电子封装结构演变与微连接技术的关系

蔡重阳

（哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001）

1 微电子封装结构演变及相关连接技术

电子封装结构的发展大致经历如下四个阶段：

第一阶段：20世纪80年代之前的通孔安装时代，以通孔器件和插件为主，以TO型封装和双列直插式封装（DIP）为代表，这一阶段立体技术为针脚插装（PTH）[3]。在组装到印刷线路板上时，引线插入PCB上的金属化孔，通过钎焊方法将引线、焊盘和金属化孔连成一体，通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度，因而组装效率较低，器件封装密度也低，不能满足高效率自动化生产要求。

第二阶段：20世纪80年代以后，以表面贴装类型的四边引线封装为主的表面贴装技术（SMT）迅速发展，它改变了传统的PTH插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴装到PCB上，器件通过再流技术进行焊接，由于再流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自对准效应，降低了对贴片精度的要求，同时再流焊代替了波峰焊，也提高了组装良品率[4]，以小外形封装（SOP）和扁形封装（QFP）为代表。大大提高了管脚数和组装密度，是封装技术的一次革命。

第三阶段：20世纪90年代中前期，集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展，以球栅阵列封装（BGA）和芯片尺寸封装（CSP）为代表，BGA用焊球代替引线，器件上的焊盘与PCB上的焊盘相对，之间用钎料相连接，由于焊球是整个平面排列，因此封装效率更高。

第四阶段：20世纪90年代提出SIP的封装概念（系统级封装），通过采用引线键合、倒装焊互连、IC芯片直接内连等封装技术，满足SIP所要求的互连以及功能和性能要求[5]，SIP的元器件集成封装在统一的外壳结构中，减少了总焊点数目，缩短了元器件的进线路程，使性能得以提高。

2 封装结构与微连接技术的联系

2.1 传统封装结构与技术的配合

纵观整个封装结构与微连接技术发展史，二者始终是紧密相连，密不可分的：

第一阶段封装结构采用了配合手工易焊装配的形式，因而具有长长的引脚，而由于封装形式简单，所以采用成本较低的手工电路板焊接，至今仍有一定的市场份额。

第二阶段则是随着20世纪80年代自动贴片的需要，各种表面贴片焊接（SMT）技术迅猛发展。为配合SMT自动贴片的需要，又出现了各种SMD封装。这类封装通常在两翼或周边有扁平的引脚，从而方便地被放置到涂有焊膏的电路板上，以配合再流焊技术。

由于第二阶段封装引脚只能分布在封装体四周，而QFP等结构要求采用机械冲压切筋成形工艺将引脚分离，但随着封装结构中引脚数目的增加，工艺的难度越来越大，细微的引脚节也使得成品率难以保证。故在20世纪90年代，电子封装结构从周边“线”封装成功演变为“面”封装。BGA的输入/输出口分布于整个芯片封装体背面，保证了足够的焊点尺寸和节距，微连接工艺难度明显降低，从而使BGA这一封装结构广为使用。

以上介绍了几种较为传统的微连接组装技术演变，随着当今技术的不断发展，随后又有一批新的微电子封装技术涌现出来。

2.2 新兴技术导致封装结构的革命

2.2.1 3D封装

就像盖房子一样，当土地面积有限时，就只能往高空发展，随着芯片封装结构的日趋密集，普通封装技术遭遇瓶颈，芯片在基板平面上的垂直堆栈也就势在必行，其实早在1967年RCA公司就曾提出这种想法，但近十年来还是以表面贴装的2D技术为主流技术，近年来由于多媒体网络时代的来临，信息传输的容量增大需要高速的信号传输，伴随而来的是信号失真、延迟等问题的日益严重，缩短信号线就成为解决上述问题的方法之一。3D封装技术利用垂直堆栈的方法将两个以上的IC组合在同一封装体中，除了节省基板使用面积、提高封装密度以外，还可利用立体堆栈方式缩短组件间的配线长度，以改善电气特性，并可将不同功能的IC组合于同一封装体中。在SOC技术尚未发展成熟时，3D封装可提供简单、成本较低的替代方案。

