第五章 微电子封装技术

一、集成电路封装的设计 芯片 陶瓷盖板 低熔点玻璃 封装外壳的设计 金属化布线 封接的设计 陶瓷封装外壳 引线和引线架的设计 导电胶

二、集成电路封装的设计 芯片 陶瓷盖板 低熔点玻璃 封装外壳的设计 陶瓷封装外壳 封接的设计 引线和引线架的设计

1、封装外壳的设计 集成电路外壳是构成集成电路整体的一个主要组成部分。它不仅仅对集成电路芯片起着一个单纯的机械保护和芯片电极向外过渡连接的作用，而且对集成电路芯片的各种 功能参数的正确实现和电路使用场所要求的环境条件，以及体现电路特点，都起着根本的保证作用。

封装外壳的设计要求

外壳设计的主要原则 外壳设计是一项综合性工作，需要对总体布局、结构尺寸、材料选择以及制造工艺和成本等方面进行分折选定出一个最佳方案。 外壳设计最主要考虑的问题 电性能、热性能和使用场所， 电设计和热设计

（1）外壳的电性能设计原则 对任一集成电路的封装外壳都要求具有一定的电性能，以保证相互匹配而不致对整个集成电路的性能产生失误或失队其中又以超高频外壳更为突出。 ①分布电容和电感 当集成电路处在超高频状态下工作时，由于外壳金属体所形成的分布电容和分布电感常会起不必要的反馈和自激，从而使集成电路的功率增益下降、损耗增加，所以在一般情况下，都希望外壳的分布电容与分布电感愈小愈好。

②特性阻抗 在超高频范围内工作的集成电路，当传输线中有信号传递时，如在中途因阻抗不匹配就会引起信号反射损耗，使传输的信号减弱。因此，要求外壳能保证电路有恒定特性阻抗值(国内一般使用50Ω或75Ω的传输线)。 ’ ③电磁屏蔽 在放大电路中，当使用金属外壳时，由于屏蔽作用使金属外壳相当于一只矩形波导，在这波导中，放大电路的各级元器件都对它起电磁场的激励作用，其中以末级元器件的激励最强，这样因屏蔽外壳的耦合，很容易引起寄生反馈。为了消防这些影响，应将外壳做得长一点。

④引线电阻 集成电路封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引线的几何形状。在陶瓷外壳中，引线电阻又与陶瓷金属化材料和图形尺寸有关。若引线电阻过大，则会使电路增加一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗增大，并且影响了电路的性能。

⑤绝缘电阻 集成电路封装外壳的绝缘电阻，通常是两相邻的引线间或任一引线与金属底座间的电阻值。这个数值的大小不仅与引线间的距离和外壳结构有关，也与绝缘体的绝缘性能与环境条件有关。 外壳绝缘电阻的降低将会导致电极问的漏电流增大，使整个集成电路的性能下降或变坏，这对MOS集成电路则更为突出。 绝缘电阻可分为体积电阻和表面电阻．前者的性能好坏决定于本身内在的物质结构．而后者则与所处环境条件及材料表面状态有关，特别是水分、潮气对材料表面电阻影响甚大。因此在进行封装外壳设计时，要注意结构安排的合理性，并考虑到材料加工后的表面状态，应尽量选用一些表面抗电强度和绝缘电阻高的材料。

⑥ 光电外壳 在实际应用中具有光电转换性能的集成电路已经为数不少，数字电路中的可改写只读存储器(EPROM)则是其中最好的一个例子。但是要使集成电路能够具备这样的功能，就必须要有一个类似窗户一样的结构，使各种不同的光能够透射进去，这样才能达到光电转换的目的。为此这类集成电路的 封装外壳需具有特殊的“光窗”结构形式。 这类具有光窗的集成电路封装外壳，我们称它为光电外壳， 光窗的结构和所用的材料是设计光电外壳时应考虑的主要问题。 首先要搞清楚需要透过什么样波长的光，如红外光、紫外光或可见光；其次是透光的强度；最后还要考虑外壳对其他不需要的光如何进行掩蔽，这样才能根据已知的条件来进行设计光电外完。

（2）外壳的热性能设计原则 随着集成电路的组装密度不断增大，将导致功率密度也相应的提高，集成电路单位体积发热量也有所增加。在外壳结构设计上如果不能及时地将芯片内所产生的热量散发出去，设法抑制集成电路的温升，必然对集成电路的可靠性产生极为严重的影响。为此，封装外壳的热设计是一个至关重要的课题。 在进行封装外壳的热设计时，需要估计集成电路芯片由于电功率的热效应所产生的热量如何通过外壳散发到周围环境中去。

