

（4）更高的可靠性和性價(jià)比。

而相應(yīng)的微連接技術(shù)也會(huì)隨之發(fā)生如下變化：

（1）芯片直接安裝技術(shù)，特別是芯片倒裝技術(shù)將成為微電子封裝的主流形式。

（2）三維封裝技術(shù)或?qū)⑷〈S封裝，成為實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)系統(tǒng)功能的有效途徑。

（3）傳統(tǒng)的三級(jí)封裝（一級(jí)芯片封裝—二級(jí)基板上封裝—三級(jí)母版是封裝）或?qū)ⅰ皾饪s”成單一的單級(jí)集成模塊，從而完成龐大的“系統(tǒng)功能”。

總而言之，兩者都將不斷推動(dòng)著電子產(chǎn)品向“輕、薄、短、小”方向不斷向前發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

在電子封裝結(jié)構(gòu)方面經(jīng)歷了雙列直插（DIP）、四方扁平（QFP）等階段后，目前球柵陣列封裝（BGA）成為主流。芯片封裝內(nèi)部連接方式呈現(xiàn)出引線向焊球和硅片無(wú)焊球連接等非引線方式以縮短電氣連接路徑并縮小封裝尺寸的總趨勢(shì)。相關(guān)的連接技術(shù)也必須符合這種發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)然，引線鍵合在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍將是半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接的主流方式。倒裝芯片將成為高性能、高成本的內(nèi)部連接方式迅速發(fā)展并和引線鍵合長(zhǎng)期共存，共同應(yīng)用在SIP、MCN、3D等新型封裝中[13]。

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