分立器件封裝及其主流類型解析

1、分立器件封裝及其主流類型龍樂(龍泉長柏路 98號 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)的基礎和先導 -本文 介紹國內(nèi)外半導體分立器件封裝技術(shù)及產(chǎn)品的主要發(fā)展狀況， 評述了其商貿(mào)市場的發(fā)展趨勢。關鍵詞：半導體；封裝；分立器件中圖分類號 ： TN305 94；TN32 文獻標識碼： A 文章編號：1681-1070(2005)02-12-61 引言半導體分立器件是集成電路的前世今生，相對而言，它是單個 無聯(lián)系的、具有器件功能特性的管芯，封裝在一個管殼內(nèi)的電 子器件，在大功率、高反壓、高頻高速、射頻微波、低噪聲、 高靈敏度等很多應用場合起著舉足輕重與不可

2、替代的關鍵作 用。一些先進的半導體生產(chǎn)工藝和封裝技術(shù)已應用到分立器件 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)模也不斷擴大，成為半導體產(chǎn)業(yè)的一大支柱：中國目前 已成為全球最大的分立器件市場， 分立器件占整個半導體市場 的比例達 40左右，遠高于國際平均值的 10：國內(nèi)電子信 息產(chǎn)業(yè)規(guī)模 188 萬億元超過日本，成為僅次于美國位居世界 第二位的國內(nèi)第一大產(chǎn)業(yè)：有需求就有供給，整機產(chǎn)業(yè)決定了 分立器件市場今后的走向， 同時也確定分立器件生產(chǎn)企業(yè)須從 市場角度出發(fā)，高度關注主流動向的深刻影響，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， 實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)

3、略，分立器件還很有希望。2 微小尺寸封裝芯片制作技術(shù)早巳進入深亞微米時代，管芯面積大大縮減，化 學機械拋光精密減薄優(yōu)勢顯現(xiàn)，真正的挑戰(zhàn)在于使用這些微 小、超薄的管芯進行組裝的封裝技術(shù)，促進封裝的技術(shù)含量與 投資規(guī)?？焖偬嵘Ａ硪环矫?，在相同空間增添更多功能的整 機發(fā)展趨勢仍未停止，應用需求封裝采用更先進的技術(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，簡 化外圍電路設計更自由，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（1. 0X）. 6X0. 4）mm,比工 業(yè)標準 SOT-23 還要小 86。金屬

4、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1A/W，它比 DO-214A

5、B更窄，占用較小的PCB空間o 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，而熱性能一樣，最大厚度1. 1m m.新型變?nèi)荻O管采用 尺寸只有(1. 0X). 6)mm的超小型扁平封裝SFP封裝類型，實 際安裝面積大約減少 40，而且其內(nèi)部電容偏差值保證達到 1. 8，可減少整機生產(chǎn)線上的調(diào)諧工作量，高頻開關二極管 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、 齊納、肖特基、 變?nèi)?、波段開關、 PIN 二極管等產(chǎn)品，采用非常薄的紙帶包裝，在標準 180mm 卷軸上能夠提供 1 萬只產(chǎn)品。SOT-238

6、9143 是表面貼裝 SMT 初行時業(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、 微縮小外形封裝SSOP所逐漸替換，各大廠家均有獨自的創(chuàng)新 系列產(chǎn)品及市場目標，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 行評估，具體評估情況如表2所示，其熱特性提高的關鍵是采 用扁平引腳設計，而表2中的其他兩種類型均為翼型引腳， SOT-553/ 563已投人數(shù)十種小信號的雙極晶體管、開關或肖 特基

7、二極管、數(shù)字晶體管、偏壓電阻晶體管的封裝生產(chǎn)中，硅 以及硅錯射頻雙極晶體管可采用標準的 SOT封裝，工作頻率 可達20GHz，小尺寸塑封SOT、TSFP、單/ X2晶體管封裝 TSLP-3/6等的實際應用覆蓋整個有線和無線領域。表3顯示出市場上常見的貼片式分立功率器件的微型封裝特點，熱阻 0 JCI封裝形式相關。近年來，功率半導體封裝外包業(yè)務正迅 速增長，預測到2006年功率半導體封裝市場的年度復合增長 率為36. 6%。Jt.l! niiPt b1WK - 3/6r2. 73IC1 1M： 8S/XB-X i 2.00*3 離分功ftil如(口 q殲血杵庭人寸(*(mbTO汀J:導.:、1汀

8、列！2. NilNODtJ蜒右匸】7口町曲的片2 UieZM如T-型E -血AA- -5 iirr -5佃;9 1-卜乂 h 1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面積的半導體分立器件。與此同時，充分應用微 小尺寸封裝的后發(fā)優(yōu)勢，研發(fā)在一個封裝外殼中密封雙/多只 分立器件管芯的復合化、陣列化的產(chǎn)品紛紛上市，進一步提高 PCB面積效率：另外，還可將有關控制、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復合化封裝嚴格地講，復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同一封裝中，雙管芯封裝居多，封裝引出 腳更多也是一大特色。市場上

