準(zhǔn)氣密空腔型外殼的封裝技術(shù)

高　輝，肖漢武，李宗亞

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

準(zhǔn)氣密空腔型外殼的封裝技術(shù)

高輝，肖漢武，李宗亞

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

基于非陶瓷、金屬等材料的空腔型封裝是近年來(lái)興起的一種非氣密或準(zhǔn)氣密封裝技術(shù)。這種封裝技術(shù)采用環(huán)氧樹(shù)脂或液晶聚合物等塑料材料制作空腔型外殼，相對(duì)于陶瓷、金屬等無(wú)機(jī)材料而言，基于塑料材質(zhì)的空腔型外殼具有重量輕、介電常數(shù)低等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在射頻電子、便攜式產(chǎn)品中得到了應(yīng)用。介紹了3種類(lèi)型的空腔型外殼及相應(yīng)的蓋板密封技術(shù)，并對(duì)空腔型外殼的準(zhǔn)氣密封裝技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

空腔型外殼；準(zhǔn)氣密封裝；蓋板密封

1　概述

微電子器件的封裝通常可分為氣密性和非氣密性?xún)纱箢?lèi)別，其中氣密性封裝主要用于具有空腔結(jié)構(gòu)的金屬、陶瓷外殼的封裝。由于金屬、陶瓷外殼具有較高的抵抗外部環(huán)境氣氛的滲透能力和熱學(xué)性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空腔中的芯片、組件更好的保護(hù)。這類(lèi)氣密性封裝多用在對(duì)可靠性要求苛刻的航天、航空、軍事、船舶等領(lǐng)域。

然而，并非所有具有空腔結(jié)構(gòu)的封裝都必須采用氣密封裝形式。譬如，一些高性能的CPU芯片采用FC封裝技術(shù)，其CPU芯片通過(guò)倒裝方式安裝在高密度基板上，其上粘接一個(gè)可用于散熱的金屬蓋。雖然也是形成了一個(gè)空腔型結(jié)構(gòu)，由于所使用的封裝基板通常為塑料材質(zhì)，其本身是非氣密的，金屬蓋與基板的粘接是通過(guò)4個(gè)角部用環(huán)氧膠進(jìn)行粘接，粘接主要用來(lái)固定金屬蓋板而并非實(shí)現(xiàn)密封，故不能認(rèn)為是氣密封裝。另外，絕大多數(shù)圖像傳感器的封裝都是采用非氣密的空腔封裝結(jié)構(gòu)。

由于應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性要求在不斷提高，對(duì)于那些具有空腔結(jié)構(gòu)的微電子產(chǎn)品的封裝要求在不斷提高，因此提高此類(lèi)封裝的密封性能的需求也越來(lái)越迫切。一些新型的空腔型封裝材料如液晶聚合物L(fēng)CP開(kāi)始逐漸使用，這類(lèi)材料由于獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)特性，封裝后的密封性能較之非氣密的空腔型封裝有很大的改善。據(jù)報(bào)道，國(guó)外幾家公司開(kāi)發(fā)的LCP封裝外殼，其氣密性可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的氦質(zhì)譜檢漏規(guī)范。

當(dāng)然，這種空腔型封裝的氣密性尚無(wú)法與真正的氣密性封裝相提并論，按照GJB 548B方法1014.2密封中關(guān)于氣密性試驗(yàn)方法中的相關(guān)定義，通常采用等效標(biāo)準(zhǔn)漏率來(lái)確定一個(gè)封裝的氣密性。當(dāng)封裝內(nèi)腔體積0.01 cm3＜V≤0.4 cm3，其等效標(biāo)準(zhǔn)漏率不大于1× 10-2Pa·cm3/s時(shí)可認(rèn)為該封裝是氣密的。因此，我們不妨將這種空腔型封裝稱(chēng)為準(zhǔn)氣密封裝，國(guó)外有稱(chēng)之為半 氣 密 性 “semi-hermetic” 或 近 似 氣 密 性“near-hermetic”。嚴(yán)格意義上講，所有氣密性封裝均可歸并為空腔型封裝，本文僅討論準(zhǔn)氣密的空腔型封裝。

