基于半導(dǎo)體分立器件的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

彭 強(qiáng)

（汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕尾 516600）

近年來在半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)業(yè)，中國(guó)封裝測(cè)試企業(yè)發(fā)展得較為快速和穩(wěn)定，目前已經(jīng)在國(guó)際市場(chǎng)占有舉足輕重的地位，隨著電子整機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等市場(chǎng)的持續(xù)升溫，在大功率、高反壓、高頻高速等電子器件應(yīng)用場(chǎng)合，市場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)的分立器件也提出更高的集成要求。為滿足封裝需求的趨勢(shì)變化，隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，優(yōu)化半導(dǎo)體分立器件的封裝結(jié)構(gòu)，已作為研究課題刻不容緩地被提了出來。為了解決這個(gè)問題，該文結(jié)合多年工作實(shí)踐的體會(huì)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入探討[1]。

1 半導(dǎo)體分立器件封裝結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體分立器件的封裝結(jié)構(gòu)，包括2 個(gè)方面的內(nèi)容。1）半導(dǎo)體分立器件的封裝。2）半導(dǎo)體分立器件的外殼封裝[2]。

1.1 半導(dǎo)體分立器件的內(nèi)涵與特征

半導(dǎo)體分立器件是指具有單獨(dú)基本功能，且基本功能不能再細(xì)分的電子器件。它包括半導(dǎo)體三極管、半導(dǎo)體晶體二極管。半導(dǎo)體分立器件按其封裝形式可分為分立和集成兩大類。半導(dǎo)體分立器件包括晶體管、閘流管、二極管及光電子器件；集成電路包括混合集成電路和單片集成電路。隨著電子產(chǎn)品技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體分立器件的發(fā)展，正在朝著小型化、片式化的方向發(fā)展。其特征表現(xiàn)為4 點(diǎn)。1）體積越來越小。2）重量越來越輕。3）技術(shù)越來越先進(jìn)。4）功率密度越來越高，就功率而言由過去的小、中、大功率，發(fā)展到當(dāng)下幾千伏、一千多安倍的電力電子器件；就頻率而言，由過去的低、中、高頻，發(fā)展到現(xiàn)在的微波器件。

1.2 半導(dǎo)體分立器件的封裝類型與方式

半導(dǎo)體分立器件的封裝類型有2 類。1） 二維即2D 封裝。2）三維即3D 封裝。無論是二維封裝，還是三維封裝，都是多個(gè)芯片器件封裝在一個(gè)管殼內(nèi)的分立器件。其中：二維封裝的芯片U1 和芯片U2 之間至少要相距0.8 mm 以上，如圖1 所示；三維封裝的芯片器件為堆疊式封裝，其芯片分別焊接在頂部和底部，如圖2 所示。

半導(dǎo)體分立器件外殼封裝結(jié)構(gòu)方式有塑封、金屬封和陶瓷封3 種。塑封半導(dǎo)體分立器件，根據(jù)GB/T12560—1999《半導(dǎo)體器件分立器件分規(guī)范》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）的要求，可適用于非氣密性封裝器件；對(duì)有明確密封要求的半導(dǎo)體分立器件的封裝，必須按照國(guó)家《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》的要求，使用金屬、陶瓷或玻璃進(jìn)行封裝。

圖1 分立器件二維封裝圖

圖2 分立器件堆疊封裝圖

2 半導(dǎo)體分立器件不同封裝方式的類比分析

綜上所述，目前，半導(dǎo)體分立器件封裝結(jié)構(gòu)所用的材料，分別為塑料和金屬陶瓷2 種。首先就塑封來講，塑封半導(dǎo)體分立器件具有成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯，那就是濕氣容易侵入，散熱性能較差，這也是長(zhǎng)期以來，半導(dǎo)體分立器件很少使用塑封結(jié)構(gòu)的主要原因之一。其次，就陶瓷、金屬分立器件的封裝結(jié)構(gòu)而言，其不但具有密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有耐熱的功能等等。具體情況詳見表1。

表1 半導(dǎo)體分立器件塑封結(jié)構(gòu)與金屬陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較分析一覽表

