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摘 要： 本文综述了电子封装技术的最新进展。 关键词： 电子；封装；进展 中图分类号：305．94 文献标识码：A 1引言 随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。电子封装已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融人到芯片制造技术和系统集成技术之中。电子工业的发展离不开电子封装的发展，20世纪最后二十年，随着微电子、光电子工业的巨变，为封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各种先进的封装技术不断涌现，如BGA、CSP、FCIP、WLP、MCM、SIP等，市场份额不断增加，2000年已达208亿美元，电子封装技术已经成为20世纪发展最快、应用最广的技术之一。随着21世纪纳米电子时代的到来，电子封装技术必将面临着更加严峻的挑战，也孕育着更大的发展。 2电子封装技术的发展阶段 电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的，一代器件需要一代封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史，以集成威廉希尔官方网站 所需的微电子封装为例，其大致可分为以下几个发展阶段： 第一个阶段为80年代之前的通孑L安装(THD)时代，通孔安装时代以TO型封装和双列直插封装为代表，IC的功能数不高，弓td却数较小(小于64)，板的装配密度的增加并不重要，封装可由工人用手插入PCB板的通孔中，引线节距固定，引线数的增加将意味着封装尺寸的增大，封装的最大安装密度是10脚／cm'，随着新的封装形式的不断涌现，这类封装将加速萎缩，预计其市场份额将从2000年的15％降到2005年的7％。 第二阶段是80年代的表面安装器件时代，表面安装器件时代的代表是小外形封装(SOP)和扁平封装(QFP)，他们大大提高了管脚数和组装密度，是封装技术的一次革命，正是这类封装技术支撑着日本半导体工业的繁荣，当时的封装技术也由日本主宰，因此周边引线的节距为公制(1.0、0.8、0.65、0.5、0.4mm)，并且确定了80％的收缩原则，这些封装的设计概念与DIP不同，其封装体的尺寸固定而周边的引线节距根据需要而变化，这样也提高了生产率，最大引线数达到300，安装密度达到10-50脚／cm'，此时也是金属引线塑料封装的黄金时代。 第三个阶段是90年代的焊球阵列封装(BGA)／芯片尺寸封装(CSP)时代，日本的半导体工业在80年代一直领先于美国，而90年代美国超过了日本，占据了封装技术的主导地位，他们加宽了引线节距并采用了底部安装引线的BGA封装，BGA的引线节距主要有1.5mm和1.27mm两种，引线节距的扩大极大地促进了安装技术的进步和生产效率的提高，BGA封装的安装密度大约是40-60脚／cm2，随后日本将BGA的概念用于CSP，开发了引线节距更小的CSP封装，其引线节距可小到1.0mm以下，CSP封装进一步减少了产品的尺寸和重量，提高了产品的竞争力，随着CSP在日本的大批量生产，BGA时代也就慢慢地过渡到了BGA／CSP时代。 封装业界普遍预测21世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展阶段3D叠层封装时代--其代表性的产品将是系统级封装(SIP:systemin a package)，它在封装观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统，SIP实际上就是一系统基的多芯片封装(systemMCP)，它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封装效率提高60-80％，使电子设备减小1000倍，性能提高10倍，成本降低90％，可靠性增加10倍。
电子器件的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等要求将继续推动着电子封装技术向着更高的性能发展，纵观近几年的电子封装产业，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。
●电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现3D-MCM，也出现了3D-SIP等封装形式。 ●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。 ●电子封装技术从分立向系统方向发展，出现了面向系统的SOC(片上系统)、SOP和SIP等封装形式。 ●电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率、高性能仍然是发展的主题。 ●电子封装技术向高度集成方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成等多种高集成方式。 