2　幾種主要途徑

按照外殼組成材料的不同，可以將準(zhǔn)氣密性空腔型外殼分成三大類(lèi)別，第一類(lèi)是由常規(guī)EMC樹(shù)脂材料構(gòu)成的空腔型外殼，第二類(lèi)是由近年興起的LCP（液晶聚合物）材料構(gòu)成的空腔型外殼，最后一類(lèi)則是直接構(gòu)建于有機(jī)基板的空腔型外殼。

2.1基于EMC樹(shù)脂材料的空腔型外殼

由于消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)帶來(lái)對(duì)半導(dǎo)體芯片的不斷需求，越來(lái)越多的芯片被快速開(kāi)發(fā)并投放市場(chǎng)應(yīng)用中。某些芯片譬如通信類(lèi)芯片由于產(chǎn)品換代、升級(jí)周期短，幾乎每半年或一年都會(huì)有新的產(chǎn)品相繼開(kāi)發(fā)，由于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段投入較高，為確保產(chǎn)品一次開(kāi)發(fā)成功率，往往需要在批量生產(chǎn)前進(jìn)行前期驗(yàn)證。消費(fèi)類(lèi)芯片產(chǎn)品封裝以塑料封裝為主，一般都是委托封裝大廠進(jìn)行封裝代工的加工方式，這些大廠通常以大批量封裝為主要方式，通常配套以高精度的塑封模具，前期成本很高，倘若芯片開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)芯片改版等狀況，封裝模具及配套的引線框架等都有可能需要重新定制，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期及開(kāi)發(fā)成本，甚至影響產(chǎn)品的預(yù)定市場(chǎng)交付時(shí)間，從而大大降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

針對(duì)這種形勢(shì)，國(guó)外已經(jīng)有一些專(zhuān)業(yè)的封裝研發(fā)公司推出了一種新穎的封裝概念：預(yù)模塑空腔型外殼（Pre-molded Air Cavity Package），或開(kāi)放腔體的模塑外殼（Open Molded Plastic Package或 Open Cavity Plastic Package）。這種封裝外殼的特點(diǎn)正如其字面上所表達(dá)的，是將普通的塑料封裝打開(kāi)，形成一個(gè)采用塑封樹(shù)脂材料預(yù)成型、具有一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)的外殼，如同陶瓷、金屬外殼一樣。圖1、2為幾種典型的空腔型塑封外殼的基座。

圖1　典型的空腔型封裝（一）（來(lái)源：Quik-Pak）

圖2　典型的空腔型封裝基座（二）（來(lái)源：Quik-Pak）

這種空腔型塑封外殼的最初設(shè)計(jì)目的是為設(shè)計(jì)公司提供一種快速驗(yàn)證的封裝手段，由于這種外殼與最終大批量生產(chǎn)所采用的封裝形式、外形尺寸完全一致，前期驗(yàn)證階段所使用的測(cè)試插座也是相同的，可以為電路設(shè)計(jì)師提供最接近產(chǎn)品最終性能的評(píng)價(jià)手段。這種外殼一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是由于采用了空腔封裝結(jié)構(gòu)，芯片在完成鍵合后可以采用無(wú)需包封的空封結(jié)構(gòu)，非常便利于設(shè)計(jì)師進(jìn)行故障分析，無(wú)需像常規(guī)IC那樣需要樣品制備就可以直接在芯片上進(jìn)行FIB分析。

這種空腔型塑封外殼可以根據(jù)產(chǎn)品最終封裝形式、引腳數(shù)、封裝尺寸的不同進(jìn)行定制，或者根據(jù)常規(guī)的塑封形式如QFN、LCC、QFP等制作各種常用規(guī)格的相應(yīng)的空腔型塑封外殼，作為庫(kù)存進(jìn)行備貨。

