將有源器件以及無源元件組裝到已完成膜層印燒/蒸發(fā)/濺射的基片上以后，這個混合微電路就可以進行封裝了。組裝和封裝作為產(chǎn)品開發(fā)中的關鍵技術在業(yè)界引起人們日益增多的關注。

　　廣義的封裝是指將半導體和電子元器件所具有的電子的、物理的功能，轉變?yōu)檫m用于設備或系統(tǒng)的形式，并使之能夠為人類社會服務的科學技術。

　　狹義的封裝(Packaging,PKG)是指裸芯片與布線板實現(xiàn)微互連后，將其密封在塑料、玻璃、金屬或者陶瓷外殼中，以確保半導體集成電路芯片在各種惡劣條件下正常工作。

　　無論是單芯片封裝前的裸芯片，還是將多個裸芯片裝載在多層布線板上的多芯片組件(MCM)，在不經(jīng)封裝的狀態(tài)下，由于空氣中濕氣和氧的影響，半導體集成電路元件表面及多層布線板表面的導體圖形及電極等，會隨時受到氧化的腐蝕，使其性能退化。無論是單芯片封裝還是MCM制造，在整個工藝過程中，應避免在空氣中放置，而應在氮氣氣箱等非活性氣氛中加以保護。否則，會出現(xiàn)半導體元件的內側引線凸點因氧化而難以鍵合，多層布線板的導體電極因氧化而不能釬焊等失效問題。

　　即使已完成了微互連，不經(jīng)封裝而在含有濕氣的空氣中工作加之遷移現(xiàn)象， 半導體元件及多層布線板上的導體電路會發(fā)生突然短路。因此，多層布線板及半導體元件表面露出的導體圖形必須與外界氣氛隔絕。無論對于單個使用的裸芯片還是MCM，封裝都是必不可少的。

　　封裝除對混合電路起機械支撐、防水和防磁、隔絕空氣等的作用外，還具有對芯片及電連接的物理保護、應力緩和、散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格標準化等多種功能。

　　非氣密性樹脂封裝技術

　　No.1

　　單芯片封裝

　　單芯片封裝分氣密性封裝型和非氣密性封裝型兩大類： 前者包括金屬外殼封接型、玻璃封接型(陶瓷蓋板或金屬蓋板)、釬焊(Au/Sn共晶焊料)封接型;后者包括傳遞模注塑封型、液態(tài)樹脂封裝型、樹脂塊封裝型等。其中傳遞模注塑封法價格便宜，便于大批量生產(chǎn)，目前采用最為普遍。

　　No.（1）

　　傳遞模注塑封技術

　　a. 模注樹脂成分及特性

　　樹脂通常是指受熱后有軟化或熔融范圍，軟化時在外力作用下有流動傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有時也可以是液態(tài)的有機聚合物。廣義地講，可以作為塑料制品加工原料的任何聚合物都稱為樹脂。

　　樹脂有天然樹脂和合成樹脂之分。天然樹脂是指由自然界中動植物分泌物所得的有機物質，如松香、琥珀、蟲膠等。合成樹脂是指由簡單有機物經(jīng)化學合成或某些天然產(chǎn)物經(jīng)化學反應而得到的樹脂產(chǎn)物。

　　按樹脂分子主鏈組成分類：

　　按此方法可將樹脂分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物。

　　碳鏈聚合物是指主鏈全由碳原子構成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

　　雜鏈聚合物是指主鏈由碳和氧、氮、硫等兩種以上元素的原子所構成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。

　　元素有機聚合物是指主鏈上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、鋁、鈦、硼、硫、磷等元素的原子構成，如有機硅。

　　ex：環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。環(huán)氧樹脂的分子結構是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團為其特征，環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結構。由于分子結構中含有活潑的環(huán)氧基團，使它們可交聯(lián)反應而形成不溶、不熔的具有網(wǎng)狀結構的高聚物。

