分立器件封裝及其主流類型

1、分立器件封裝及其主流類型龍 樂(龍泉長(zhǎng)柏路98號(hào)l棟208室，四川 成都 610100)摘 要：分立器件封裝也是微電子生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)-本文介紹國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體分立器件封裝技術(shù)及產(chǎn)品的主要發(fā)展?fàn)顩r，評(píng)述了其商貿(mào)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；封裝；分立器件中圖分類號(hào)：TN30594；TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1681-1070(2005)02-12-61 引言半導(dǎo)體分立器件是集成電路的前世今生，相對(duì)而言，它是單個(gè)無聯(lián)系的、具有器件功能特性的管芯，封裝在一個(gè)管殼內(nèi)的電子器件，在大功率、高反壓、高頻高速、射頻微波、低噪聲、高靈敏度等很多應(yīng)用場(chǎng)合起著舉足輕重與不可替代的關(guān)鍵作用。一些先

2、進(jìn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝和封裝技術(shù)已應(yīng)用到分立器件制造中，新的封裝形式日新月異，新結(jié)構(gòu)、新器件源源而來，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一大支柱：中國(guó)目前已成為全球最大的分立器件市場(chǎng)，分立器件占整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)的比例達(dá)40左右，遠(yuǎn)高于國(guó)際平均值的10：國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模188萬億元超過日本，成為僅次于美國(guó)位居世界第二位的國(guó)內(nèi)第一大產(chǎn)業(yè)：有需求就有供給，整機(jī)產(chǎn)業(yè)決定了分立器件市場(chǎng)今后的走向，同時(shí)也確定分立器件生產(chǎn)企業(yè)須從市場(chǎng)角度出發(fā)，高度關(guān)注主流動(dòng)向的深刻影響，在此影響下如能不斷調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，多元化和多樣化通盤考慮，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，分立器件還很有希望。2 微小尺寸封裝芯片制作技術(shù)早巳

3、進(jìn)入深亞微米時(shí)代，管芯面積大大縮減，化學(xué)機(jī)械拋光精密減薄優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，真正的挑戰(zhàn)在于使用這些微小、超薄的管芯進(jìn)行組裝的封裝技術(shù)，促進(jìn)封裝的技術(shù)含量與投資規(guī)?？焖偬嵘?。另一方面，在相同空間增添更多功能的整機(jī)發(fā)展趨勢(shì)仍未停止，應(yīng)用需求封裝采用更先進(jìn)的技術(shù)，向高性能的微型化小尺寸封裝外形演繹、目前，分立器件微小尺寸封裝有更多規(guī)格版本供貨，提供了更低的成本和空間優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)更自由，易連接例如，數(shù)字晶體管的小平腿微縮表面貼封裝TSFP-3的尺寸為(10×06×04)mm，比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOT-23還要小86。金屬膜MELF無引線圓柱形二極管是小外形器件SOD的先驅(qū)，為統(tǒng)一尺寸和使用

4、方便，也采用小外形晶體管SOT以及DPAK、D2PAK、SOD-123、DO-214AAABAC、DO-216AA、SOD-882等封裝類別，隨整機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化繼續(xù)研發(fā)新封裝。具體而言，SOD-123是一種鷗翼型引線塑封二極管，其尺寸和SOT-23相同，電路板PCB占位面積和05W的MELF封裝類似兼容，現(xiàn)正被SOD-123FL矮型扁平引腳封裝逐步取代，并已確立其市場(chǎng)地位。在亞洲更流行一種微封裝SMA的J引線DO-214AC，這種表面貼裝一般額定在1AW，它比DO-214AB更窄，占用較小的PCB空間。DO-216AA集低外形、低功率、小尺寸及電流處理能力于一體化，尺寸比SMA小一半，而熱性能

5、一樣，最大厚度11mm新型變?nèi)荻O管采用尺寸只有(10×06)mm的超小型扁平封裝SFP封裝類型，實(shí)際安裝面積大約減少40，而且其內(nèi)部電容偏差值保證達(dá)到18，可減少整機(jī)生產(chǎn)線上的調(diào)諧工作量，高頻開關(guān)二極管也采用超小型SFP封裝。SOD-882為新一代小型分立無引線扁平封裝，已用于眾多的開關(guān)、齊納、肖特基、變?nèi)?、波段開關(guān)、PIN二極管等產(chǎn)品，采用非常薄的紙帶包裝，在標(biāo)準(zhǔn)180mm卷軸上能夠提供1萬只產(chǎn)品。SOT-2389143是表面貼裝SMT初行時(shí)業(yè)界的主要封裝變革范例，現(xiàn)在這類封裝已被尺寸更小巧、熱特性更佳的新型SOT、薄型小外形封裝TSOP、薄型微縮小外形封裝TSSOP、微縮小外形