雖然這種空腔型塑封外殼一開(kāi)始是為快速產(chǎn)品驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的，但同樣適合于小批量的小眾市場(chǎng)產(chǎn)品的封裝應(yīng)用，因?yàn)榕窟^(guò)小的代工訂單通常是不可能被一些封裝大廠所接受的。

采用這種空腔型塑封外殼的封裝過(guò)程既可采用與常規(guī)的塑料封裝過(guò)程相似的條帶式或陣列型的批量封裝方式，也可采用常規(guī)陶瓷封裝的單個(gè)封裝方式。前者需要在完成全部封裝后對(duì)條帶或陣列型外殼進(jìn)行分割形成單個(gè)封裝體，后者則一般需要將條帶型的外殼預(yù)先分割成單個(gè)外殼。而具體的封裝工藝，兩者都可以采用常規(guī)的裝片、鍵合工藝，主要不同在于芯片的包封工藝，空腔型塑封外殼除了可采用常規(guī)的模塑包封工藝外，也可以采用球形頂?shù)畏猓℅lobe Top）密封方式。這兩種密封工藝都類(lèi)似于常規(guī)塑料封裝的全包封工藝，并不是真正的空腔型封裝。除此之外最大的不同在于，空腔型塑封外殼可以采用蓋板封帽的空腔密封工藝，也就是說(shuō)，芯片和鍵合引線是暴露在封裝腔體內(nèi)的空腔中。這種采用蓋板封帽的空腔密封工藝與陶瓷或金屬外殼的氣密封帽工藝有所不同。后者由于采用了氣密的封裝基座、蓋板及密封材料，其最終的封裝結(jié)構(gòu)是氣密性的，而前者中的基座材質(zhì)為普通EMC塑封材料，蓋板一般采用塑料材料，即便某些應(yīng)用中需要使用金屬、玻璃材質(zhì)的蓋板，但由于采用環(huán)氧膠這種本身并非氣密性的材料作為密封介質(zhì)，最終封裝的氣密性是無(wú)法保證的，只能稱(chēng)之為非氣密的空腔型封裝。盡管如此，采用空腔型封裝技術(shù)，由于芯片無(wú)需樹(shù)脂包封，可以大大減少芯片安裝過(guò)程中引入的應(yīng)力，同時(shí)還可以消除常規(guī)塑封工藝中的分層、爆米花效應(yīng)等問(wèn)題。

近年來(lái)，空腔型的塑料封裝在國(guó)外已得到較快的發(fā)展，涌現(xiàn)出眾多的空腔型塑料封裝解決方案，如Mirror Semiconductor的M-QFN系列，Quik-Pak公司的OcPP系列，這些公司的空腔型外殼一般采用PPS（聚苯硫醚）、BT（雙馬來(lái)酰胺三嗪）板等材料來(lái)制作，其主要目標(biāo)是為IC公司樣品研發(fā)提供快速封裝交付服務(wù)，以及提供中小規(guī)模量產(chǎn)的需求。對(duì)于這些公司，一般都是以能夠提供IC設(shè)計(jì)公司的快速封裝驗(yàn)證服務(wù)為目的，氣密性并不是他們的關(guān)注點(diǎn)。

2.2基于LCP材料的空腔型封裝

液晶聚合物L(fēng)CP作為一種新型封裝材料近年來(lái)得到了越來(lái)越多的重視。LCP是指在一定條件下能以液晶相存在的一類(lèi)高分子聚合物，由美國(guó)杜邦公司最早在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)成功，因發(fā)現(xiàn)該材料具有優(yōu)良的特性而逐步應(yīng)用于高頻電子封裝基板的制作。與一般EMC不同，LCP屬于一種熱塑性塑料，由于LCP材料具有很低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，與常規(guī)塑封樹(shù)脂材料相比具有更低的吸濕性和較高的氣密性，近年來(lái)，基于LCP材料的空腔型塑封正被多家公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)。目前已經(jīng)有幾家公司成功開(kāi)發(fā)出空腔型的LCP封裝，其中具代表性的有RJR Polymers。該公司開(kāi)發(fā)的LCP QFN可以提供一個(gè)近似氣密、符合RoHS的解決方案，能夠支持更窄的引線節(jié)距和更短的絲焊長(zhǎng)度。由于其系列LCP QFN具有能夠支持38 GHz的高頻性能，已經(jīng)為商業(yè)微波和毫米波應(yīng)用提供了非常有吸引力的解決方案。圖3為典型的LCP封裝。