　　傳遞模注樹脂封裝的可靠性取決于模注樹脂的可靠性。標準模注樹脂的組成，按其配比質量分數(shù)，從高到低依次為填充料(filler)(約70%),環(huán)氧樹脂(約18%以下)，固化劑(約9%以下)等。

　　填充料的主要成分是二氧化硅。

　　晶態(tài)二氧化硅有利于提高模注樹脂的導熱性，熔凝態(tài)(非晶)二氧化硅有利于降低模注樹脂的熱膨脹系數(shù)及吸濕性。圖中可見隨熔凝二氧化硅含量的增加，封裝樹脂熱膨脹系數(shù)降低最多，從而對模注塑封中的熱應力緩和更為有效。

　　環(huán)氧樹脂的組成，一般都采用甲酚-酚醛系([C6H3OHCH2]n)。環(huán)氧樹脂具有保護芯片、使其于外部氣體隔絕，確保成形時的流動性外，還對模注樹脂的機械、電氣、熱等基本特性起決定性作用。

　　固化劑的主要成分為苯酚-酚醛系樹脂，其與環(huán)氧樹脂一起對成形時的流動性及樹脂特性起作用。

　　此外，模注樹脂中還含有如下成分：促進固化反應的固化促進劑(觸媒);樹脂在注模內固化后，為使其便于取出的脫模劑;為阻止燃燒，滿足阻燃特性規(guī)定的阻燃劑;以黑色炭粉及各種顏料進行著色的著色劑等。

　　b. 傳遞模注工藝過程

　　先將模具預熱，將經(jīng)過微互連的芯片框架插入上下模具中，上模具下降，將芯片框架固定。

　　注塑壓頭按設定程序下降，樹脂料餅經(jīng)預加熱器加熱，粘度下降，在注塑壓頭壓力作用下，由料筒經(jīng)流道，通過澆口分配器進入澆口，最后注入到型腔中。

　　注入中不加壓力，待封裝樹脂基本上填滿每個型腔之后再加壓力。在加壓狀態(tài)下保持數(shù)分鐘，樹脂聚合而硬化。

　　上模具提升，取出模注好的封裝體。切除流道、澆口等不必要的樹脂部分。

　　此時樹脂聚合仍不充分，特性也不穩(wěn)定，需要在160~180攝氏度經(jīng)數(shù)小時的高溫加熱，使聚合反應完結。

　　由于模注時樹脂可能從模具的微細間隙流出，故最后還要利用高壓水及介質(玻璃粉等)的沖擊力，使殘留在外引腳表面的樹脂溢料(又稱毛邊、飛邊等)剝離。

　　外引腳經(jīng)過電鍍焊料或電鍍Sn等處理，以改善引腳的耐蝕性及微互連時焊料與它的浸潤性。至此，傳遞模注封裝全部完成。

　　問題1：

　　隨著芯片封裝規(guī)模及相應模具的大型化，往往會發(fā)生樹脂注入型腔的不均勻化問題。從樹脂注入每個型腔的過程看，離注塑壓頭遠的型腔注入樹脂前，離注塑壓頭近的型腔中樹脂已開始硬化;離注塑壓頭遠的型腔填充完畢開始增加注入壓力時，離注塑壓頭近的型腔中的樹脂已經(jīng)硬化，殘留的氣體會產(chǎn)生氣孔或氣泡。

