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電子封裝/組裝技術的交叉與融合
上傳更新:2017-05-11

2017-05-08 中國SMT在線 世界電子智造

     在電子制造眾多技術環節中,沒有其它兩種技術比封裝與組裝技術可比性更多的了。無論技術內涵還是外部特征,這兩種分別屬于半導體和整機制造行業的技術都是你中有我、我中有你,聯系越來越緊密,界限越來越模糊。這既是電子產品微小型化和多功能化的必然結果,也是未來各種技術交叉和融合的發展趨勢。

1封裝/組裝技術對比

1.1封裝/組裝技術的“同”與“異”

      封裝與組裝雖然屬于兩個行業,面對的產品和技術要求各不相同,但無論設計思路,還是工藝流程、設備應用都有很多相通的地方,例如:

     ·封裝與組裝的基本要求都是實現電路的可靠連接,為電路提供電源配置和信號傳遞,都要求電源完整連續,信號傳輸流暢、路徑簡短,不同的只是連接的層次;

     ·在結構設計中,都需要考慮機械強度和熱量散發問題,不同的只是解決問題的方式方法;

     ·在實現電路連接前都需要把加工對象(裸芯片和元器件)安全、準確、快速放置到基板預定位置,不同的只是基板精度、定位精度、貼放速度要求的差異(圖1);

     ·都需要在預定的接點之間實現可靠的電氣互連,基本連接方法都是焊接技術,都需要考慮連接點的表面鍍層與焊接材料兼容性,不同的只是連接點的大小與間距;

     ·都需要對加工工藝進行過程監測和最終產品性能測試,實現過程監測和性能測試的方法和儀器也類似,不同的只是檢測的內容和要求。

1.2封裝/組裝技術的貫通

      從產業鏈上說,封裝與組裝是前一環節(半導體制造)的“尾”與后一環節(整機制造)的“首”。前面已經介紹過“多級封裝”的概念,實際上,聯系最緊密的就是一級和二級封裝,即這里所說的封裝與組裝。作為半導體產業后道工序的封裝,對外提供的封裝好的集成電路并不是直接面向應用的終端產品,而是一種構成電子產品的原材料,必須經過組裝這個整機制造技術才能最終變成終端應用產品,即完成電子產業鏈的實體制造過程,實現科技成果到社會財富的轉化。在人類日常工作和生活中,使高科技變成成人人用得上、人人用得起、可以提高和改變人類生活的產品。

      從技術本質來說,封裝與組裝都是為了實現電路的電氣互聯,只不過封裝是實現“芯片級”互聯,而組裝則是“板卡級”互聯,二者都是互聯過程的“二傳手”而已。有關電氣互連將在后面章節專門討論,這里我們從直觀看它們的聯系,如所示,是目前典型的QFP(圖2a)與BGA(圖2b)封裝組裝互連結構示意圖。

      由圖2可見,封裝與組裝技術目標和本質是一致的,可以說是一種技術在不同領域,不同層次的應用。尤其圖1b中,封裝與組裝連接同樣使用焊球連接技術,不同的只是技術尺寸精細度和其它技術細節。

1.3 封裝/組裝技術的比較

      封裝與組裝技術的主要就是元素和技術環節有許多彼此相通的地方,有些環節實際是完全一致的,只不過不同領域側重點有差異而已。封裝與組裝技術比較見表1。

2 封裝/組裝技術的融合

2.1 封裝向組裝的滲透與延申

      近年在封裝行業多芯片??椋∕CM)技術和系統級封裝(SiP)技術發展很快,特別是芯片堆疊(3D 封裝)技術的興起使半導體技術發展出現新的增長點,3D IC成為目前延續摩爾定律的關鍵。無論是MCM、SiP,還是3D IC,其技術范疇已經超出傳統封裝技術,開始向組裝技術滲透與延續。一方面采用硅通孔和多層印制電路板實現多芯片之間互連,另一方面采用SMT技術把不容易集成的無源元件組裝到封裝基板上,在一個封裝??檳詡剎煌ひ蘸筒牧系陌氳繼逍酒約拔拊叢?,形成一個功能強大的功能??榛螄低臣兜緶紡??,如圖3所示。