圖3　典型的空腔型LCP封裝基座（來(lái)源：RJR Polymer）

較好的氣密性是LCP材料優(yōu)于其他塑料材質(zhì)的一個(gè)重要特性。其氧氣透過(guò)率僅為0.9 cm3/m2·day·bar @23℃，0%RH，接近玻璃材料，另外其水汽透過(guò)率僅為0.3 g/m2·day·bar@38℃，9%RH。

據(jù)稱(chēng)RJR Polymers開(kāi)發(fā)的空腔型LCP封裝因LCP材料特有的優(yōu)良密封性能，能達(dá)到低于1 Pa·cm3/s的漏率水平，可實(shí)現(xiàn)“近似氣密”封裝。

另外一家公司Unisteel則宣稱(chēng)已率先在業(yè)界實(shí)現(xiàn)真正氣密的LCP封裝，Mark Huang等人的研究結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)改性的LCP甚至達(dá)到8×10-6Pa·cm3/s(氦氣測(cè)量漏率，相當(dāng)于8×10-11atm·cc/s)的漏率水平。按照GJB 548B方法1014.2密封中的相關(guān)規(guī)范，對(duì)于空腔型封裝而言，當(dāng)其內(nèi)腔體積0.01 cm3＜V≤0.4 cm3時(shí)，其氦氣測(cè)量漏率＜5×10-3Pa·cm3/s時(shí)即可認(rèn)為是氣密的。借助于這種改性的LCP材料及獨(dú)特的納米填料，可以獲得接近1×10-6Pa·cm3/s（氦）漏率水平的LCP QFN外殼。圖4比較了近似氣密性LCP與氣密性LCP材料的結(jié)構(gòu)差異。

圖4　近似氣密性與氣密性LCP材料的差異（來(lái)源：Unisteel）

正因?yàn)長(zhǎng)CP具有如此優(yōu)異的氣密性，可以將LCP用于空腔型外殼的制作，來(lái)部分代替陶瓷、金屬外殼，實(shí)現(xiàn)低成本的氣密封裝。

2.3基于基板的空腔型封裝

與上述兩種具有空腔結(jié)構(gòu)的塑封不同的是，空腔型封裝也可以通過(guò)使用平面基板與具有深腔結(jié)構(gòu)蓋板組合而成的一種更簡(jiǎn)潔的封裝結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在這種封裝結(jié)構(gòu)中，可采用PCB工藝制作類(lèi)似QFN形式的基板，在其上完成芯片粘接、引線鍵合，或者采用FC工藝將芯片安裝在基板上，最后采用一個(gè)具有一定空間高度的帽狀蓋板粘接在芯片四周，這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的空腔封裝技術(shù)，在低成本的MEMS封裝中應(yīng)用廣泛。

當(dāng)然，也可使用陶瓷等材料制作平面基板。陶瓷的優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)良的導(dǎo)熱和密封性，對(duì)于需要較低封接工藝溫度的應(yīng)用，通常采用環(huán)氧膠的蓋板粘接工藝。而當(dāng)采用焊料焊接工藝對(duì)其上的蓋板進(jìn)行密封時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)真正的氣密封裝。

圖5　典型的基板空腔型封裝結(jié)構(gòu)圖（來(lái)源：UBOTIC）

3　空腔型外殼的蓋板密封技術(shù)