2.2.2 圆片级封装

WLP以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP。有人又将WLP称为圆片级芯片尺寸封装（WLP-CSP）。它不仅充分体现了BGA、CSP的技术优势，而且是封装技术取得革命性突破的标志。圆片级封装技术采用批量生产工艺制造技术，可以将封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。正因为圆片级封装技术有如此重要的意义，所以它一出现就受到极大的关注并迅速获得巨大的发展和广泛的应用。

传统工艺中，IC芯片与外部的电气连接是用金属引线以键合的方式把芯片上的I/O连至封装载体并经封装引脚来实现的。随着IC芯片特征尺寸的缩小和集成规模的扩大，I/O的间距不断减小、数量不断增多。当I/O间距缩小到70 μm以下时，引线键合技术就不再适用，必须寻求新的技术途径。圆片级封装技术利用薄膜再分布工艺，使I/O可以分布在IC芯片的整个表面上而不再仅仅局限于窄小的IC芯片的周边区域，从而解决了高密度、细间距I/O芯片的电气连接问题[6]。

2.2.3 微电子机械系统（MEMS）封装技术

MEMS是微电子技术的拓展与延伸，它是随着IC超微细加工技术和超精密加工技术的发展而发展起来的，是将微电子和精密机械加工技术融为一体的系统。

MEMS封装技术严重滞后的主要原因是MEMS封装完全不同于传统集成电路（IC）的封装。传统 IC封装的目的是提供IC芯片的物理支撑、保护其不受环境的干扰与破坏，同时实现与外界信号、能源及接地的电气互连。MEMS器件一般均含有由多种材料组成的三维结构和活动构件，且常处于高温、高湿或酸、碱性恶劣环境之中。鉴于这种与外部环境的交互作用关系及其自身结构的复杂性，MEMS封装对传统 IC封装提出了严峻的挑战。MEMS的特性和优点是：体积小、质量轻、性能稳定，通过 IC等工艺可批量生产，成本低、性能一致性好，功耗低、谐振频率高、响应时间短，综合集成度高、附加值高，具有多种能量转换和传输等功能效应。近年来，随着MEMS与微电子、光电以及新兴纳米技术的融合，MEMS技术已在越来越多的学科领域内得到了更为广泛的应用，并逐步成为世界各国争相投资研究的热点。

从上面各阶段可以看出，封装结构的设计与演变常常是为了配合当下微连接技术或降低工艺的复杂度与难度，而先进的微连接技术又为封装结构的创新提供了可能，二者相辅相成，共同推动了微电子行业的进步。

3 微连接的特点

由于在集成电路中芯片面积微小而焊点数目巨大，微电子焊接领域的工作称为微连接。由于电子封装结构尺寸非常微小，因此相对于常规焊接方法而言，微连接具有如下特点：

（1）连接材料的尺寸变得极其微小，在常规焊接中被忽略或不起作用的一些影响因素此时有可能成为决定连接质量和可焊性的关键因素。如溶解、扩散、表面张力、应变量等。

（2）微电子材料在形态上一般为薄膜、厚膜、箔等，且多为附着在基板材料上的金属复合层。由于微电子材料结构性能的特殊性，需要采用特殊的连接方法，且不能对器件的功能产生任何影响[6]。

（3）由于连接接头的界面在服役过程中所受到的力、热等作用会随时间而发生变化，将影响连接的力学、电气性能和可靠性。因此要求连接精度很高，键合时间很短，对加热、加压等能量的控制要求非常精确。