散热问题 封装树脂 IC芯片 内引线 基板 氧化铝、氮化硅、氧化铍 改善底座和散热板的接触状态 加大散热板的面积 改变散热材料，将散热板的热阻降低。

2、引线和引线架的设计 引线和引线框架是构成集成电路封装外壳的主要组成零件。它的作用就是通过引线能够把电路芯片的各个功能瑞与外部连接起来。由于集成电路的封装外壳的种类甚多，结构形成也不一样，因此其引线的图形尺寸和使用材料也都各有特点，在集成电路使用过程中，由于引线加工和材料使用不当而造成封装外壳的引线断裂和脱焊等事例为数不少，因而如何提高引线质量、改进制造技术和开发一些新型引线是很重要的。

引线的结构尺寸是根据封装外壳整体要求来设计的。如金属圆形外壳，其引线是直接封接在电真空玻璃中，为了便于与内引线键合，上端焊接点要求平整、光洁，甚至要求打平以增加焊接面积。因此这种引线都是圆形的，是用金属丝材或棒材加工而成的。 对于各类扁平式和双列式外壳，其引线有的是封接在电真空玻璃中；有的是钎焊在陶瓷基体的侧面或底面l，因此这种引线都是矩形的，是用金属带材或板材冲压而成的。这种引线除了要保证两引线间具有一定的距离外，而且在使用时要按一定的规格进行排列和不致松散，所以要设计成引线框架形式。这样在集成电路组装中它既能起到整齐排列的作用，也能达到保护引线的目的(在老化测试前，剪去多余的连条部分，就成为我们所需要的引线)。

3、封接设计 封接材料

根据低温封接的特定要求，封接材料必须具备以下几个条件： ①封接材料的软化温度要低，应保证能在足够低的温度条件下进行封接，以免封接温度过高而导致芯片上金属连线球化或引线框架变形变坏；同时在封接温度下封接材料的粘度应在1—200Pa·s范围之间，使封接材料既充分而又不过份地在封接面上流动； ②封接材料的线膨胀系数应能和被焊的陶瓷、金属相匹配，从而保证封接件具有一定的封接强度和经受得住诸如温度、气候和机械等一系列的环境考验。如果和被焊材料的线膨胀系数相差甚远，则在封接后封接材料中残存应力将使封接材料遭到破坏，从而使封接 强度大大降低和无法保证封接体的气密性； ③当金属用封接材料封接时，要求封接材料对金属有良好的浸润性，同时，为获得牢固的封接强度，要求封接材料能够扩散到金属表面的氧化层中去； ④ 在与水、空气或其他介质相接触时，封接材料应仍具有良好的化学稳定性和绝缘性能， ⑤ 在封接过程中，不能由封接材料中产生有害物质，使之挥发或溅落在电路芯片或其他部位上，从而导致集成电路性能变坏或完全失效。

（1）常用的封接材料 低熔玻璃 低熔玻璃系指软化温度不高于500℃的一类粉状玻璃材料。由于它易与金属、陶瓷等材料粘接且本身不透气，当形成密封腔体后可获得较高的气密性。同时又具有不燃性和良好耐热性能，电性能也比较优越，因此它作为一种无机焊料，广泛地被应用在真空和电子产品中。在集成电路封装领域它也是很好的低温密封材料和粘接材料。

封接合金材料 封接合金材料主要是用来与相应的陶瓷、玻璃或塑料进行封接的，其具体要求是： ① 一定温度范围内，封接合金材料的线膨胀系数必需与相应的封接体基本一致，以达到良好的匹配； ②要具有良好的机械性能和导热性能，能耐腐蚀、其加工性能要好，可以制成丝、管、带、棒等几何形状，抗氧化和具有好的塑性。并且它们的冲裁成型性、表面平整性等都能达到所需的要求； ③ 封接合金材料在使用时，应没有金相组织的转变，不会因相变而带来线膨胀系数的急剧变化，因为这将造成封接材料的内应力增加，使之产生炸裂等现象而导致漏气； ④ 材料中非金属杂质、有害元素和气体的含量应当在真空中或氢气保护下进行退火时，能够很好的脱碳、脱气； ⑤在性能满足要求的前提下价格要尽可能低廉。

4、封装技术的计算机模拟分析 随着半导休器件工作频率的不断提高、集成电路集成度与速度的迅速增加，一个封装外壳内所能容纳的芯片数目及其功率也相应地急剧增加。 ①芯片温度的升高将会降低器件的可靠性而温度的急剧变化又会在器件各部分产生热应力，从而有可能引起芯片、衬底和键合点的碎裂或脱落。 ②在高速、高频或紧密组装的电路系统设计中，金属化布线的电容和电感对电路性能的影响也是不能忽视的。 所以耍实现高可靠、高密度和高性能的封装，在进行封装结构设计时，在处理好由器件温升而引起的热阻、由分布电容和分布电感而引起的器件高频性能变坏和速度降低等一系列问题时，可利用计算机辅助设计这一有力的手段，以取得较好的设计效果。