所有空腔型外殼的封裝最終都需要對(duì)外殼進(jìn)行密封，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空腔中芯片的保護(hù)。對(duì)于準(zhǔn)氣密性或非氣密性空腔外殼，其密封工藝類(lèi)似于氣密封裝的封帽技術(shù)，也是采用所謂的蓋板/管帽密封工藝，由于這類(lèi)外殼主要使用密封膠作為密封介質(zhì)，故其密封工藝簡(jiǎn)稱(chēng)為粘蓋工藝。

3.1環(huán)氧膠粘蓋

采用環(huán)氧類(lèi)密封膠的粘蓋工藝是空腔型外殼最典型的蓋板密封工藝。一般情況下，多使用熱固性環(huán)氧材料作為密封膠，由于普通密封膠固化后其分子鏈間隙較大，并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的氣密性。

環(huán)氧膠粘蓋主要有兩種技術(shù)途徑：

第一種是采用液體密封膠的點(diǎn)膠粘蓋工藝。這種粘蓋方式需要通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)或手動(dòng)方式將液體密封膠分配在空腔型塑封外殼或基板的密封環(huán)上，然后將蓋板放置在外殼上，最后通過(guò)升溫加熱使膠體固化而實(shí)現(xiàn)密封。膠體固化過(guò)程中需要在蓋板表面施加大小合適的壓力，由于升溫加熱時(shí)膠體會(huì)出現(xiàn)一個(gè)粘度快速下降的過(guò)程，此時(shí)外殼腔體內(nèi)外會(huì)存在一個(gè)氣體壓差，容易出現(xiàn)氣泡、穿孔等現(xiàn)象，密封工藝控制較為困難。

第二種是采用蓋板底部四周預(yù)涂覆B型環(huán)氧膠（B-stage epoxy）的粘蓋工藝。蓋板上預(yù)涂覆的B型環(huán)氧膠呈半干狀態(tài)，非常適合組裝，如圖6所示。由于這種密封膠在升溫加熱到一定溫度時(shí)半固化狀的膠體粘度迅速降低變成所謂熔融狀態(tài)，此時(shí)膠體的粘度相對(duì)液體密封膠仍然高很多，密封過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)氣泡問(wèn)題，但必須在蓋板上施加足夠大的壓力，其密封工藝控制相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6　預(yù)涂覆B型環(huán)氧膠的光窗蓋板（來(lái)源：Kyocera）

3.2UV膠粘蓋

與普通環(huán)氧膠類(lèi)似，同樣采用液體膠粘蓋工藝，區(qū)別在于UV膠的固化是通過(guò)適當(dāng)波長(zhǎng)的紫外光照射后，UV膠中的光引發(fā)劑產(chǎn)生活性自由基或陽(yáng)離子，進(jìn)而引發(fā)基礎(chǔ)樹(shù)脂和活性單體聚合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而完成蓋板的粘接密封。

UV膠固化速度快，固化過(guò)程可以在幾秒至幾十秒時(shí)間內(nèi)完成，工藝控制簡(jiǎn)單，非常適合于批量生產(chǎn)。由于其固化過(guò)程需借助紫外光照射，蓋板或外殼基體必須能透過(guò)紫外光，因此限制了它的使用范圍，UV膠粘蓋工藝一般多用于圖像傳感器光窗玻璃蓋板的密封。