4电子封装的最新进展 在过去的40年，电子封装技术在封装材料、封装技术、封装性能以及封装的应用等方面均取得了巨大的进步，封装效率成几何倍数增长(硅片面积与封装面积的比值)，PGA的封装效率小于10％，BGA是20％，CSP的封装效率大于80％，MCM的封装效率可达90％，在最近几年，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领域的一颗明珠，电子封装技术的最新进展如下： 4．1 封装新材料 4．1．1 低温共烧陶瓷材料(LTCC)--未来的陶瓷封装 所谓的LTCC是与HTCC(高温共烧陶瓷)相对应的一类封装材料，它主要是由一些玻璃陶瓷组成，烧结温度低(900℃左右)，可与贱金属共烧，介电常数低、介电损耗小、可以无源集成等，尤其是其特别优良的高频性能，使其成为许多高频应用的理想材料，该技术开始于80年代中期，经过十几年的开发和应用、已经日臻成熟和完善，并在许多领域获得了广泛的应用，在军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域，LTCC技术均获得了极大的成功，有人称LTCC代表着未来陶瓷封装的发展方向。
氮化铝陶瓷材料是90年代才发展起来的一种新型高热导率电子封装材料，由于其热导率高、热膨胀系数与硅相匹配、介电常数低、高绝缘，而成为最为理想的微电子封装材料，目前已经在微波功率器件、毫米波封装、高温电子封装等领域获得了应用，随着氮化铝制备技术的不断完善和价格的进一步降低，氮化铝陶瓷封装必将得到更大的发展，成为未来功率电子封装的主流。
AISiC金属基复合材料为封装的设计者提供了一套独特的材料特性，可用于高性能高级热处理的封装设计，总的来说与传统的封装材料相比，A1SiC具有以下特性，第一是该材料可以净尺寸加工，避免了繁杂的后加工处理，第二是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，A1SiC复合材料将是一种新的高性能金属基复合材料，在不远的将来它将替代目前使用的CuW、CuMo材料，成为重要的电子封装热沉材料。 4．2电子封装技术的进展 4．2．1 当前的封装技术 (1)BGA封装 BGA封装技术的出现是封装技术的一大突破，它是近几年来推动封装市场的强有力的技术之一，BGA封装一改传统的封装结构，将引线从封装基板的底部以阵列球的方式引出，这样不仅可以安排更多的I／O，而且大大提高了封装密度，改进了电性能，如果它再采用MCM(多芯片模块)封装或倒装片技术，有望进一步提高产品的速度和降低复杂性。 BGA封装2005年的市场将达25亿块，2000-2005年之间的平均市场增长率为20％，增长速率低于CSP。BGA与CSP不同，其产品中82％采用的是硬质基板，软质基板的量还不足5％。 (2)封装倒装片(FCIP) 倒装片技术是一种先进的非常有前途的集成威廉希尔官方网站 封装技术，它分为封装倒装片(FCIP)和板上倒装片(FCOB)两种，封装倒装片是一种由IBM公司最先使用的先进封装技术，它是利用倒装技术将芯片直接装入一个封装体内，倒装片封装可以是单芯片也可以是多芯片形式，倒装片的发展历史已将近40年，它的突出优点是体积小和重量轻，在手持或移动电子产品中使用广泛。 由于显示器驱动器市场的不断壮大，推动着倒装片封装技术的发展，预计倒装片封装的数量将会增大，到2005年将会达到40-45亿块。 (3)多芯片模块(MCM) MCM是90年代兴起的一种混合微电子组装技术，它是在高密度多层布线基板上，将若干裸芯片IC组装和互连，构成更复杂的或具有子系统功能的高级电子组件，MCM的基本结构主要有三种：MCM-L、MCM-C、MCM-D，现在已出现了将这些技术组合在一起的趋势如MCM-C／D、MCM-L／D、MCM-E／F、MCM-L／D等，MCM的主要特点是布线密度高，互连线短、体积小、重量轻和性能高等，MCM技术自问世以来就受到了世界各国的广泛重视，并被列为美国十大军用高技术之一，目前MCM已被广泛用于计算机、通信、军事、航空和航天等领域，随着其KGD主要障碍的突破，其应用范围和数量都将进一步扩大，预计世界MCM的平均年增长率超过35％，2000年已达200亿美元。 (4)CSP封装 CSP封装是BGA封装进一步小型化、薄型化的结果，是90年代推出的一种新的超小型封装技术，它主要是指封装面积不大于芯片尺寸1.2倍的封装，其特点是尺寸小、成本低、功耗低等，目前CSP已有上百个品种，CSP之所以受到极大的关注是由于它能提供比BGA更高的组装密度，虽然它的组装密度还不如FCIP，但其工艺简单，基本和SMT相同，CSP是最终的超小型封装，它给高性能、低成本、微型化的高密度封装带来了希望，并解决了KGD的供给难题。 目前，CSP正在向手机市场进军，2000年CSP的世界市场为14．5亿块，超过了BGA(10．2亿块)，预计2005年CSP将达68亿块，5年间的年平均增长率达36％。 4．2．2 未来的封装技术 (1)圆片级封装(WLP)技术 圆片级封装和圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)是同一概念，它是芯片尺寸封装的一个突破性进展，表示的是一类威廉希尔官方网站 封装完成后仍以圆片形式存在的封装，其流行的主要原因是它可将封装尺寸减至和IC芯片一样大小以及其加工的低成本，圆片级封装目前正以惊人的速度增长，预计到2005年，其平均年增长率(CAGR)可达210％，拉动这种增长的器件主要是集成威廉希尔官方网站 、无源元件、高性能存储器和较少引脚数的器件。 (2)叠层封装 目前，叠层封装在整个IC封装市场上仅占很小的一部分，但是其在某些产品中的市场增长率却相当的快，使之跻身于先进封装的市场之中，叠层封装是指在一个芯腔／基板上将多个芯片竖直堆叠起来，进行芯片与芯片或芯片与封装之间的互连，大部分的叠层封装是两个或两个以上的芯片相叠，也有一些厂家生产了一些更多芯片叠加的产品。Sharp公司是叠层封装技术领域的先驱，叠层封装的产值1999年为1．54亿美元，2000年为2．82亿美元，预计到2004年将达到9．64亿美元。 (3)系统级封装(SIP)技术 系统级封装技术是在系统级芯片(SOC)的基础上发展起来的一种新技术，系统级芯片是指将系统功能进行单片集成的威廉希尔官方网站 芯片，该芯片加以封装就形式一个系统基的器件。SOC对人们来说既是一种追求也是一种挑战，许多时候人们预期的威廉希尔官方网站 密度和尺寸目标用SOC很难实现或代价太大，因此人们想到了系统集成的另一种选择，系统级封装(SIP，systeminapackage)，系统级封装是指将多个半导体裸芯片和可能的无源元件构成的高性能系统集成于一个封装内，形成一个功能性器件，因此可以实现较高的性能密度、集成较大的无源元件，最有效的使用芯片组合，缩短交货周期，SIP封装还可大大减少开发时间和节约成本，具有明显的灵活性和适应性，基于系统级设计的SIP符合了未来的发展方向，具有广阔的应用前景，因此人们对其寄予厚望，并将其视为下一代封装的代表性产品，目前SIP的市场增长很快(尽管其市场占有率还很小)，预计到2007年全世界SIP的收入将达到7．48亿美元。 5 电子封装技术发展的新领域 5．1 MEMS封装 最近二十年，MEMS加工技术在速度和多领域、多用途方面确实令人叹服，广义上讲，一个微型系统包括微电子机械系统、信号转换和处理单元以及电气机械封装等，过去几年，MEMS技术的迅速发展使其在汽车、医疗、通信、及其他消费类电子中获得了广泛的应用，据预计，将来的MEMS市场的增长将更快，但是MEMS产品继续发展的瓶颈主要是其封装技术，如同其他半导体器件一样，MEMS器件也需要专用的封装来提供环境保护、电信号连接、机械支撑和散热，另外MEMS封装还要让精细的芯片或执行元件与工作媒体直接接触，而这些媒体对芯片材料常常是非常有害的，还有许多MEMS的使用要求封装内是惰性或真空气氛。MEMS封装之所以复杂的另一个原因是几乎所有的微系统封装都包含了复杂而微小的三维结构，目前许多单芯片陶瓷、模塑、芯片尺寸、晶圆级封装都已成功用于MEMS，而MEMS多芯片封装和三维封装技术都在开发之中。
当电子工业的许多方面开始出现下滑的时候, 一个新的领域--光电子产业已显露出新的亮点，光学通讯市场的增长对EMS供应商提供了新的机遇和挑战。光电子器件是光学元件和电子威廉希尔官方网站 相结合的一类器件，它包括有源元件、无源元件以及构成光通路的互连，光电子封装就是将这些光电元件与原来的电子封装集成起来，形成一个新的模块，这个模块可以看成是一个特殊的多芯片模块，其I/O数很低、芯片尺寸很小。光电子封装的一个主要问题是高的数字速度和低的光信号转化率，另一个主要问题是光功能件的集成。对于光电封装来讲，对材料性能的理解非常必要，光电封装可能在封装中包含复杂基板，另外光电封装还需要复杂的设计系统，它必须包含系统所需的光、电、热、机的设计能力，尤其是热设计，这是由于光电器件可能对工作参数敏感，如波长，实际上为了使光元件能工作在一特定的波长下常对其进行温度调节，这就需要在封装内有一致冷器，并具有适当的散热功能，将来的光电器件封装密度更高，工作速度更快，这更加重了光电封装的热问题，因此光电子封装在光电子工业中相当的重要。 5．3 宽禁带半导体高温电子封装
5．4毫米波封装
微光学电子机械系统是一种新型的技术，它内含微机械光调制器、微机械光学开关、IC及其它构件，它是将MEMS技术引进到OE中的新应用，充分利用了MEMS技术的小型化、多重化、微电子性，实现了光器件与电器件的无缝集成，最近，光MEMS器件在通讯工业中的应用已经引起了人们的极大关注--尤其是光网络和光开关领域，由于光MEMS是一种依赖于高度精密的光、电和机械来工作的微系统，这些器件对封装有一些特殊的要求，不仅要求光MEMS封装能提供光、电的通路，而且要能提供气密性、机械强度、尺寸稳定性和长期的可靠性等，不断增加的I／O数也需要高密度的基板和封装，而且不同的应用需要不同的封装，封装占总成本的75-95％。封装已成为MOEMS制作的关键。 6结束语 20世纪的电子封装业经历了史无前例的变革，从70年代的通孑L插装到目前的三维系统封装，一代一代不断向前，它对军事电子装备乃至整个人类的生活均产生了深远的影响。在进入21世纪的今天，随着电子工业的进一步发展，人们必将迎来电子封装技术的第四次发展浪潮--系统级封装。电子封装技术不仅面临着更大的机遇和挑战，也孕育着更为广阔的发展空间。 | ||||||||||||
| 本文摘自《电子与封装》 |
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