3 半導(dǎo)體分立器件封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

半導(dǎo)體分立器件的塑封裝結(jié)構(gòu)和金屬陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，各有其特點(diǎn)，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯。但二者并非為互為排斥的對(duì)象，它們各自都有優(yōu)化的空間。

3.1 半導(dǎo)體分立器件塑封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

半導(dǎo)體分立器件的塑封裝結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。它所存在的諸如密封性不好、存在易燃的可能性等問題，只要在應(yīng)用過程中加強(qiáng)對(duì)塑密封材料進(jìn)行質(zhì)量把控，半導(dǎo)體分立器件塑封裝結(jié)構(gòu)的這些缺點(diǎn)是可以避免的。其主要措施有3 種。1）采取高科技手段，對(duì)塑密封材料進(jìn)行超聲檢測(cè)。塑封材料密封性能不好的主要原因，在于材料本身容易出現(xiàn)空洞、裂紋和分層的缺點(diǎn)，如果我們?cè)谒芊獠牧铣鰪S之前和器件封裝之后，采用超聲檢測(cè)的辦法進(jìn)行二次查找，就會(huì)有效控制密封性能存在的問題。2）對(duì)塑封材料進(jìn)行阻燃性能試驗(yàn)。由于塑封材料本身存在易燃的特性，從塑封分立器件的安全性出發(fā)，必須要做內(nèi)部易燃性阻燃試驗(yàn)和外部易燃性阻燃試驗(yàn)。所謂內(nèi)部易燃性阻然試驗(yàn)，就是指由于半導(dǎo)體分立器件功率、電流過大，引起器件發(fā)熱量達(dá)到塑封材料燃燒值而被阻斷的一種試驗(yàn)；所謂外部易燃性阻燃試驗(yàn)，就是指在分立器件的塑封外部，進(jìn)行燃燒的一種阻燃試驗(yàn)。如果這2種燃燒試驗(yàn)均被阻隔，說明塑封材料的阻燃質(zhì)量是符合國(guó)家要求的。3）進(jìn)行高壓蒸煮試驗(yàn)，以提升塑封器件的抗潮濕能力；進(jìn)行X 射線照相，以檢測(cè)分立器件塑封管殼內(nèi)的缺陷；進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，以對(duì)塑封器件的溫度作出適當(dāng)調(diào)整。

3.2 半導(dǎo)體分立器件金屬陶瓷封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

半導(dǎo)體分立器件金屬陶瓷封裝結(jié)構(gòu)的主要缺陷，是封裝內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)問題。因此，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，該文認(rèn)為可從封裝結(jié)構(gòu)的高度、工藝流程2 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.1 在分立器件封裝結(jié)構(gòu)的高度問題方面

根據(jù)框架本身的厚度、焊點(diǎn)的常規(guī)高度、芯片的常規(guī)厚度，測(cè)算半導(dǎo)體分立器件金屬陶瓷封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)高度在900 um，是可以滿足焊線的弧高要求的。

3.2.2 分立器件封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程的改進(jìn)

在分立器件封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程方面，主要從2 點(diǎn)加以改進(jìn)。1）不改變劈刀側(cè)界面空間的情況下，將鋁線鋼嘴劈刀的v 斷面改為梯形，并降低梯形之上的寬度，以進(jìn)行點(diǎn)膠或焊接等二次利用。2）進(jìn)行鋁線焊點(diǎn)二次粘片的封裝結(jié)構(gòu)。即：首先芯片U1 用鉛錫線工藝粘片，然后對(duì)芯片U2 的焊點(diǎn)間距進(jìn)行調(diào)整，并完成粘附，實(shí)現(xiàn)金線或銅線的球焊焊接。

4 結(jié)論

半導(dǎo)體分立器件封裝結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化結(jié)果表明，無論是塑封裝還是金屬陶瓷封裝，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，對(duì)分立器件的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化都是正?，F(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，科技的深入發(fā)展，半導(dǎo)體分立器件封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間必然會(huì)繼續(xù)存在，相信該文所探討的器件封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化只是開始。