9、最常見的有國內(nèi)生產(chǎn)廠家推出的 有引腳直插式封裝5、6、14引腳的開關對管、互補對管、復 合對管、4晶體管陣列，結(jié)構(gòu)上有共發(fā)射板、共集電板、獨立 雙PNP管、獨立PNP/NPN管、獨立4晶體管陣列、達林頓 管等類別，在各類整機多種形式的電路中，PCB的排列緊湊而 簡化，焊點相應減少，應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(1. 016X1. 778)mm和(0. 6096X). 7112)mm,現(xiàn)用于封裝 N 和P溝器件、雙N與P溝器件及互補MOSFET。微型封裝Micro 8是一種薄外形8引腳封裝，比SO

10、-8小50%左右，也可封裝 一個或兩個管芯,單管芯尺寸面積為 (1. 778X2. 59)mm 雙管 芯為(1. 106X1. 778)mm。將MOS-FET與肖特基二極管復合 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),便于應用 -在一個超微型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汽車與消費應用：S

11、OT-363分為標準配 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,同時提供高功率增益、低功能以及靜 電放電 ESD 保護。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,復合化封裝已成為其發(fā)展方向,包括變?nèi)?、開關、阻尼、 調(diào)制、肖特基等復合二極管系列產(chǎn)品,特點是超小型化、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 )和兩種 管芯的功能復合二極管，外形大多數(shù)采用片狀化SOT或TO封 裝：國際市場上已有大量二配對、三配對和四配對的復合變?nèi)?二極管供貨，外形為片狀化或

12、單列直插式封裝，用于電視，通 信、儀器等產(chǎn)品中；復合開關二極管內(nèi)含兩個并聯(lián)或串聯(lián)的管 芯，常被多種電路選用，二極管陣列由 3 個以上的開關二極管 管芯組成，最多的可用十余個管芯組成，外形片狀化以及單列 直插式封裝的應用最大面廣：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、B2-01B/ C 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合二極管，外形TO-220 型封裝，開關速度快，導通時損耗?。嚎偠灾瑥秃匣瘜字还苄痉庋b

13、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，便于在許多整機設計場合中應用。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的重要方向， 在以 往的 SMT 封裝中，如 TSOP-6、SOT-23、SMA 、SMB 等，

14、這 一比例為 20左右，約 80的封裝面積被浪費掉，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 進一步提高此比例。利用Spacer技術(shù)與溝槽柵工藝生產(chǎn)的管 芯，跟先進的 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，其熱傳導性能優(yōu)異，熱阻 R0 jc為 0. 5C/W，功率密度50W/in2,高效率電流通過能力大， 在 50W in2 條件下實現(xiàn)每相 40A 電流，極低寄生源極電感， (5. 0X5. 5)mm封裝為6pH，導通電阻RDS(on)值低、P溝 MOSFET在超小型(1. 5X1. 5X). 8)mm的BGA封裝內(nèi)實現(xiàn) 高性能，

15、比同級設備現(xiàn)用標準的 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 75； 采用倒裝芯片技術(shù)封裝功率 MOSFET的Flip FET，在管芯工 藝上巧妙地把源和漏都做在同一個表面上， 同時使管芯具有特 別強的表面保護能力，有利于采用 BGA 方式包裝與焊接，并 將所有的凸點都設置到封裝單面， 芯片與占用面積之比幾乎達 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。5 直接 FET 封裝市場上已有采用多種先進封裝的功率 MOS-FET 供貨，流行形 式有 DPAK、SO-8、Power Pak

16、 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S0-8 封裝相當，厚度僅為0. 7mm,遠小于SO-8的1. 75mm、管 芯被包裹在一個銅質(zhì)罐形殼帽中，封裝底部特別設計的帶有柵 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、弓I線鍵合，銅殼即是散熱器的外殼，從 而達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。現(xiàn)已開發(fā)出十余款直接 FET封裝的產(chǎn)品上市，接人電

17、路后的測試結(jié)果表明，一個直接FET結(jié)構(gòu)在不帶頂部冷卻的情況下，可輕易取代兩個并聯(lián)的 SO-8封裝，有時能替代兩個并聯(lián)的 Power Pak,在大電流DC /DC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。A4幾種籃掘性能也較榔ilQ r； uCRM Y A 11 6).511IK1U H10li-PcFM.T PakOH苴推FET0 15“ 11.46 IGBT封裝IGBT兼具功率MOSFET和雙極型功率晶體管的特點，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，應用于空調(diào)器、洗衣機、微波爐、電飯