6、封裝SSOP所逐漸替換，各大廠家均有獨(dú)自的創(chuàng)新系列產(chǎn)品及市場(chǎng)目標(biāo)，例如，5或6條引腳的新型SOT-553563封裝大大縮減了PCB面積和厚度，超小型、低厚度如表1所示。封裝性能通常按熱特性及其占據(jù)的PCB面積之比來進(jìn)行評(píng)估，具體評(píng)估情況如表2所示，其熱特性提高的關(guān)鍵是采用扁平引腳設(shè)計(jì)，而表2中的其他兩種類型均為翼型引腳，SOT-553563已投人數(shù)十種小信號(hào)的雙極晶體管、開關(guān)或肖特基二極管、數(shù)字晶體管、偏壓電阻晶體管的封裝生產(chǎn)中，硅以及硅鍺射頻雙極晶體管可采用標(biāo)準(zhǔn)的SOT封裝，工作頻率可達(dá)20GHz，小尺寸塑封SOT、TSFP、單X2晶體管封裝TSLP-36等的實(shí)際應(yīng)用覆蓋整個(gè)有線和無線領(lǐng)域。

7、表3顯示出市場(chǎng)上常見的貼片式分立功率器件的微型封裝特點(diǎn)，熱阻JC與封裝形式相關(guān)。近年來，功率半導(dǎo)體封裝外包業(yè)務(wù)正迅速增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)到2006年功率半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的年度復(fù)合增長(zhǎng)率為366%。隨著微小尺寸封裝技術(shù)不斷發(fā)展，許多廠商加速商品化生產(chǎn)占據(jù)更小PCB面積的半導(dǎo)體分立器件。與此同時(shí)，充分應(yīng)用微小尺寸封裝的后發(fā)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)在一個(gè)封裝外殼中密封雙多只分立器件管芯的復(fù)合化、陣列化的產(chǎn)品紛紛上市，進(jìn)一步提高PCB面積效率：另外，還可將有關(guān)控制、外圍電路芯片及某些無源元件也組合在一起，發(fā)展成多芯片模塊。3 復(fù)合化封裝嚴(yán)格地講，復(fù)合化封裝仍屬微小尺寸封裝類別，只是更多的分立器件管芯被整合進(jìn)同一封裝中，雙管芯封

8、裝居多，封裝引出腳更多也是一大特色。市場(chǎng)上最常見的有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家推出的有引腳直插式封裝5、6、14引腳的開關(guān)對(duì)管、互補(bǔ)對(duì)管、復(fù)合對(duì)管、4晶體管陣列，結(jié)構(gòu)上有共發(fā)射板、共集電板、獨(dú)立雙PNP管、獨(dú)立PNPNPN管、獨(dú)立4晶體管陣列、達(dá)林頓管等類別，在各類整機(jī)多種形式的電路中，PCB的排列緊湊而簡(jiǎn)化，焊點(diǎn)相應(yīng)減少，應(yīng)用起來十分靈活方便。在多數(shù)情況下，6引腳封裝可以容納單、雙管芯，TSOP-6的引線座增大，能容納的單、雙管芯的最大尺寸分別為(1016×1778)mm和(06096×07112)mm，現(xiàn)用于封裝N和P溝器件、雙N與P溝器件及互補(bǔ)MOSFET。微型封裝Micro 8是

9、一種薄外形8引腳封裝，比SO-8小50左右，也可封裝一個(gè)或兩個(gè)管芯，單管芯尺寸面積為(1778×259)mm雙管芯為(1106×1778)mm。將MOS-FET與肖特基二極管復(fù)合化封裝稱其為FETKY器件，這種混合封裝包括一只控制及同步MOSFET與二極管，可改善電流密度，并使封裝寄生電阻與封裝電感減至最?。罕容^常見的還有把絕緣柵雙極晶體管IGBT和反并聯(lián)二極管封裝在一起的結(jié)構(gòu)，便于應(yīng)用-在一個(gè)超微型SOT-666封裝內(nèi)結(jié)合低VCE sat晶體管及帶電阻晶體管功能，推出具備集成負(fù)載轉(zhuǎn)換功能的晶體管，1A、40-80V的SC-74封裝的這種晶體管針對(duì)汽車與消費(fèi)應(yīng)用：SOT-3

