1、微电子封装技术董海青 李荣茂第3章 包封与密封技术3.1 概述概述3.2 包封技术包封技术3.3 密封密封3.1 概述 封装可以说是半导体集成电路芯片的外封装可以说是半导体集成电路芯片的外壳，具有机械支撑、散热防潮、应力缓和、壳，具有机械支撑、散热防潮、应力缓和、电气连接等功能。电气连接等功能。使用有机物材料封装称为包封，通常用使用有机物材料封装称为包封，通常用低温聚合物来实现，包封是非密封性的；使低温聚合物来实现，包封是非密封性的；使用无机物材料封装称为密封，密封通常是气用无机物材料封装称为密封，密封通常是气密性的，又称为气密封装。密性的，又称为气密封装。3.1 概述 包封和密封的目的都是将
2、芯片与外部温包封和密封的目的都是将芯片与外部温度、湿度、空气等环境隔绝，起保护和电气度、湿度、空气等环境隔绝，起保护和电气绝缘作用；同时还可向外散热及释放应力。绝缘作用；同时还可向外散热及释放应力。封装的气密性一般用阻挡氦气扩散的能力来封装的气密性一般用阻挡氦气扩散的能力来度量，漏气率低于度量，漏气率低于10-8cm3/s，则认为是气密，则认为是气密的。的。3.2 包封技术 包封一般采用有机材料，成本相对较低，在民包封一般采用有机材料，成本相对较低，在民用集成电路封装中占主导地位。包封耐湿性不佳，用集成电路封装中占主导地位。包封耐湿性不佳，影响了产品可靠性，因此对于可靠性要求严格的大影响了产品
3、可靠性，因此对于可靠性要求严格的大型电子计算机等应用领域不适用。型电子计算机等应用领域不适用。包封材料：包封材料：包封封装材料是以环氧树脂为基础成分添加了包封封装材料是以环氧树脂为基础成分添加了各种添加剂的混合物。目前，趋向高端化的集成电各种添加剂的混合物。目前，趋向高端化的集成电路对包封材料性能的要求，主要有八个方面：路对包封材料性能的要求，主要有八个方面：3.2 包封技术包封材料：包封材料：成形性耐热性耐湿性耐腐蚀性粘接性成形性耐热性耐湿性耐腐蚀性粘接性电气特性机械特性可印性、阻燃性、软弹性、无毒电气特性机械特性可印性、阻燃性、软弹性、无毒及低毒性、低成本和着色性等。及低毒性、低成本和着色
4、性等。从基质材料的综合特性来看，最常用的包封材料分从基质材料的综合特性来看，最常用的包封材料分为四种类型：环氧类、氰酸酯类、聚硅酮类和氨基甲酸为四种类型：环氧类、氰酸酯类、聚硅酮类和氨基甲酸乙酯类，目前乙酯类，目前IC封装使用邻甲酚甲醛型环氧树脂体系的封装使用邻甲酚甲醛型环氧树脂体系的较多。较多。3.2 包封技术包封材料的可靠性：包封材料的可靠性：包封是非气密性封装，最主要的缺点是对潮气比较包封是非气密性封装，最主要的缺点是对潮气比较敏感。塑封集成电路的包封体跟其他材料一样，会从环敏感。塑封集成电路的包封体跟其他材料一样，会从环境中吸收或吸附水汽，特别是当集成电路处于潮湿环境境中吸收或吸附水汽
5、，特别是当集成电路处于潮湿环境时，会吸收或吸附较多的水汽，并且会在表面形成一层时，会吸收或吸附较多的水汽，并且会在表面形成一层水膜。水膜。提高集成电路抗潮湿性能，可以通过改进芯片钝化提高集成电路抗潮湿性能，可以通过改进芯片钝化层和集成电路的设计，提高芯片装片的工艺质量，优化层和集成电路的设计，提高芯片装片的工艺质量，优化集成电路封装工艺等途径解决。集成电路封装工艺等途径解决。3.2 包封技术包封工艺：包封工艺：将树脂覆盖在半导体芯片上，使其与外界环境隔绝将树脂覆盖在半导体芯片上，使其与外界环境隔绝。覆盖树脂的方法有以下五种：涂布法浸渍法滴。覆盖树脂的方法有以下五种：涂布法浸渍法滴灌法流动浸渍法