表1 電子封裝/組裝技術比較

從另一個角度看,??榛庾熬褪薔富淖樽凹際?。

  2.2 組裝向封裝的擴展

      現代電子產品朝著短、小、輕、薄和高可靠、高速度、高性能和低成本的方向發展。特別是移動和便攜式電子產品,以及航天、醫療等領域對產品體積、重量要求越來越苛刻。隨著超大規模集成電路(VLSl)和微型化片式元器件的迅速發展和廣泛應用,電子整機進一步實現高性能和微小型化的主要矛盾已經不僅是元器件本身,而是元器件組裝和互連形式和方法。為了適應這—發展趨勢,在表面組裝技術(SMT)的基礎上,組裝技術正在向??榛?、微小型化和三維立體組裝技術方向發展,使電子整機在有限空間內組裝功能更多、性能更優,集成化程度更高的電子信息系統。

      實際上,自從片式元件進入0402(英制01005)、0315(0.3 mm×0.15 mm)尺寸,集成電路封裝節距小到0.4/0.3 mm以來,特別是倒裝芯片的應用,使組裝定位和對準的精確度已經跨入微尺寸的范圍,例如倒裝芯片貼裝,要求可重復精度小于4μm,已經屬于封裝的尺寸精度范圍。

由此可見,組裝技術向精細化高級階段發展,必然是向封裝技術的擴展。

2.3 封裝/組裝技術的交匯

     現在有些產品的制造既可以先封裝后組裝,也可以直接組裝。例如系統級封裝(SiP),既可以由半導體封裝廠完成SiP系統封裝(可能是BGA,CSP,WLCSP),然后通過SMT將SiP元器件裝配到電路板上;也可以在SMT車間進行芯片和其它元器件的2D或3D裝配,將SiP系統嵌入到終端產品中。這種技術的集成濃縮和交匯將是未來微小型化、多功能化產品制造的發展趨勢。

      傳統的觀念認為封裝技術屬于半導體制造,其尺寸精確度和技術難度高于組裝技術,屬于高技術范疇,而組裝技術則屬于工藝范疇。但是在電子產品微小型化和多功能化市場需求的強力推動下,特別是近年興起的多芯片、??榛畝訓庾?組裝(PiP /PoP,又稱3D封裝/組裝)技術、實質上是封裝技術和組裝技術綜合應用,從而使 “封裝”和 “組裝”的界限日益模糊,二者正在向著交匯的方向發展。這種技術的融合,在封裝領域稱為??榛嘈酒?D封裝,而在組裝領域稱為微組裝(MPT—micro packaging technology),其實二者是殊途同歸,如圖4所示。

 3 1.5級封裝—COB簡介

      COB(chip On board,板上芯片)是一種典型的介于封裝和組裝之間的制造技術,裸芯片直接安裝到印制電路板上,而不是先“封裝”后組裝到印制電路板上。COB制造工藝與傳統裸芯片封裝相似,只是封裝基板換成了常規印制電路板,通過打線、載帶或倒裝芯片方式使裸芯片直接連接到電路中。為了?;ぢ閾酒皇芑肪秤跋?,防止芯片和連接線損壞,需要用膠把芯片和鍵合引線包封起來,如圖5所示。COB工藝也稱為“邦定”( boarding音譯),用COB工藝提供的集成電路或電路??橐渤莆叭戇狻被頡叭矸庾啊鋇緶?,如圖6所示。

       與COB類似的電路組裝技術還有COF(Chip On Film,柔性電路板上芯片)和于COG(Chip On Glass,玻璃板上芯片)。前者用于柔性印制電路板電路中,后者液晶顯示面板等產品制造中。其互連方式也如圖1所示的方式。

      由于傳統封裝成本較高,一般占集成電路總成本的的40%甚至更高,采用COB技術,省去了封裝成本,可顯著降低產品制造成本, 在大批量生產尤為突出。此外,COB連接方式是封裝技術中成熟的技術,相應工藝、設備都可使用,不存在技術難題。