10、63分為標(biāo)準(zhǔn)配置和反向配置(半偏置或全偏置)，封裝中裝有兩只相同的雙邏輯門的射頻MOSFET，這種合二為一使得器件更加小型化，并降低PCB面積和成本，同時(shí)提供高功率增益、低功能以及靜電放電ESD保護(hù)。二極管以往大多采用雙向(即軸向)或單向的雙條腿引出線封裝，復(fù)合化封裝已成為其發(fā)展方向，包括變?nèi)荨㈤_關(guān)、阻尼、調(diào)制、肖特基等復(fù)合二極管系列產(chǎn)品，特點(diǎn)是超小型化、多功能化，片狀化封裝。在結(jié)構(gòu)上分單一功能管芯(含多個(gè))和兩種管芯的功能復(fù)合二極管，外形大多數(shù)采用片狀化SOT或TO封裝：國(guó)際市場(chǎng)上已有大量二配對(duì)、三配對(duì)和四配對(duì)的復(fù)合變?nèi)荻O管供貨，外形為片狀化或單列直插式封裝，用于電視，通信、儀器等產(chǎn)品中；

11、復(fù)合開關(guān)二極管內(nèi)含兩個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的管芯，常被多種電路選用，二極管陣列由3個(gè)以上的開關(guān)二極管管芯組成，最多的可用十余個(gè)管芯組成，外形片狀化以及單列直插式封裝的應(yīng)用最大面廣：工作電流大于5A的肖特基二極管一般采用TO-220封裝，也可根據(jù)需要封裝成雙管芯的TO-254、MO-78，DPAK、B2-01BC外形，采用雙管芯(3X2)mm微型引腳封裝的高效率小型肖特基對(duì)管，具有良好的可焊性及散熱性；阻尼與調(diào)制二極管可組成多功能復(fù)合二極管，外形TO-220型封裝，開關(guān)速度快，導(dǎo)通時(shí)損耗?。嚎偠灾?，復(fù)合化將幾只管芯封裝在一起，外形很像一塊集成電路，有一定程度的集成化功能，電參數(shù)等物理性能的一致性大為提高

12、，便于在許多整機(jī)設(shè)計(jì)場(chǎng)合中應(yīng)用。4 焊球陣列封裝目前，常用功率晶體管的主要封裝方式有金屬氣密F型封裝TO-3管芯金屬結(jié)構(gòu)，塑料封裝TO-220，ISOTO-3P、ISOF-4、TO-3P等多種類型結(jié)構(gòu)，微波功率晶體管有H型、Q型封裝的管芯一陶瓷一金屬結(jié)構(gòu)，雙極型功率晶體管因成本低，仍占有一席之地，功率MOSFET向低內(nèi)阻、低電壓應(yīng)用發(fā)展。管芯與封裝占用面積之比也是功率器件封裝改進(jìn)的重要方向，在以往的SMT封裝中，如TSOP-6、SOT-23、SMA、SMB等，這一比例為20左右，約80的封裝面積被浪費(fèi)掉，無引線封裝的芯片占用面積比提高到約40，焊球陣列BGA封裝則進(jìn)一步提高此比例。利用Spac

13、er技術(shù)與溝槽柵工藝生產(chǎn)的管芯，跟先進(jìn)的BGA封裝相結(jié)合，可制造封裝尺寸大為減少的BGA封裝功率MOSFET，其熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異，熱阻Rjc為05W，功率密度50Win2，高效率電流通過能力大，在50Win2條件下實(shí)現(xiàn)每相40A電流，極低寄生源極電感，(50×55)mm封裝為6pH，導(dǎo)通電阻RDS(on)值低、P溝MOSFET在超小型(15×15×08)mm的BGA封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能，比同級(jí)設(shè)備現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)的SSOT-6或TSOP-6封裝MOSFET的尺寸減少了75，封裝性能因數(shù)改善也達(dá)75；采用倒裝芯片技術(shù)封裝功率MOSFET的Flip FET，在管芯工藝上巧妙地把源和