6、模注法。灌法流动浸渍法模注法。3.2 包封技术包封工艺：包封工艺：涂布法涂布法 浸渍法浸渍法3.2 包封技术包封工艺：包封工艺：滴灌法滴灌法 流动浸渍法流动浸渍法 模注法。模注法。3.2 包封技术传递模注封装：传递模注封装：传递模注封装是热固性塑料的一种成形方式，模注传递模注封装是热固性塑料的一种成形方式，模注时先将原料在加热室加热软化，然后压入已被加热的模时先将原料在加热室加热软化，然后压入已被加热的模腔内固化成形。其技术价格便宜，适于大批量生产，是腔内固化成形。其技术价格便宜，适于大批量生产，是目前半导体产业中最常用的封装形式。传递模注按设备目前半导体产业中最常用的封装形式。传递模注按设备
7、不同有三种形式：活板式、罐式和柱塞式。不同有三种形式：活板式、罐式和柱塞式。3.2 包封技术传递模注封装：传递模注封装：传递模注具有以下优点：制品废边少，可减少后传递模注具有以下优点：制品废边少，可减少后加工量；能加工带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品，加工量；能加工带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品，并能保持嵌件和孔眼位置的正确；制品性能均匀，尺并能保持嵌件和孔眼位置的正确；制品性能均匀，尺寸准确，质量高；模具的磨损较小。寸准确，质量高；模具的磨损较小。传递模注具有以下缺点：模具的制造成本较高；传递模注具有以下缺点：模具的制造成本较高；塑料损耗大；纤维增强塑料因纤维定向而产生各向塑料损耗大；纤维增强
8、塑料因纤维定向而产生各向异性；围绕在嵌件四周的塑料，有时会因熔按不牢而异性；围绕在嵌件四周的塑料，有时会因熔按不牢而使制品的强度降低。使制品的强度降低。3.2 包封技术传递模注封装：传递模注封装：工艺过程可简单描述如下：给粉末状树脂加压，工艺过程可简单描述如下：给粉末状树脂加压，打模成形，制成塑封料饼；预热后的料饼投入模具的打模成形，制成塑封料饼；预热后的料饼投入模具的料筒内；模具注塑头给料饼施加压力，树脂由料筒经料筒内；模具注塑头给料饼施加压力，树脂由料筒经流道，通过浇口分配器进入浇口，最后填充到型腔中；流道，通过浇口分配器进入浇口，最后填充到型腔中；待封装树脂基本填满每个型腔之后通过注塑头
9、加压力待封装树脂基本填满每个型腔之后通过注塑头加压力，在加压状态下保持数分钟，树脂在模具内发生充分的，在加压状态下保持数分钟，树脂在模具内发生充分的交联固化反应，硬化成形；打开模具，取出封装好的交联固化反应，硬化成形；打开模具，取出封装好的集成电路制品。集成电路制品。3.2 包封技术模封问题：模封问题：塑封成形的质量主要有三方面因素决定：塑封料塑封成形的质量主要有三方面因素决定：塑封料性能，其中包括应力，流动性，脱模性，弯曲强度，弯性能，其中包括应力，流动性，脱模性，弯曲强度，弯曲模量，胶化时间，粘度等；模具，包括浇道，浇口曲模量，胶化时间，粘度等；模具，包括浇道，浇口，型腔，排气口舌设计与引
10、线框设计的匹配程度等；，型腔，排气口舌设计与引线框设计的匹配程度等；工艺参数，主要是合模压力，注塑压力，模具温度，固工艺参数，主要是合模压力，注塑压力，模具温度，固化时间，注塑速度，预热温度等。化时间，注塑速度，预热温度等。常见问题主要有以下几项：未填充冲丝气泡常见问题主要有以下几项：未填充冲丝气泡或气孔麻点开裂溢料粘污、偏芯等。或气孔麻点开裂溢料粘污、偏芯等。3.3 密封技术密封技术：密封技术：密封是指将芯片置于密闭环境下，相关的制作技术密封是指将芯片置于密闭环境下，相关的制作技术称为气密封装技术。主要有焊料焊、钎焊、熔焊、玻璃称为气密封装技术。主要有焊料焊、钎焊、熔焊、玻璃密封等类型。密封
11、等类型。便于通过焊接来达到与陶瓷基板的封装，金属表面便于通过焊接来达到与陶瓷基板的封装，金属表面必须覆有金属封接带。气密焊接所使用的焊料是基于焊必须覆有金属封接带。气密焊接所使用的焊料是基于焊接操作前后工艺要求的温度范围以及要求的最小的封装接操作前后工艺要求的温度范围以及要求的最小的封装强度和成本来选择的。强度和成本来选择的。3.3 密封技术焊料焊密封：焊料焊密封：气密焊接所使用的焊料是基于焊接操作前后工艺要气密焊接所使用的焊料是基于焊接操作前后工艺要求的温度范围以及要求的最小的封装强度和成本来选择求的温度范围以及要求的最小的封装强度和成本来选择的。的。尽管封接焊料在气密封接中广泛应用，但可以