　　解決方法是采用多個注塑壓頭，以保證樹脂在每個型腔內處于均衡的流入狀態(tài)。

　　問題2

　　一般的模注采用下澆口注入樹脂，這在芯片和封裝尺寸較小時沒有問題，但隨著芯片和封裝尺寸變大，離澆口遠的封裝上部，往往出現(xiàn)樹脂未填充的部分。

　　解決方法是通過將澆口設置在封裝中部，保證注入樹脂在型腔內芯片的上面、下面均衡流動，從而避免樹脂未填充問題。

　　c. 模注樹脂流速及粘度對Au絲偏移(沖絲)的影響

　　封裝樹脂在型腔內流動會造成微互連Au絲的偏移(沖絲)。

　　為了減小Au絲偏移，應降低封裝樹脂的粘度，并控制封裝樹脂盡量緩慢的在型腔內流動。

　　No.2

　　多芯片封裝

　　MCM封裝也可按其氣密性等級，分為氣密封裝和非氣密封裝兩大類。 非氣密封裝的代表是樹脂封裝法，依樹脂的加入方式不同，進一步還可分為注型(casting)法、浸漬(dipping)法、滴灌(potting)法及流動浸漬法(粉體涂裝法)等;氣密性封裝包括低熔點玻璃封接法、釬焊封接法、縫焊封接法及激光熔焊法等。

　　封裝可靠性與其價格具有明顯的關系，可靠性越高則封裝價格越貴。

　　樹脂封裝價格低，但從可靠性角度，特別是耐濕性存在問題，對于可靠性要求高的大型電子計算機等領域，必須采用氣密性封裝。

　　采用釬焊密封法， 可以做到完全的氣密性封接，金屬性腔體內還可封入氦氣、氮氣等非活性氣體。但這種方法存在焊料與多層布線板上導體層之間的擴散問題，若在高溫環(huán)境下使用，則耐熱性及長期使用的可靠性都不能保證。

　　對可靠性有更高要求的應用，需采用熔焊法。 其中之一是縫焊封接(seamweld),但現(xiàn)有縫焊焊機的功率有限，只能焊比較薄(厚度約0.15mm)的金屬蓋板，不能用于大型MCM。為了能對大型MCM中采用比較厚(0.25~0.5mm)的金屬蓋板進行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。

　　采用縫焊封接時 ，先用環(huán)氧樹脂及焊料等粘結劑，將陶瓷布線板支持固定在金屬外殼中，而粘結劑在散熱性及耐機械沖擊性等方面都存在問題。為解決這些問題，可以在陶瓷布線板上，通過銀漿料，粘結固定與布線板熱膨脹系數(shù)基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封環(huán)，并作為激光熔焊時的金屬基體。

　　耐濕性試驗：

　　為了比較各種封裝方法的可靠性，一般以耐濕性為代表，耐濕性試驗最常使用壓力鍋試驗。

　　近30年前的DIP封裝(傳遞模注塑封法)，由于塑封材料耐濕性差，在121攝氏度，202kPa的壓力鍋中，只能維持70h左右;隨著塑封材料耐濕性的逐步改善，目前的可靠性已達200h.對MCM封裝，大多數(shù)塑封MCM，例如滴灌法COB(chip on board)、流動浸漬法的SMT模塊、浸漬法、注型法等制作的HIC，僅能維持小于70h的可靠性;而氣密性MCM封裝，幾乎能維持無限長時間，顯示出高可靠性。

　　無論是非氣密樹脂封裝，還是其他幾種氣密性封裝，都具有各自優(yōu)勢，但從可靠性比較，氣密封裝明顯優(yōu)于非氣密封裝。

　　a. 非氣密多芯片樹脂封裝技術

　　常用于MCM的非氣密性樹脂封裝法，一般是采用環(huán)氧樹脂、塑料、硅樹脂等有機樹脂，覆蓋在微互連于多層布線板之上的半導體芯片上，使其與外界隔絕。覆蓋樹脂的方法有以下五種。

　　涂布(coating)法

　　用筆或毛刷等蘸取環(huán)氧樹脂或硅樹脂，直接在半導體芯片及片式元件上涂布，經(jīng)加熱固化完成封裝。用于這種方法的涂布樹脂粘度要適中略低。

　　滴灌(potting)法

　　又稱滴下法。用注射器及布液器將粘度比較低的環(huán)氧樹脂、硅樹脂等液態(tài)樹脂滴灌在微互連于多層布線板之上的半導體芯片上，經(jīng)加熱固化完成封裝。

