第八、九、十章-气密性及塑料封装

第八~十章气密性及塑料封装气密性封装气密性封装是集成电路芯片封装技术的关键之一。所谓气密性封装是指完全能够防止污染物（液体或固体）的侵入和腐蚀的封装。通常金属、陶瓷、玻璃、塑料均可作为IC芯片的封装材料，但能达到所谓气密性封装的材料仅有金属、陶瓷、玻璃。气密性封装的必要性集成电路芯片封装的主要目的之一即为提供IC芯片的保护，避免不适当的电、热、化学及机械等因素的破坏。在外来环境的侵害中，水汽是引起IC芯片损坏最主要因素，由于IC芯片中导线的间距极小，在导体间很容易建立起一个强大的电场，如果有水汽侵入，在不同金属之间将因电解反应（GalvanicCell）引发金属腐蚀；在相同金属之间则产生电解反应（ElectrolyticReaction），使阳极处的导体逐渐溶解，阴极处的导体则产生镀着或所谓的树枝状成长（DendriteGrowth）。这些效应都将造成IC芯片的短路、断路与破坏。各种主要的封装密封材料的水渗透率陶瓷气密性封装陶瓷因其电、热、机械特性等方面的稳定性，可用作封装基材：封装盖板材料或重要的承载基板。陶瓷封装能提供IC芯片气密性（Hermetic）密封保护，使其具有良好的可靠性。陶瓷气密性封装陶瓷封装能提供高可靠度与密封性是利用玻璃与陶瓷及Kovar或Alloy42合金引脚架材料间能形成紧密接合的特性。以陶瓷双列式封装为例，先将金属引脚架以暂时软化的玻璃固定在釉化表面的氧化铝陶瓷基板上，完成IC芯片粘结及打线接合后，以另一陶瓷封盖覆于其上，再置于400℃的热处理炉中或涂上硼硅酸玻璃材料完成密封。陶瓷封装工艺流程陶瓷封装工艺以氧化铝为基材的陶瓷封装工艺如图8.2所示，主要的步骤包括生胚片的制作（TapeCasting）、冲片（Blanking）、与导孔成型（ViaPunching）、厚膜导线成型、叠压（Lamination）、烧结（Burnout/Firing/Sintering）、表层电镀（Plating）、引脚接合（Lead/PinAttach）与测试等。生胚片成型陶瓷粉末、黏结剂、塑化剂与有机溶剂等均匀混合后制成油漆般的浆料通常以刮刀成型的方法制成生胚片，刮刀成型机在浆料容器的出口处置有可调整高度的刮刀，可将随着多元酯输送带所移出的浆料刮制成厚度均匀的薄带（如图8.3所示），生胚片的表面同时吹过与输送带运动方向相反的滤净热空气使其缓慢干燥，然后再卷起，并切成适当宽度的薄带。未烧结前，一般生胚片的厚度约在0.2～0.28

mm之间。

陶瓷针栅阵列外壳（CPGA）最常用的插装型外壳2.54mm节距规则或交错排列腔体向上或向下，可附带热沉用于封装CPU、DSP、CCD、ASIC等VLSI芯片

陶瓷四边引线扁平外壳（CQFP）1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.635mm、0.5mm节距体积小、重量轻、适合表面安装用于封装各种大规模集成电路，如ECL、CMOS及TTL等

无引线陶瓷片式载体LCCC

陶瓷扁平外壳（FP）通常1.27mm节距可定制非标准引线节距和腔体产品，可安装热沉主要用于封装中、小规模集成电路

双列直插多层陶瓷外壳（DIP）插装型外壳，通常2.54mm节距具有电热性能好、可靠性高等优点有带热沉和不带热沉两种

陶瓷焊球阵列外壳（CBGA）金属气密性封装金属材料具有最优良的水分子渗透阻绝能力，故金属封装具有相当良好的可靠度，在分立式芯片元器件（DiscreteComponents）的封装中，金属封装仍然占有相当大的市场，在高可靠度需求的军用电子封装方面应用尤其广泛。常见的金属封装通常用镀镍或金的金属基座（通常称为Header，如图10.2所示）以固定IC芯片；为减低硅与金属热膨胀系数的差异，金属封装基座表面通常又焊有一金属片缓冲层（BufferLayer）以缓和热应力并增加散热能力；针状的引脚是以玻璃绝缘材料固定在基座的钻孔上，并与芯片的连线再以金线或铝线的打线接合完成；IC芯片粘结方式通常以硬焊或焊锡接合完成。完成以上的步骤之后，基座周围再以熔接（Welding）、硬焊或焊锡等方法与另一金属封盖接合。密封方法的选择除了成本与设备的因素之外，产品密封速度、合格率与可靠度等均为考虑的因素。熔接的方法所获得的产品密封速度、合格率与可靠度最佳，是为最普遍使用的方法，但利用熔接方法所得的产品不能移去封盖做再修护的工作，此为该方法的不足之处；硬焊或焊锡的方法则能移去封盖进行再修复。气密性封帽气密性封帽有多种工艺方法，如电阻焊（平行缝焊、点焊）、钎焊、玻璃熔封、激光焊、超声焊、冷压焊等。半导体器件常用的是钎焊、平行缝焊、点焊、激光焊。衡量封帽质量的技术指标水汽含量GJB33A≪半导体分立器件总规范≫GJB597A≪半导体集成电路总规范≫GJB2438≪混合集成电路总规范≫封装内部水汽含量在100℃条件下不得超过5000ppmv。

容许的气密性漏率

控制内部水汽的关键：

1.封帽时的环境气氛。用链式炉或管式炉钎焊，炉内的水汽含量应不大于100ppmv。平行缝焊或点焊操作箱内所充氮气的水汽含量应不大于10ppmv。2.烘烤温度，时间一般在几百Pa的真空度下烘烤,去除材料吸附的水汽。

水汽含量与烘烤温度和时间的关系（陶瓷封装）平行缝焊接属于电阻熔焊，脉冲焊接电流从一个电极通过盖板和框架，再从另一个电极回到电源形成回路，在接触面上有着大的接触电阻，从而发热完成焊接。平行缝焊是一种最受欢迎、采用广泛的金属气密封装熔焊工艺。在平行缝焊机中的载片台上使四周边沿对齐的可伐合金体和盖板对位于一对同轴相对的切顶圆锥铜合金电极下，两电极在盖板顶面的两个平行外缘上滚动的同时，一电极送出来自于缝焊机电源的连续大电流脉冲，并形成回路。（1500度）平行缝焊

焊料环电极熔焊激光焊接1热传导焊激光照射表面后热量以热传导的方式进行焊接2激光深熔焊先用激光刻坑，液体回流进入坑中时形成焊接塑料封装塑料封装的散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封装具有低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产等优点，它的应用范围极广，从一般的消费性电子产品