一个较完善的封装结构设计必须在几个重要的封装设计因素中，譬如热阻、芯片热阻、键合点寿命、热应力、热变形、接触电阻和电性能等方面，彼此取得较好的平衡。 换句话说，一个较完善的封装结构实际上就是将这个器件的电性能、环境、寿命、机械和热性能等通过封装材料和特殊的工艺方法，以特定的结构形式体现出来。 以前对于封装结构的考核都是通过一些样品的试制和试验来获得的，但是随着产品更新周期的缩短，采用计算机辅助设计则可赢得时间而使封装设计工作加速。 比如半导体器件热强度设计系统HISETS软件 热分析与散热设计技术 布线、实装形态与电信号传输特性分析 应力分析

三、集成电路封装工艺流程

1、划片 划片就是把已制有电路图形的集成电路圆片切割分离成具有单个图形(单元功能)的芯片，常用的方法有金刚刀划片、砂轮划片和激光划片等几种：金刚刀划片质量不够好，也不便于自动化生产，但设备简单便宜，目前已很少使用；激光划片属于新技术范踌，正在推广试用阶段。目前使用最多的是砂轮划片，质量和生产效率都能满足一般集成电路制作的要求。

2、绷片和分片 绷片：经划片后仍粘贴在塑料薄膜上的圆片，如需要分离成单元功能芯片而又不许脱离塑料薄膜时，则可采用绷片机进行绷片，即把粘贴在薄膜上的圆片连同框架一起放在绷片机人用一个圆环顶住塑料薄膜，并用力把它绷开，粘在其上的圆片也就随之从划片槽处分裂成分离的芯片。这样就可将已经分离的但仍与塑料曲膜保持粘连的芯片．连同框架一起送入自动装片机上进行芯片装片。现在装片机通常附带有绷片机构。 分片：当需人工装片时，则需要进行手工分片，即把已经经过划片的圆片倒扣在丝绒布上，背面垫上一张滤纸，再用有机玻璃棒在其上面进行擀压，则圆片由于受到了压应力而沿着划片槽被分裂成分离的芯片。然后仔细地把圆片连同绒布和滤纸一齐反转过来，揭去绒布，芯片就正面朝上地排列在滤纸上，这时便可用真空气镊子将单个芯片取出，并存放在芯片分居盘中备用。

3、芯片装片 把集成电路芯片核接到外壳底座(如多层陶瓷封装)或引线框架(如塑料封装)上的指定位置，为丝状引线的连接提供条件的工艺，称之为装片。由于装片内涵多种工序，所以从工艺角度习惯上又称为粘片、烧结、芯片键合和装架。根据目前各种封装结构和技术要求，装片的方法可归纳为导电胶粘接法、银浆或低温玻璃烧结法和低熔点合金的焊接法等几种，可根据产品的具体要求加以选择。

4、引线键合 最早的办法是采用拉丝焊、合金焊和点焊。直到1964年集成电路才开始采用热压焊和超声焊。 集成电路的芯片与封装外壳的连接方式，目前可分为有引线控合结构和无引线键合结构两大类。有引线镀合结构就是我们通常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金—金 键合，金—铝银键合或铝—铝键合。由于它们都是在一定压力下进行的焊接，所以又称键合为压焊。

5、密封 密封技术就是指在集成电路制作过程中经过组装和检验合格后对其实行最后封盖，以保证所封闭的空腔中能具有满意的气密性，并且用质谱仪或放射性气体检漏装置来进行测定，判断其漏气速率是否达到了预定的指标。通常都是以金属、玻璃和陶瓷为主进行密封，并称它们为气密性封装；而塑料封袭则称非气密性封装。

塑料封装DIP工艺 成本较低 封装树脂 IC芯片 导线丝 铝膜 引线架 外引线 塑料基板 导电粘胶

6、塑料封装技术 塑料封装生产的特点，就是在集成电路的生产过程中，通过组装可以一次加工完毕，而不需由外壳生产厂进行配套，因而其工作量可大为降低，适合于大批量的自动化生产，已成为集成电路的主要封装形式之一。