18、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)有效降低了關斷能耗，設有 “方形 ”反向偏壓安全工作區(qū) 及10as短路能力。1000V/60A的IGBT采用專有的溝道和非 穿通技術(shù)生產(chǎn)，TO-264封裝，達到甚至超越IPC/JEDEC（電 子器件工程師聯(lián)合協(xié)會 ）的 J-STD-020B 標準要求， 具有出色的 開關、傳導及耐雪崩陸能。7 無鉛封裝各國電子產(chǎn)品無鉛化法令執(zhí)行在即， 日本全部采用綠色封裝半 導體，美國啟動使用綠色環(huán)保半導體的步伐，歐盟對綠色半導 體的使用

19、規(guī)定是到 2006年 7月必須采用，在國內(nèi)一些整機大 廠商開始提出無鉛封裝產(chǎn)品要求。 面對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和爭取訂單的砝碼， 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，或凸點制作為鉛錫焊球，有的 為 90 鉛/10 錫，以適應 PCB 連接。無鉛焊料是無鉛封裝的前 提和關鍵，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：隨著無鉛焊料進程，國外很多廠家不僅 推出 100無鉛封裝小信號分立器件系列，超薄超小無鉛封裝 分立器件，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

20、的無鉛封裝，包括高功率模 塊、專用或標準功率模塊、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)，并與鉛基型號完全前向和后向兼容，具備 同樣的尺寸與電氣/機械特性，滿足業(yè)界標準的無鉛方案升 級：無鉛焊球凸點已投入批量生產(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)品達到或超過IPC/ JEDEC共同標準J-STD-020B要求。 無鉛圭寸裝的研發(fā)與使用牽涉到材料的選擇和工藝修改，無鉛圭寸 裝和限量使用有害物質(zhì)后產(chǎn)品的可靠性不低于

21、原有水平， 涉及 工藝方面問題多，技術(shù)難度大，國內(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)將形成嚴峻的挑戰(zhàn)。A5典凰無國炬料再fflM-K*1血冃離ft )if0-2IM - 1 7(VJ -HO幅帕0 - 1- 90觀-2450-2 5IglltJ06050IK0 -1WEG- 12030血Z4 5 - Mfl8商貿(mào)市場現(xiàn)狀國內(nèi)分立器件廠家對行業(yè)的發(fā)展一直高度關注， 由產(chǎn)品經(jīng)濟轉(zhuǎn)入市場經(jīng)濟，生產(chǎn)形勢呈上升狀態(tài)，發(fā)展現(xiàn)狀如表 6所示。聶&國內(nèi)分宜矚件睨狀3(XG M期* 5J-ixm rf (SO)232510mmi網(wǎng)據(jù)CCID分析，2003年國內(nèi)分立器件市場規(guī)模已占全球 1/3,

22、 今后還將以接近20%的速度增長，國內(nèi)市場需求主要來自消費 電子類、計算機及外設、通信三大領域，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，導致產(chǎn)品大進大 出，國內(nèi)市場上進口產(chǎn)品約占90%的市場份額，國內(nèi)廠家內(nèi)銷 量僅占市場銷量的10%，競爭中以日、歐、美等國外商占優(yōu)勢， 表7示出2003年國內(nèi)分立器件市場前15家供應商排名情況。*5井立揺件市場供應制揮名1商布燼仮両也煩宀ft許116.52叩21. SV$科Ifi. M4.MA14. 14】5feT13. 1S4ft12. 123.21予El.轄1IJ豈ID. 62:肌to

23、亀魅2E11常團伍科技J.O)nK JiJ.Wut4H141 45IS6 79It畑凈iv! y誘人的市場吸引了全球眾多頂級半導體供應商的進入，國外分立器件以高端產(chǎn)品為主導，營收額、市場獨占性不及集成電路， 產(chǎn)品分散率大，例如變?nèi)荨㈤_關、肖特基、快恢復整流、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左右的增長率，今后的市 場年需求量還會持續(xù)增長。各廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品類型各異，市 場策略各有千秋，一些廠商在集成電路供貨方面實力雄厚，并 不斷強化分立器件的本地化服務，生產(chǎn)轉(zhuǎn)向國內(nèi)。例如，歐洲 公司飛利浦半導體、英飛凌、意法半導體在分立器件的市場份 額不斷擴大，多元化規(guī)模建封裝廠，飛利浦半導體自稱為分立 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，廣東測試和裝配工廠可年產(chǎn) 40 億只分立 器件，吉林飛利浦半導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。 樂山菲尼克斯半導體有限公司是美國安森 美半導體在全球產(chǎn)量最大、 生產(chǎn)成本最低的 SOT-23 生產(chǎn)基地， 主導產(chǎn)品SOT-23產(chǎn)量占國內(nèi)總量的90%以上，產(chǎn)品出口在95g 以上，到 2010年力爭出口創(chuàng)匯 5 億美元。市場增長為優(yōu)勢企業(yè)提供做大做強的發(fā)展空間， 國內(nèi)