3.3低熔點(diǎn)LCP熔接粘蓋

液晶聚合物L(fēng)CP主要有熱致性液晶和溶致性液晶兩種類(lèi)型，前者在熔融狀態(tài)下呈現(xiàn)液晶特性，適合于電子封裝材料，本文涉及的LCP均指熱致性液晶聚合物。LCP分子內(nèi)的主鏈結(jié)構(gòu)中存在剛性結(jié)構(gòu)的液晶形成基，故其熔融溫度或熔點(diǎn)（注：準(zhǔn)確的說(shuō)法是液晶化溫度，本文通俗稱(chēng)之為熔點(diǎn)）較高。為降低其熔點(diǎn)，通常采用多種組分共聚的方式對(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而出現(xiàn)了具有代表性的3種基本結(jié)構(gòu)：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，這3種類(lèi)型LCP通常以熱變形溫度（HDT,用來(lái)表征LCP的耐熱性）的不同來(lái)劃分。實(shí)際上，HDT的差異性正對(duì)應(yīng)了幾種不同熔點(diǎn)范圍。圖7左邊是一個(gè)典型的采用低熔點(diǎn)LCP作為密封介質(zhì)的密封結(jié)構(gòu)。在這種密封結(jié)構(gòu)中，蓋板/管帽和外殼均采用熔點(diǎn)較高（315～350℃）的LCP材料制作，而中間的密封層則采用熔點(diǎn)稍低（260℃）的LCP薄膜。在該圖實(shí)例中，與蓋板/管帽邊緣接觸的金屬管加熱至280℃，使得蓋板/管帽下方的低熔點(diǎn)LCP熔化而實(shí)現(xiàn)蓋板/管帽與外殼的密封。采用這種局部加熱的缺點(diǎn)是加熱時(shí)間較長(zhǎng)，效率比較低，而采用超聲波焊接技術(shù)則更適合這種粘蓋方式。

超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓情況下，通過(guò)兩個(gè)物體表面相互摩擦生熱而形成兩個(gè)接觸面分子層之間的熔合。采用超聲波焊接工藝時(shí)，要求蓋板以及蓋板與LCP外殼之間的封接材料均采用熱塑性材料，故適用于LCP空腔型外殼。焊接過(guò)程中，焊接頭壓在蓋板上方，在超聲波的高頻振動(dòng)作用下，超聲能量傳送到蓋板與LCP薄膜的接觸面，由于兩個(gè)焊接接觸面的交界面處聲阻大，因此會(huì)產(chǎn)生局部高溫。來(lái)不及快速散發(fā)的熱量局部聚集在接觸面處，使得低熔點(diǎn)的LCP薄膜迅速熔化，在焊接頭的一定壓力下將蓋板與外殼融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后該熔化層凝固成型，進(jìn)而形成一個(gè)牢固、致密的密封層，如圖7中右圖所示。其密封性能取決于LCP材料的特性，由于LCP材料具有優(yōu)異的密封性，這種空腔型LCP封裝可以實(shí)現(xiàn)近似氣密性或全氣密性。

圖7　低熔點(diǎn)LCP粘蓋示意圖

3.4激光焊接粘蓋

激光焊接主要適用于LCP空腔型外殼的封蓋。與超聲波焊接類(lèi)似，激光焊接同樣是一種局部加熱的焊接工藝。它是通過(guò)激光產(chǎn)生的高能熱量使得結(jié)合面處的LCP材料熔化而實(shí)現(xiàn)蓋板與LCP外殼的封接。圖8是一個(gè)典型的激光焊接示意圖。在這種封蓋工藝中，激光是垂直照射在LCP外殼焊接面上，因此要求蓋板材料或外殼材料對(duì)該波長(zhǎng)激光是可透過(guò)的，否則激光能量無(wú)法被LCP外殼結(jié)合面處所接收，無(wú)法使得LCP熔化。

4　應(yīng)用

如前文所述，基于空腔型外殼的封裝技術(shù)通常被認(rèn)為是一種準(zhǔn)氣密性封裝（也有稱(chēng)之為水密性封裝）或非氣密封裝技術(shù)，因此，這種封裝技術(shù)通常被排除在對(duì)氣密性要求苛刻的應(yīng)用之列，然而在消費(fèi)類(lèi)電子及眾多工業(yè)類(lèi)應(yīng)用中仍然有很大的應(yīng)用空間。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，與傳感技術(shù)相關(guān)的MEMS器件、通信電子器件及圖像傳感器等器件的市場(chǎng)正在快速擴(kuò)大，這些市場(chǎng)的快速發(fā)展也正是空腔型封裝技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇。