      芯片直接安裝到印制電路板上,從理論上說是最簡潔的封裝方式,但由于缺少了中間引線的緩沖作用和封裝外殼的?;ぷ饔?,可靠性問題目前還沒有充分保證,同時也無法維修,因而目前只運用在可靠性要求不高的產品中,例如數字鐘表、玩具、計算器、低成本數碼產品等方面。但隨著技術進步,COB可靠性也逐步提高,現在已擴展到電話卡、存儲卡、各種智能卡、打印機???、存儲器以及經濟型數碼相機等產品中,因而在某些應用領域COB有取代SMT之勢。

      由于COB技術兼有封裝與組裝技術要素,介于1級封裝和2級封裝之間,因此又稱為1.5級封裝。

4 封裝/組裝交融——微組裝簡介

4.1 MPT與MAT

      微組裝概念早在20世紀80年代就產生了,當時是作為表面貼裝技術之后一個新的技術分代提出的,一直沒有明確的界定。微組裝有兩個英文縮寫MPT(Micro-packaging technology)和MAT(Micro-assembling technology),現在中文一般把“packaging”譯為“封裝”, “assembling” 譯為“組裝”,由此也可看出封裝與組裝并沒有嚴格的界限。

4.2 微組裝技術的概念

      有關“微組裝技術”目前有三種說法:

    (1)微組裝是組裝技術的一個類型

      這種說法把組裝技術按照工藝精度分為幾種類型,即根據集成電路引線間距尺寸或元器件相互距離,以及基板單位面積上焊點數目分類:

     上述分類中,“微組裝”和“高密度組裝”是從不同角度區分的,二者在有些情況下可能是相互覆蓋的。實際上當0603、0402(公制)片式元件應用之后,元件間距已經小于0.3 mm,但人們并沒有認為已經進入微組裝技術領域。

     (2)微組裝技術實質上就是高密度組裝技術

      隨著多芯片??椋∕CM)技術、倒裝芯片(FC)和多層陶瓷基板技術發展,在高密度多層互連電路板上,運用組裝和封裝工藝,把微小型電子元器件組裝成高密度、高速度、高可靠性立體結構的電子產品,這種高密度組裝技術就是微組裝技術。

      這種說法對于“高密度組裝”的概念超出了前面“基板單位面積上焊點數目”的定義,有了“立體組裝”的新概念。顯然,這是將組裝和封裝融合在一起的說法。

     (3)微組裝技術是SMT發展的高級階段

      這種說法認為微組裝技術是SMT發展到微尺寸組裝的高級階段,指最小組裝元素的尺寸在數微米到100μm之間,以COB、芯片堆疊、倒裝芯片,多層高密度基板等為基礎技術、不能采用常規SMT工藝完成組裝的高密度組裝技術。包括COB、MCM、SiP 、3D封裝/組裝等一級二級封裝混合的技術集成,也就是除了半導體裸芯片制造工藝以外的微電子產品制造技術,也可以說是SMT之后的新一代組裝技術。

      如果我們希望以一個統一術語涵蓋當前眾多封裝/組裝新概念、新技術,例如高密度封裝、高密度組裝,三維封裝、三維組裝,三維疊加互連、MCM(其中又有MCM-C、MCM-D 、MCM-L等)、LTCC、3D IC、3D封裝、3D組裝、PiP、PoP等等,那么第三種說法無疑是恰當的。

      術語和概念對于學術是重要的,討論一個問題,首先需要界定問題的范圍和屬性,以及討論時的“共同語言”。對于產業和工程領域則不是重點,技術術語可能多年不明確、不嚴謹,可能各行其是,導致技術交流有些麻煩,但不妨礙技術的進步和發展。

      對于產業和工程領域,關鍵是看實際效果,對于現代高技術而言,無論如何,技術的交叉和融合是大勢所趨,拋棄技術高低貴賤之分,打破行業壁壘,在技術的交叉和融合中創新發展,才是最重要的。

      由于電子產品的日益微小型化和復雜化,傳統的劃分行業概念逐漸模糊,產業鏈上下游技術聯系密不可分,因而解決組裝技術問題和考慮組裝技術發展時,思路不能僅僅局限于傳統“行業”技術范圍,而要以綜合化、系統化的思路去研究和拓展技術思維。

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