电子封装材料及封装技术_新闻_

微电子器件封装封装材料与封装技术片

杨冉

[摘要]微组装电路组件作为电子整机的核心部件，其工作可靠性对于电子整机来说非常关键。需要对微组装电路组件进行密封，以隔绝恶劣的外部工作环境，保证其稳定性和长期可靠性，以提高电子整机的可靠性。未来的封装技术涉及圆片级封装（WLP）技术、叠层封装和系统级封装等工艺技术。新型封装材料主要包括：低温共烧陶瓷材料（LTCC）、高导热率氮化铝陶瓷材料和AlSiC金属基复合材料等

[关键词]电子封装；新型材料；技术进展

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0005-01

随着现代电子信息技术的迅速发展，电子系统及设备向大规模集成化、小型化、高效率和高可靠性方向发展。电子封装正在与电子设计及制造一起，共同推动着信息化社会的发展[1]。由于电子器件和电子装置中元器件复杂性和密集性的日益提高，因此迫切需要研究和开发性能优异、可满足各种需求的新型电子封装材料。

国外通常把封装分为4级，即零级封装、一级封装、二级封装和三级封装：零级封装指芯片级的连接；一级封装指单芯片或多芯片组件或元件的封装；二级封装指印制电路板级的封装；三级封装指整机的组装。由于导线和导电带与芯片间键合焊接技术大量应用，一、二级封装技术之间的界限已经模糊了。国内基本上把相对应国外零级和一级的封装形式也称之为封装，一般在元器件研制和生产单位完成。把相对应国外二级和三级的封装形式称之为电子组装。

1 电子封装的内涵

电子封装工艺技术指将一个或多个芯片包封、连接成电路器件的制造工艺。其作为衔接芯片与系统的重要界面，也是器件电路的重要组成部分，已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融入到芯片制造技术和系统集成技术之中，目前已经发展到新型的微电子封装工艺技术，推动着一代器件、电路并牵动着整机系统的小型化和整体性能水平的升级换代，电子封装工艺对器件性能水平的发挥起着至关重要的作用。

电子封装是为电子产品提供合适环境的技术，它在一段时间内为电子产品提供可靠性。封装它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。对于很多电子产品而言，封装技术都是非常关键的一环。

2 电子封装的技术要求

2.1 对材料的技术要求

热膨胀系数、热导率和密度是现代电子封装材料必须考虑的三大要素。只有充分满足这3项基本要求，并具有合理封装工艺性能的材料才能顺应现代电子封装技术的发展要求。理想的电子封装材料应满足以下性能要求[2]：1）较低的热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，CTE），要求与Al2O3和Ga As芯片相匹配，以避免CTE相差过大产生热应力使芯片受损；2）较高的热导率（>100W/（m·K）），保护芯片不因温度过高而失效；3）较低的密度（<3g/cm3），减轻器件的质量；4）合理的刚度（>100GPa），对机械部件起到稳定支撑及保护作用；5）稳定的化学性质。

2.2 对象的技术要求

封装技术针对功能相对单一的器件，结构相对简单、体积较小；微组装密封针对面向电子整机的多功能和高频组件，结构较为复杂（如异形等），体积较大。

2.3 对工艺的技术要求

多层基板结构不同：封装技术采用的多层基板通常只包括电路连接线；微组装采用的多层基板通常不但包括电路互联线，而且包括功分器和电桥等微波功率器件。

组装焊接工艺方法有差别：封装技术采用的元器件和材料种类较少，需应用适合少品种、大批量的焊接方法；微组装采用的元器件和材料种类较多，需应用适合多品种、多材料的焊接方法。

密封焊接工艺不同：由于封装件结构相对外形规则，封装较多采用平行焊接工艺；由于微组装组件结构复杂，外形有异形，因此常采用激光密封焊接。

3 电子封装技术的发展

过去的40多年，国外微电子封装技术在封装材料、封装方式、封装性能以及封装的应用等方面均取得了巨大的进步，封装效率（硅片面积与封装面积的比值）成几何倍数增长，PGA（针栅阵列）的封装效率不足10%，BGA（球栅阵列）的封装效率为20%，CSP（芯片尺寸封裝）的封装效率大于80%，MCM的封装效率可达90%。随着新的封装技术的出现，封装效率可超过100%，五芯片叠层封装的封装效率可达300%，电子封装技术已经成为电子器件领域的关键技术。

器件级封装是整个电气互联技术发展的关键，纵观近几年的电子封装业，其发展趋势如下：电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封装（MCP）和系统级封装（SIP）等超高密度的封装形式；电子封装技术继续朝着超小型的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型封装形式——圆晶级封装技术（WLP）；电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现了3D-MCM，也出现了3D-SIP等封装形式[3，4]；电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块（MCM）外还有多芯片封装（MCP）、系统级封装（SIP）及叠层封装等；电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率和高性能仍然是发展的主题；电子封装技术向高度集成化方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成等多种高集成方式。

电子封装技术发展的新领域：MEMS封装、光电子（OE）封装、高温（高温半导体材料）封装和微光电子机械系统（MOEMS）封装等。

4 电子封装材料的分类

4.1 低温共烧陶瓷材料（LTCC）

LTCC材料是一类由玻璃陶瓷组成的封装材料，烧结温度仅有850℃左右，可与金、银和铜等金属共烧，介电常数低，介电损耗小，并可以无源集成，尤其是其特别优良的高频性能，使其成为许多高频应用的首选[3]。该技术开始于20世纪80年代中期，经过多年的开发和应用，已经日臻成熟，并在许多领域获得了应用。

4.2 高导热率氮化铝陶瓷材料

氮化铝陶瓷材料是20世纪90年代才发展起来的一种新型高导热电子封装材料，由于其热导率高、热膨胀系数与硅匹配、介电常数低和绝缘强度高，而成为最理想的功率电子封装材料，目前已经在微波功率器件、毫米波封装和高温电子封装等领域获得了应用。

4.3 AlSiC金属基复合材料

AlSiC金属复合材料是用于高级热管理的封装材料，它具有以下特性，第一该材料可以净尺寸加工，避免了繁杂的后处理工艺，第二该材料具有高的热导率、与半导体芯片相匹配的热膨胀系数以及非常低的密度。该材料适用于航空航天等对轻型化比较敏感的领域。

参考文献

[1] 汤涛，张旭，许仲梓.电子封装材料的研究现状及趋势[J].南京工业大学学报2010，32（4）：105-110.

[2] ZWEBEN C.Metal-matrix composites for electronic packaging[J].Chemistry and Materials Science，1992，44（7）：15-23.

[3] 郎鹏，高志方，牛艳红.3D封装与硅通孔工艺[J].电子工艺技术，2009，30（6）：75-81.

[4] 杨光育，杨建宁.电子产品3D—立体组装技术[J].电子工艺技术，2008，29（1）：33-34.

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