圖8　激光焊接封蓋示意圖

4.1MEMS封裝

MEMS芯片由于其特殊的微機(jī)械構(gòu)造，往往都需要采用空腔型的氣密封裝形式，以滿(mǎn)足封裝外殼對(duì)芯片的特殊保護(hù)要求。陶瓷、金屬外殼因具有良好的氣密性，是MEMS器件的主要封裝形式。但由于陶瓷、金屬外殼制造工序復(fù)雜，制造周期長(zhǎng)，價(jià)格較為昂貴，通常主要應(yīng)用在軍事、航空、醫(yī)療及工業(yè)控制等對(duì)可靠性等級(jí)要求高的領(lǐng)域。

隨著近年來(lái)MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用圓片級(jí)封裝（WLP）的MEMS封裝前段工藝（FOL）也正在被廣泛應(yīng)用，考慮到圓片級(jí)封裝的最終芯片的使用安全性及可靠性，通常還需要增加一個(gè)后段封裝（EOL），以提供對(duì)晶圓級(jí)封帽（Wafer level Capping）后芯片的保護(hù)。對(duì)于普通消費(fèi)類(lèi)電子而言，采用標(biāo)準(zhǔn)的注塑型塑封技術(shù)可提供低成本的保護(hù)方式，而對(duì)于汽車(chē)、醫(yī)療等可靠性要求較高的應(yīng)用，采用空腔型封裝則是一種必然的選擇?；谒芰喜馁|(zhì)的近似氣密的空腔型封裝可以滿(mǎn)足此類(lèi)MEMS器件的應(yīng)用需求，國(guó)外已有LCP外殼應(yīng)用于陀螺儀、加速度計(jì)封裝的報(bào)道，圖9是Quik-Pak公司采用LCP外殼封裝MEMS的一個(gè)實(shí)例照片。

硅麥克風(fēng)、氣壓計(jì)（包括胎壓計(jì)）封裝是空腔型封裝在MEMS上的另外兩個(gè)重要應(yīng)用。與陀螺儀、加速度計(jì)不同的是在這兩種封裝中，必須存在一個(gè)氣體自由到達(dá)傳感器芯片的通道或者所謂氣體“呼吸”口，如硅麥克風(fēng)封裝結(jié)構(gòu)中就存在一個(gè)透氣孔，或者在外殼底部或者在蓋板上方開(kāi)一個(gè)小通孔，以便氣體的自由通過(guò)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。雖然，其蓋板密封工藝可以采用密封性能較高的B型環(huán)氧膠，但由于透氣孔的存在，尚不能稱(chēng)之為近似氣密封裝。

圖9　采用LCP空腔型封裝的MEMS（來(lái)源：Quik-Pak）

圖10　硅麥克風(fēng)封裝示意圖

隨著智能手機(jī)、汽車(chē)電子以及近年興起的可穿戴電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，這類(lèi)非氣密的空腔型封裝有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間。

4.2高頻、功率器件封裝

與陶瓷材料相比，LCP等塑料材料具有更低的介電常數(shù)，如LCP可以在一個(gè)非常寬的頻率范圍內(nèi)保持非常穩(wěn)定的介電常數(shù)和極低的介電損耗，其介電常數(shù)的典型值為εr=2.9，tanθ=0.0025（@10 GHz）。因此，基于LCP材料的空腔型封裝具有更佳的高頻特性，在RF、微波及毫米波等的封裝應(yīng)用上具有廣闊的發(fā)展前景。

如RJR公司基于LCP的空腔型大功率器件封裝，可選用多種高熱導(dǎo)率材料作為基底熱沉，適用于射頻功率放大器的封裝，同類(lèi)的還有QLP公司的QuantechTMLDMOS封裝，如圖11所示。

圖11　QuantechTMLDMOS外殼

這類(lèi)器件的應(yīng)用發(fā)展與無(wú)線通信市場(chǎng)的發(fā)展緊密相關(guān)，隨著通訊技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，其應(yīng)用市場(chǎng)同樣值得期待。