接下来讨论几种常见的微连接技术以及它们的应用对象。

4 电子封装中的微连接技术

4.1 芯片焊接技术

4.1.1 引线键合

引线键合技术（WB）又称线焊，即将裸芯片电极焊区和电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来。通过加热、加压、超声波等能量方式去除表面氧化膜，借助劈刀等键合工具实现连接。经过四十多年的发展，引线键合已成为IC封装业的标准技术，它具有成本低、适应性强等优点，几乎可以适应各种封装结构[7]。但引线键合也存在键合强度和可靠性受环境影响大、互联密度低的不足。减小引线直径、缩小焊盘间距等方式是目前提高互联密度的思路，但引线直径和焊盘间距会达到物理极限，因此必须发展其他微连接技术，如载带自动键合、倒装键合等。

4.1.2 载带自动键合技术

载带自动键合技术（TAB）是一种改进的引线键合技术。TAB技术是在类似于胶片的聚合物柔性载带上粘接金属薄片，在金属薄片上腐蚀出引线图形，然后再与芯片上的凸台进行热压焊或热压再流焊实现连接[8]。

TAB技术通过减少键合节距，增加芯片I/O口数来提高封装密度，由于TAB的工艺变得更复杂，成本也大幅提高，同时封装集成度不如芯片直接引线键合高，使得TAB很难取代引线键合。TAB可应用于BGA（TBGA）等封装结构。

4.1.3 倒装芯片键合

倒装芯片键合技术（FCB）是20世纪60年代初由IBM公司开发，目的之一在于解决手工引线键合效率低而无法满足大批量生产的需要；二是随着芯片功能越来越强，外引线数不断增加，引线间距一再缩小，采用呈阵列分布的金属凸点代替金属丝的方法可克服引线键合技术的局限性[9]。它将传统的引线连接变为凸点连接，由原来的引线键合的两个焊点变为一个，大幅度减少了封装尺寸，提高了生产效率，缩短了信号传输的路径。

4.2 微电子焊接技术

微电子焊接为一般采用锡基钎料的钎焊技术，适合自动化、大批量生产的波峰焊、再流焊技术。

4.2.1 波峰焊

波峰焊是通孔插装结构最常用的焊接方法[10]。适合于插装型电子线路的规模化生产，在当前的电子工业中仍具有重要地位，但随着IC电路高密度、小型化的发展，体积更小的表面贴装型电路占的比例越来越大。对于焊接形状变化多样、管脚间距极小的元件，波峰焊有一定局限性，而再流焊技术则越来越显示出其重要性。

4.2.2 再流焊

所谓再流焊，就是通过加热使预置的钎料膏或钎料凸点重新熔化即再次流动，润湿金属焊盘表面，形成牢固连接的过程[11]。目前再流焊工艺中较成熟的是热风再流焊和红外再流焊，适应无铅焊接的耐高温再流焊成为该技术重要的发展方向。再流焊工艺是表面安装技术的主要工艺技术。

4.2.3 激光焊

激光是一种高强度的电磁射线，激光的产生过程可简述为：在外界光（或电等）的激励下，使某种具有一定能级结构特点的物质实现粒子数反转分布，并产生光的 “受激发射”[12]。激光焊接是由激光辐射在时间和空间上提供一个能量高度集中的热源。在很小的区域（光斑直径小于0.1 mm或更小）和很短的时间内（小于5 ms），使被焊的各种金属（包括热传导率很大的Au、Ag、Cu、Al和难熔的W、Mo）熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

激光焊接主要有以下几个优点：

（1）激光作为热源能在很短的时间内把大量的热集中到很小的表面，即加热过程高度局部化，没有热应力。

（2）激光焊不需要电子束焊所要求的高真空环境，也不像钎焊那样把外加材料引入接点，大大简化了焊接操作，有利于自动化和程序化。

（3）激光焊是一种非接触式加热，且光束可穿透透光物质（如石英、玻璃等），所以可以焊接难以接近的部位。

随着激光焊机小型化和自动化的实现，使得半导体器件焊接进入了一个新的发展阶段。

4.2.4 扩散焊

扩散焊是在一定的温度和压力下将两种待焊金属的焊接表面相互接触通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离达0.1～0.5 nm以内（这样原子内的引力起作用，才有可能形成金属键），再经原子相互间不断扩散、相互渗透，来实现冶金结合的一种方法。

