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第八~十章氣密性及塑料封裝氣密性封裝氣密性封裝是集成電路芯片封裝技術(shù)的關(guān)鍵之一。所謂氣密性封裝是指完全能夠防止污染物(液體或固體)的侵入和腐蝕的封裝。通常金屬、陶瓷、玻璃、塑料均可作為IC芯片的封裝材料,但能達到所謂氣密性封裝的材料僅有金屬、陶瓷、玻璃。氣密性封裝的必要性集成電路芯片封裝的主要目的之一即為提供IC芯片的保護,避免不適當(dāng)?shù)碾?、熱、化學(xué)及機械等因素的破壞。在外來環(huán)境的侵害中,水汽是引起IC芯片損壞最主要因素,由于IC芯片中導(dǎo)線的間距極小,在導(dǎo)體間很容易建立起一個強大的電場,如果有水汽侵入,在不同金屬之間將因電解反應(yīng)(GalvanicCell)引發(fā)金屬腐蝕;在相同金屬之間則產(chǎn)生電解反應(yīng)(ElectrolyticReaction),使陽極處的導(dǎo)體逐漸溶解,陰極處的導(dǎo)體則產(chǎn)生鍍著或所謂的樹枝狀成長(DendriteGrowth)。這些效應(yīng)都將造成IC芯片的短路、斷路與破壞。各種主要的封裝密封材料的水滲透率陶瓷氣密性封裝陶瓷因其電、熱、機械特性等方面的穩(wěn)定性,可用作封裝基材:封裝蓋板材料或重要的承載基板。陶瓷封裝能提供IC芯片氣密性(Hermetic)密封保護,使其具有良好的可靠性。陶瓷氣密性封裝陶瓷封裝能提供高可靠度與密封性是利用玻璃與陶瓷及Kovar或Alloy42合金引腳架材料間能形成緊密接合的特性。以陶瓷雙列式封裝為例,先將金屬引腳架以暫時軟化的玻璃固定在釉化表面的氧化鋁陶瓷基板上,完成IC芯片粘結(jié)及打線接合后,以另一陶瓷封蓋覆于其上,再置于400℃的熱處理爐中或涂上硼硅酸玻璃材料完成密封。陶瓷封裝工藝流程陶瓷封裝工藝以氧化鋁為基材的陶瓷封裝工藝如圖8.2所示,主要的步驟包括生胚片的制作(TapeCasting)、沖片(Blanking)、與導(dǎo)孔成型(ViaPunching)、厚膜導(dǎo)線成型、疊壓(Lamination)、燒結(jié)(Burnout/Firing/Sintering)、表層電鍍(Plating)、引腳接合(Lead/PinAttach)與測試等。生胚片成型陶瓷粉末、黏結(jié)劑、塑化劑與有機溶劑等均勻混合后制成油漆般的漿料通常以刮刀成型的方法制成生胚片,刮刀成型機在漿料容器的出口處置有可調(diào)整高度的刮刀,可將隨著多元酯輸送帶所移出的漿料刮制成厚度均勻的薄帶(如圖8.3所示),生胚片的表面同時吹過與輸送帶運動方向相反的濾凈熱空氣使其緩慢干燥,然后再卷起,并切成適當(dāng)寬度的薄帶。未燒結(jié)前,一般生胚片的厚度約在0.2~0.28
mm之間。
陶瓷針柵陣列外殼(CPGA)最常用的插裝型外殼2.54mm節(jié)距規(guī)則或交錯排列腔體向上或向下,可附帶熱沉用于封裝CPU、DSP、CCD、ASIC等VLSI芯片
陶瓷四邊引線扁平外殼(CQFP)1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.635mm、0.5mm節(jié)距體積小、重量輕、適合表面安裝用于封裝各種大規(guī)模集成電路,如ECL、CMOS及TTL等
無引線陶瓷片式載體LCCC
陶瓷扁平外殼(FP)通常1.27mm節(jié)距可定制非標(biāo)準(zhǔn)引線節(jié)距和腔體產(chǎn)品,可安裝熱沉主要用于封裝中、小規(guī)模集成電路