4.3圖像傳感器封裝

圖像傳感器，無(wú)論是傳統(tǒng)的CIS還是發(fā)展勢(shì)頭正旺的BIS，都是空腔型外殼非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因?yàn)閳D像傳感器芯片需要直接感受光線照射，其封裝必須是具有玻璃光窗蓋板的空腔型外殼結(jié)構(gòu)。與通常的空腔型封裝蓋板密封不同的是，密封過(guò)程中玻璃光窗蓋板的形變需嚴(yán)格控制，否則將直接影響成像質(zhì)量。因此，圖像傳感器的蓋板密封通常采用固化溫度較低的環(huán)氧膠粘蓋或UV膠粘蓋方式，并不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的氣密性。

隨著圖像傳感器產(chǎn)品在普通消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)中的廣泛應(yīng)用，早期采用高成本的陶瓷封裝也逐漸轉(zhuǎn)移到低成本的基于塑料材質(zhì)的空腔型外殼封裝中。低成本的CMOS圖像傳感器的封裝主要有基于LCP外殼的空腔型封裝和基于FR-4、FR-5基板的空腔型封裝等幾種形式，圖12為一個(gè)典型的FR-4基板封裝的CMOS圖像傳感器芯片。

圖12　CMOS圖像傳感器封裝實(shí)例

5　結(jié)束語(yǔ)

不同廠家實(shí)現(xiàn)空腔型封裝的技術(shù)形式各異，各有特色，目前尚缺乏統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝和氣密性陶瓷、玻璃及金屬封裝，空腔型外殼準(zhǔn)氣密封裝或非氣密封裝只能算是微電子封裝中一個(gè)很小的分支。相信隨著應(yīng)用市場(chǎng)的不斷成長(zhǎng)，這種封裝技術(shù)會(huì)引起更多的關(guān)注和重視，并達(dá)成相關(guān)技術(shù)的規(guī)范化。

[1]Mark Huang.Charles Chu and Freddy Lim,Hermetic LCP Open Cavity for MEMS and SiP Packages[C].Semi Conference Report,2013,3.

[2]Mike Zimmerman,Christopher Lee.HighFrequency Packaging and RF[C].iMAPS Conference Report,2008,9.

[3]武愛(ài)軍.液晶聚合物（一）[J].世界橡膠工業(yè)，2009，11：1-4.

[4]Development of Thin-Film Liquid-Crystal-Polymer Surface-Mount Packages for Ka-Band Applications[J].IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,2008,56(9).

[5]包軍林，杜磊.CMOS圖像傳感器封裝與測(cè)試技術(shù)[M]//陳榕庭.微電子封裝技術(shù)叢書(shū).北京：電子工業(yè)出版社，2006.7.

[6]RJR Polymers Overview[P].RJR Company Presentation, 2012,5.

[7]中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].

[8]曾策，等.LCP基板在微波/毫米波系統(tǒng)封裝的應(yīng)用[J].電子與封裝，2010，10(10)：5-8.

Studies of Quasi-hermetic Air Cavity Packaging

GAO Hui,XIAO Hanwu,LI Zongya
（Wuxi ZhongWei High-tech Electronics Co.,Ltd.,Wuxi 214035,China）

Air cavity packaging,usually based on non-ceramic and non-metal materials,is a new nonhermetic or near hermetic packaging technology in recent years.In this packaging technology,some plastic material like epoxy or liquid crystal polymer(LCP)is used to build the package with air cavity structure. Comparing with inorganic package material like ceramic and metal,the air cavity package built with plastic is featured with light weight and low permittivity which enables its wide application in RF electronics and portable products.The paper presents 3 types of air cavity packages and corresponding lid sealing technologies.Besides,prospect of its domestic application is also discussed.

air cavity package;quasi-hermetic packaging;lid sealing

TN305.94

A

1681-1070（2016）11-0001-06

2016-7-13

高輝（1978—），男，陜西戶(hù)縣人，2003年畢業(yè)于長(zhǎng)春理工大學(xué)，同年進(jìn)入中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，主要從事集成電路封裝設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作。