扩散焊具有如下优点：

（1）工艺简单，可操作性强，工艺参数易控制，质量稳定，合格率高。

（2）焊接接头质量好，扩散接头的显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在各种熔化焊缺陷，即使批量生产接头质量也是稳定的。

4.2.5 真空焊

真空钎焊技术从20世纪40年代开始至今，已成为一种极有发展前途的焊接技术。真空钎焊，是指工件加热在真空室内进行，主要用于要求质量高的产品和易氧化材料的焊接。真空系统可连接到工件，使工件内部的压力在钎焊过程中低于大气压。

真空钎焊操作简单，不仅节省大量价格昂贵的金属钎剂，而且又不需要复杂的焊剂清洗工序，降低了生产成本，同时真空钎焊钎料的湿润性和流动性良好，可以焊更复杂和狭小通道的器件，真空钎焊提高了产品的成品率，获得坚固、清洁的工作面。因而至今仍广泛应用于微电子器件生产中。

5 未来封装结构与微连接技术发展趋势

根据历史发展经验，结合微电子产品的高性能、多功能、高可靠、轻型化、低成本等发展特点，电子封装结构的发展趋势有：

（1）更多的输入/输出端口；

（2）更小、更轻、更薄，封装密度更高；

（3）更便于安装和使用；

（4）更高的可靠性和性价比。

而相应的微连接技术也会随之发生如下变化：

（1）芯片直接安装技术，特别是芯片倒装技术将成为微电子封装的主流形式。

（2）三维封装技术或将取代二维封装，成为实现电子整机系统功能的有效途径。

（3）传统的三级封装（一级芯片封装—二级基板上封装—三级母版是封装）或将“浓缩”成单一的单级集成模块，从而完成庞大的“系统功能”。

总而言之，两者都将不断推动着电子产品向“轻、薄、短、小”方向不断向前发展。

6 结束语

在电子封装结构方面经历了双列直插（DIP）、四方扁平（QFP）等阶段后，目前球栅阵列封装（BGA）成为主流。芯片封装内部连接方式呈现出引线向焊球和硅片无焊球连接等非引线方式以缩短电气连接路径并缩小封装尺寸的总趋势。相关的连接技术也必须符合这种发展趋势。当然，引线键合在可预见的未来仍将是半导体封装内部连接的主流方式。倒装芯片将成为高性能、高成本的内部连接方式迅速发展并和引线键合长期共存，共同应用在SIP、MCN、3D等新型封装中[13]。

[1]中国电子学会生产技术学分会丛书编委会.微电子封装技术[M].中国科学技术大学出版社，2003.3-4.

[2]王春青，李明雨，田艳红.电子封装与组装中的微连接技术[D].哈尔滨工业大学.

[3]张金勇，武晓耕，白钢.微电子封装与组装中的微连接技术的进展[D].西北工业大学.

[4]张健，杨立军，徐立城，韩蓬勃.微电子连接技术的发展[D].天津大学.

[5]田文超.电子封装——微机电及微系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[6]童志义.圆片级封装技术[J].电子工业专用设备，2006,12.

[7]王春青.微电子焊接及微连接[D].哈尔滨工业大学，1994（12）.

[8]杜长华，陈方.电子微连接技术与材料[M].北京：机械工业出版社，2008.

[9]贾永平.波峰焊接技术的应用[J].航天制造技术，2003,22（3）.

[10]吴念租，蔡均达.锡焊技术与可靠性[M].北京：人民邮电出版社，1993.

[11]激光简介[J].航空工业技术，1976.

[12]何田.先进封装技术的发展趋势[J].电子工业专用设备，2005（5）.