雙列直插多層陶瓷外殼(DIP)插裝型外殼,通常2.54mm節(jié)距具有電熱性能好、可靠性高等優(yōu)點有帶熱沉和不帶熱沉兩種
陶瓷焊球陣列外殼(CBGA)金屬氣密性封裝金屬材料具有最優(yōu)良的水分子滲透阻絕能力,故金屬封裝具有相當(dāng)良好的可靠度,在分立式芯片元器件(DiscreteComponents)的封裝中,金屬封裝仍然占有相當(dāng)大的市場,在高可靠度需求的軍用電子封裝方面應(yīng)用尤其廣泛。常見的金屬封裝通常用鍍鎳或金的金屬基座(通常稱為Header,如圖10.2所示)以固定IC芯片;為減低硅與金屬熱膨脹系數(shù)的差異,金屬封裝基座表面通常又焊有一金屬片緩沖層(BufferLayer)以緩和熱應(yīng)力并增加散熱能力;針狀的引腳是以玻璃絕緣材料固定在基座的鉆孔上,并與芯片的連線再以金線或鋁線的打線接合完成;IC芯片粘結(jié)方式通常以硬焊或焊錫接合完成。完成以上的步驟之后,基座周圍再以熔接(Welding)、硬焊或焊錫等方法與另一金屬封蓋接合。密封方法的選擇除了成本與設(shè)備的因素之外,產(chǎn)品密封速度、合格率與可靠度等均為考慮的因素。熔接的方法所獲得的產(chǎn)品密封速度、合格率與可靠度最佳,是為最普遍使用的方法,但利用熔接方法所得的產(chǎn)品不能移去封蓋做再修護的工作,此為該方法的不足之處;硬焊或焊錫的方法則能移去封蓋進行再修復(fù)。氣密性封帽氣密性封帽有多種工藝方法,如電阻焊(平行縫焊、點焊)、釬焊、玻璃熔封、激光焊、超聲焊、冷壓焊等。半導(dǎo)體器件常用的是釬焊、平行縫焊、點焊、激光焊。衡量封帽質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)水汽含量GJB33A?半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范?GJB597A?半導(dǎo)體集成電路總規(guī)范?GJB2438?混合集成電路總規(guī)范?封裝內(nèi)部水汽含量在100℃條件下不得超過5000ppmv。
容許的氣密性漏率
控制內(nèi)部水汽的關(guān)鍵:
1.封帽時的環(huán)境氣氛。用鏈?zhǔn)綘t或管式爐釬焊,爐內(nèi)的水汽含量應(yīng)不大于100ppmv。平行縫焊或點焊操作箱內(nèi)所充氮氣的水汽含量應(yīng)不大于10ppmv。2.烘烤溫度,時間一般在幾百Pa的真空度下烘烤,去除材料吸附的水汽。
水汽含量與烘烤溫度和時間的關(guān)系(陶瓷封裝)平行縫焊接屬于電阻熔焊,脈沖焊接電流從一個電極通過蓋板和框架,再從另一個電極回到電源形成回路,在接觸面上有著大的接觸電阻,從而發(fā)熱完成焊接。平行縫焊是一種最受歡迎、采用廣泛的金屬氣密封裝熔焊工藝。在平行縫焊機中的載片臺上使四周邊沿對齊的可伐合金體和蓋板對位于一對同軸相對的切頂圓錐銅合金電極下,兩電極在蓋板頂面的兩個平行外緣上滾動的同時,一電極送出來自于縫焊機電源的連續(xù)大電流脈沖,并形成回路。(1500度)平行縫焊
焊料環(huán)電極熔焊激光焊接1熱傳導(dǎo)焊激光照射表面后熱量以熱傳導(dǎo)的方式進行焊接2激光深熔焊先用激光刻坑,液體回流進入坑中時形成焊接塑料封裝塑料封裝的散熱性、耐熱性、密封性雖遜于陶瓷封裝和金屬封裝,但塑料封裝具有低成本、薄型化、工藝較為簡單、適合自動化生產(chǎn)等優(yōu)點,它的應(yīng)用范圍極廣,從一般的消費性電子產(chǎn)品
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