14、漏都做在同一個(gè)表面上，同時(shí)使管芯具有特別強(qiáng)的表面保護(hù)能力，有利于采用BGA方式包裝與焊接，并將所有的凸點(diǎn)都設(shè)置到封裝單面，芯片與占用面積之比幾乎達(dá)100，這一新型封裝降低了熱阻，消除了其他類型封裝所存在的寄生參數(shù)，增加了產(chǎn)品的附加值，保持產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)。5 直接FET封裝市場(chǎng)上已有采用多種先進(jìn)封裝的功率MOS-FET供貨，流行形式有DPAK、SO-8、Power Pak、LFPAK、直接(Direct)FET等，表4示出其中數(shù)種性能比較-直接FET封裝結(jié)構(gòu)是專門為低電壓大電流功率MOSFET而研發(fā)的，其PCB占用面積與SO-8封裝相當(dāng)，厚度僅為07mm，遠(yuǎn)小于SO-8的175mm、管芯被包裹在一

15、個(gè)銅質(zhì)罐形殼帽中，封裝底部特別設(shè)計(jì)的帶有柵極與源柵焊盤，可直接連接到PCB上；漏極在上，與銅殼蓋帽相連，銅殼蓋帽也焊在PCB上。專有鈍化系統(tǒng)的新型互聯(lián)技術(shù)可省去引線框架、引線鍵合，銅殼即是散熱器的外殼，從而達(dá)到雙面散熱冷卻的作用，電和熱的通道都十分舒暢，使功率密度加倍，革新了器件的熱管理?，F(xiàn)已開發(fā)出十余款直接FET封裝的產(chǎn)品上市，接人電路后的測(cè)試結(jié)果表明，一個(gè)直接FET結(jié)構(gòu)在不帶頂部冷卻的情況下，可輕易取代兩個(gè)并聯(lián)的SO-8封裝，有時(shí)能替代兩個(gè)并聯(lián)的Power Pak，在大電流DCDC變換器中，可以更低的系統(tǒng)成本和縮減PCB尺寸，大幅度提升功率密度。6 IGBT封裝IGBT兼具功率MOSFET

16、和雙極型功率晶體管的特點(diǎn)，現(xiàn)已開發(fā)出第5代技術(shù)的產(chǎn)品，在600V以上中等電壓范圍內(nèi)成為主流功率器件，從模塊化封裝轉(zhuǎn)向分立單管封裝，做成塑封器件，應(yīng)用于空調(diào)器、洗衣機(jī)、微波爐、電飯煲、電磁灶等白色家電中。600V8A、10A、15A非穿通型IGBT采用D2Pak以及TO-220全絕緣封裝，絕緣能力保證不低于2kV，薄型硅非穿通技術(shù)有效降低了關(guān)斷能耗，設(shè)有“方形”反向偏壓安全工作區(qū)及10s短路能力。1000V60A的IGBT采用專有的溝道和非穿通技術(shù)生產(chǎn)，TO-264封裝，達(dá)到甚至超越IPCJEDEC(電子器件工程師聯(lián)合協(xié)會(huì))的J-STD-020B標(biāo)準(zhǔn)要求，具有出色的開關(guān)、傳導(dǎo)及耐雪崩陸能。7 無

17、鉛封裝各國(guó)電子產(chǎn)品無鉛化法令執(zhí)行在即，日本全部采用綠色封裝半導(dǎo)體，美國(guó)啟動(dòng)使用綠色環(huán)保半導(dǎo)體的步伐，歐盟對(duì)綠色半導(dǎo)體的使用規(guī)定是到2006年7月必須采用，在國(guó)內(nèi)一些整機(jī)大廠商開始提出無鉛封裝產(chǎn)品要求。面對(duì)無鉛化與綠色組裝的要求，無鉛封裝已成各分立器件廠家的賣點(diǎn)和爭(zhēng)取訂單的砝碼，從元器件前沿源頭杜絕污染，支持無鉛綠色環(huán)保生產(chǎn)。分立器件的引腳采用錫鉛鍍層，或凸點(diǎn)制作為鉛錫焊球，有的為90鉛10錫，以適應(yīng)PCB連接。無鉛焊料是無鉛封裝的前提和關(guān)鍵，無鉛焊料中錫銀銅系最為流行，表5示出典型無鉛焊料再流焊工藝：隨著無鉛焊料進(jìn)程，國(guó)外很多廠家不僅推出100無鉛封裝小信號(hào)分立器件系列，超薄超小無鉛封裝分立器