12、加入尽管封接焊料在气密封接中广泛应用，但可以加入一些合金添加剂，如铟和银，来提高强度或抗疲劳能力一些合金添加剂，如铟和银，来提高强度或抗疲劳能力。3.3 密封技术钎焊密封：钎焊密封：当封接强度和和抗腐蚀性要求更高的情况下，可以当封接强度和和抗腐蚀性要求更高的情况下，可以采用共晶采用共晶Au-Sn（80：20）的钎焊来代替焊料焊接，这）的钎焊来代替焊料焊接，这时不再需要阻焊剂。时不再需要阻焊剂。钎焊一般将一个薄且窄的平头焊到一个镀金的柯伐钎焊一般将一个薄且窄的平头焊到一个镀金的柯伐合金盖上。基板上的金属封接带一般也镀金以得到好的合金盖上。基板上的金属封接带一般也镀金以得到好的浸润性和抗腐蚀性。浸
13、润性和抗腐蚀性。对于用加热炉封接，典型的回流时间为对于用加热炉封接，典型的回流时间为24min，温度高于共晶温度温度高于共晶温度280，最高温度大概为，最高温度大概为350。3.3 密封技术熔焊密封技术：熔焊密封技术：对高可靠性封装，如军用方面，最常用的封接方法对高可靠性封装，如军用方面，最常用的封接方法是熔焊。是熔焊。在熔焊中，高电流脉冲可以对局部加热到在熔焊中，高电流脉冲可以对局部加热到1000 1500，使封装的盖板或平板熔化。该局部加热也防止，使封装的盖板或平板熔化。该局部加热也防止了对内部元件的破坏。了对内部元件的破坏。熔焊中比较常用的一种方法是平行缝焊法，平行缝熔焊中比较常用的一种
14、方法是平行缝焊法，平行缝焊法也称为串焊，焊接通过一对小的带式铜电极轮来移焊法也称为串焊，焊接通过一对小的带式铜电极轮来移动封装外壳和封装盖板。转换器产生一系列的能量脉冲动封装外壳和封装盖板。转换器产生一系列的能量脉冲，该能量脉冲从一个电极，经过封装外壳，该能量脉冲从一个电极，经过封装外壳-盖板界面的盖板界面的侧壁，到达另一个电极。侧壁，到达另一个电极。3.3 密封技术玻璃封装密封技术：玻璃封装密封技术：自从自从20世纪五六十年代晶体管时代的出现，玻璃就世纪五六十年代晶体管时代的出现，玻璃就开始用在半导体封装的封接工艺中。作为半导体器件抵开始用在半导体封装的封接工艺中。作为半导体器件抵挡外界湿气
15、和其他粘污的第一道防线。挡外界湿气和其他粘污的第一道防线。玻璃封接应用在各种封装类型中，从最早封装的第玻璃封接应用在各种封装类型中，从最早封装的第一个晶体管的一个晶体管的TO帽，到最近的陶瓷封装。帽，到最近的陶瓷封装。TO封装中玻封装中玻璃被用来形成玻璃和金属之间的封装，同时通过金属板璃被用来形成玻璃和金属之间的封装，同时通过金属板或帽的小孔完成封装引线的输入输出连接；陶瓷封装中或帽的小孔完成封装引线的输入输出连接；陶瓷封装中玻璃用作陶瓷盖板和芯片安装的陶瓷基板之间形成密封玻璃用作陶瓷盖板和芯片安装的陶瓷基板之间形成密封的夹心层。的夹心层。本章小结 本章主要讲述了两种常见的封装技术：本章主要讲述了两种常见的封装技术：密封和包封。密封和包封。包封技术部分主要讲述了包封技术的特包封技术部分主要讲述了包封技术的特点、包封材料、包封工艺、传递模注封装技点、包封材料、包封工艺、传递模注封装技术的优点和缺点、工艺流程、模注封装成形术的优点和缺点、工艺流程、模注封装成形技术的常见问题及其对策等内容；技术的常见问题及其对策等内容；密封技术部分主要讲述了常用的密封技密封技术部分主要讲述了常用的密封技术、焊料焊密封技术、钎焊密封技术、熔焊术、焊料焊密封技术、钎焊密封技术、熔焊密封技术等、玻璃封装密封技术等。密封技术等、玻璃封装密封技术等。