（1）塑料封装成型方法 塑料封装的成型方法有滴涂法、浸渍涂敷法、填充法、浇铸法和递模成型法。应根据封装的对象、可靠性水平和生产批量的不同选用合适的成型方法。

①滴涂成型法 用滴管把液体树脂滴涂到键合后的芯片上，经加热后固化成型，又称软封装。

滴涂法工艺操作简单，成本低，不需要专用的封装设备和模具，适用于多品种小批量生产，但封装的可靠性差，封装外形尺寸不一致，不适合大批量生产，其工艺流程是

②浸渍涂敷法成型 把元、器件待封装部位浸渍到树脂溶液中，使树脂包封在其表面，经加热固化成型。

浸渍涂敷法工艺操作筒单，成本低，不需要专用的封装设备和模具，但封装的可筹性差，封装外形不一致，表面浸渍的树脂量不易均匀，其工艺流程是

③填充法成型 把元器件待封装部位放入外壳(塑料或金属壳)内，再用液体树脂填平经加热固化成

填充法工艺操作简单，成本低，防潮性能好，适合选用不同材料的外壳，但生产效率较低，树脂量不易控制．且可靠性差，其工艺流程是

④浇铸法成型 把元器件待封装部位放入铸模内，用液体树脂灌满，经加热固化成型

浇铸法成型工艺操作简单，成本低，封装外形尺寸一致，防潮性能较好，但封接后不易脱模，生产效率低．可靠性也差，其工艺流程是

⑤递模成型 塑料包封机上油缸压力，通过注塑杆和包封模的注塑头、传送到被预热的模塑料上，使模塑料经浇道、浇口缓促的挤入型腔，并充满整个腔体，把芯片包封起来。此方法称为递模成型法

递模成型工艺操作简单，劳动强度低，封装后外形一致性好，成品率高，且耐湿性能好，适合大批量工业化生产，但一次性投资多，占用生产场地大，当更换封装品种时，需要更换专用的包封模具和辅助工具。递模成型法是集成电路的主要封装形式，其工艺流程是

（2）封装塑料的设计原则 好的散热性 热膨胀系数应进可能与硅芯片一致，减小热应力 尽可能低的介电常数，减小信号延迟 尽可能高的电阻率，增强绝缘性

（3）塑封材料 塑料封装所用的有机材料是热固性塑料，以高分子化合物合成的树脂为基体，加入团化刑、反应促进剂(催化剂)、填充剂、阻燃剂、脱模剂和着色剂等组成。 常用的几种树脂特性 环氧树脂 这是一种热固性树脂，固化后具有良好的粘接性、电绝线性、耐化学腐蚀性和机械强度，收缩率小，外形几何尺寸稳定性好，并具有较高的耐热性能(170一200℃)。环氧树脂的缺点是不适合在高温下工作，高频性能和耐湿性能较差。环氧树脂的封装方式比较广泛，可采用递模成型法、浇铸法、浸渍涂敷法、填充法和滴涂法。

硅酮树脂 能在较宽的频率和温度范围内工作。同时它具有更高的耐高温性(350~400℃)、耐气候性和抗辐照性，固化后收缩率小，外形几何尺寸稳定性好。主要缺点就是它与金属和非金屑的粘接性能欠佳。 聚丁二烯酯树脂 这也是一种热固性树脂，其优点是固化速度快、成型性好、固化后交联密度大、机械强度高、耐热性好(热变形温度大于260℃)和防潮性能好，并具有优良的电绝线性，高频损耗小，吸水率低。它的缺点是不适合封装大功率集成电路。常用的封装方式有递模成型法、浸渍法及浇铸法。

聚邻(间)苯二甲酸二丙烯酯 这是一种热固性树脂，具有良好的防潮性、防盐雾性、耐腐蚀性和耐气候性。在高温高湿条件下它也有较高电绝缘性，且外形几何尺寸稳定性好。它的缺点是耐热冲击性能差，并只能采用浇铸法成型。

常用的塑封添加剂及其作用 根据塑封电路的性能要求，为获得某种性能和改进树脂的某些性质，制备过程中增加如下添加剂。 填充剂 填充剂的作用是改善模塑料的机械强度，减小线膨胀系数，提高耐热冲击强度和耐磨损性，以增加尺寸的稳定性、热传导率和降低收缩率。 常用的填充剂有：石英粉、玻璃纤维、云母粉、氧化铝粉、氧化锌粉和有机合成纤维等。 脱模剂 为了改善模塑料的脱模性能，提高模具的使用寿命和改善塑封制品的外观性能，则在塑料的组成中加入适量的脱模剂。 常用的脱模剂称硕脂酸钙、硬脂酸、种类的高级脂肪酸等。

着色剂 着色刑的加入主要是使塑封后器件具有不同的颜色。 阻燃剂 为了满足某些塑封器件具有阻燃性能使之安全可靠的要求，可在塑科中加入适量的阻然剂。如卤化物、磷系化合物和三氧化锑等。 固化剂 这是塑封中主要添加剂，以加速塑料的交联反应而固化。根据不同的树脂和特性，可选用不同的固化剂。如环氧树脂可采用胶类和酚类，硅酮树脂可采用苯丙酸、苯甲酸酐等