18、件，全綠色封裝等，而且將無鉛化向功率分立器件、玻璃和陶瓷產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，提供功率產(chǎn)品的無鉛封裝，包括高功率模塊、專用或標(biāo)準(zhǔn)功率模塊、功率類型的MOSFET、雙極晶體管、射頻晶體管、肖特基二極管、可控硅、智能模塊等-在一整套100無鉛塑封小信號(hào)分立器件系列產(chǎn)品中，用100純錫塑工藝取代錫鉛鍍技術(shù)，并與鉛基型號(hào)完全前向和后向兼容，具備同樣的尺寸與電氣機(jī)械特性，滿足業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的無鉛方案升級(jí)：無鉛焊球凸點(diǎn)已投入批量生產(chǎn)，推出一整套無鉛化產(chǎn)品?無鉛封裝功率產(chǎn)品多以錫銀或錫銅二元合金的電鍍層引腳推出，產(chǎn)品達(dá)到或超過IPCJEDEC共同標(biāo)準(zhǔn)J-STD-020B要求。無鉛封裝的研發(fā)與使用牽涉到材料的選擇和工藝修改，無

19、鉛封裝和限量使用有害物質(zhì)后產(chǎn)品的可靠性不低于原有水平，涉及工藝方面問題多，技術(shù)難度大，國(guó)內(nèi)無鉛封裝處于初始階段，日、美、歐大廠商的無鉛封裝量產(chǎn)將形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。8 商貿(mào)市場(chǎng)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)分立器件廠家對(duì)行業(yè)的發(fā)展一直高度關(guān)注，由產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)形勢(shì)呈上升狀態(tài)，發(fā)展現(xiàn)狀如表6所示。據(jù)CCID分析，2003年國(guó)內(nèi)分立器件市場(chǎng)規(guī)模已占全球13，今后還將以接近20的速度增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求主要來自消費(fèi)電子類、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、通信三大領(lǐng)域，產(chǎn)品目前仍以普通晶體管、二極管為主，生產(chǎn)方面以后工序封裝為多，而前工序的管芯芯片制造卻沒有形成可觀的生產(chǎn)規(guī)模，導(dǎo)致產(chǎn)品大進(jìn)大出，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上進(jìn)口產(chǎn)品約占90的市場(chǎng)份額，國(guó)

20、內(nèi)廠家內(nèi)銷量?jī)H占市場(chǎng)銷量的10，競(jìng)爭(zhēng)中以日、歐、美等國(guó)外商占優(yōu)勢(shì)，表7示出2003年國(guó)內(nèi)分立器件市場(chǎng)前15家供應(yīng)商排名情況。誘人的市場(chǎng)吸引了全球眾多頂級(jí)半導(dǎo)體供應(yīng)商的進(jìn)入，國(guó)外分立器件以高端產(chǎn)品為主導(dǎo)，營(yíng)收額、市場(chǎng)獨(dú)占性不及集成電路，產(chǎn)品分散率大，例如變?nèi)?、開關(guān)、肖特基、快恢復(fù)整流、瞬變電壓抑制等二極管、功率晶體管、微波器件、電力電子器件等門類及品種繁多，2004年仍有30左右的增長(zhǎng)率，今后的市場(chǎng)年需求量還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。各廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品類型各異，市場(chǎng)策略各有千秋，一些廠商在集成電路供貨方面實(shí)力雄厚，并不斷強(qiáng)化分立器件的本地化服務(wù)，生產(chǎn)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)。例如，歐洲公司飛利浦半導(dǎo)體、英飛凌、意法半導(dǎo)體在分立器件的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，多元化規(guī)模建封裝廠，飛利浦半導(dǎo)體自稱為分立器件的捍衛(wèi)者，銷售額中的22來自分立器件，在廣東、吉林等地成立合資公司，廣東測(cè)試和裝配工廠可年產(chǎn)40億只分立器件，吉林飛利浦半導(dǎo)體有限公司年封裝能力為6億只大功率晶體管等分立器件。樂山菲尼克斯半導(dǎo)體有限公司是美國(guó)安森美半導(dǎo)體在全球產(chǎn)量最大、生產(chǎn)成本最低的SOT-23生產(chǎn)基地，主導(dǎo)產(chǎn)品SOT-23產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)總量的90以上，產(chǎn)品出口在95g以上，到2010年力爭(zhēng)出口創(chuàng)匯5億美元。市場(chǎng)增長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)企業(yè)提供做大做強(qiáng)的發(fā)展空間，國(guó)內(nèi)廠家