　　浸漬(dipping)法

　　將完成微互連的MCM浸入裝滿環(huán)氧樹脂或酚樹脂液體的浴槽中，浸漬一定時間后向上提拉，經(jīng)加熱固化完成封裝。此方法要搭配掩模等方法避免樹脂在不需要的部位上附著。

　　注型(casting)法

　　又稱模注法。將完成微互連的MCM置入比其尺寸略大的模具或樹脂盒中，在它們的間隙中注入環(huán)氧樹脂或酚樹脂等液體樹脂，經(jīng)加熱固化完成封裝。

　　流動浸漬法

　　又稱粉體涂裝法。將完成微互連的多層布線板在預加熱的狀態(tài)，浸入裝滿環(huán)氧樹脂與氧化硅粉末的混合粉體中，并處于流動狀態(tài)的流動浴槽中，浸漬一段時間，待粉體附著達一定厚度后，經(jīng)加熱固化完成封裝。

　　在對樹脂封裝進行結構設計時，應重點考慮耐濕性和減小內應力這兩個問題。對于前者應減少可能漏氣的環(huán)節(jié)，加強從外氣到半導體元件的密封措施;對于后者應正確把握封裝樹脂熱膨脹系數(shù)、填充量等的關系，減少容易發(fā)生應力集中的環(huán)節(jié)等。在有些情況下，可以采用從里到外三層樹脂封裝的結構，靠近芯片為一層柔軟層，中間為一層緩沖層，外部為一層致密層。這樣既可提高耐濕性，又可減小內應力。

　　以上幾種方法都屬于樹脂封裝，不可避免都會浸入一定程度的濕氣，導致可靠性也短，一般只有2~3年的保質時間;封裝之后，當發(fā)現(xiàn)不合格或出現(xiàn)故障，需要剝離樹脂，找出不合格芯片，但剝離液對正常芯片會產(chǎn)生影響，因此，出現(xiàn)故障的塑封元件一般以廢品處理。這些方法適合于規(guī)模較小，價格比較低的一般民用器件。

　　b. 樹脂封裝中濕氣侵入路徑及防止措施

　　樹脂材料作為有機物，都或多或少存在耐濕性較差的問題。樹脂封裝中濕氣的來源主要有三條： 一是樹脂自身的吸濕性； 二是樹脂自身的透水性； 三是通過樹脂與多層布線板之間的間隙，以及通過封裝與MCM引腳之間的間隙發(fā)生滲漏。

　　液態(tài)樹脂的固化條件(溫度和時間)對吸水性、透水性有決定性的影響，必須嚴格保證。還要注意樹脂的保質期及冷藏保管，使用前要進行脫泡處理，嚴禁粉塵和氣泡混入。經(jīng)生產(chǎn)廠家多年努力，樹脂的吸水性和透水性已明顯改善。

　　關于密封性，不單單取決于樹脂材料，還取決于引腳的表面狀態(tài)，以及樹脂材料同氧化鋁陶瓷多層布線板等基體材料的匹配情況。對于耐濕性良好而密封性不太理想的樹脂，可以通過增加基體材料表面粗糙度的方法，增加整體的密封性。

　　樹脂封裝法中，芯片周圍包圍的樹脂材料越多、有效隔離長度越長、耐濕性越好。但另一方面，隨著封裝樹脂量的增加及樹脂中內應力的增加，會造成陶瓷布線板發(fā)生翹曲，致使芯片布線板上搭載的芯片部件剝離、引起WB電氣連接破壞、造成布線板上膜電阻出現(xiàn)裂紋等。故應正確把握樹脂填充量、有效絕緣長度、內應力等因素的關系。

　　熱膨脹系數(shù)是否匹配為內應力產(chǎn)生的重要起因之一。應通過改進樹脂添加成分，使樹脂與電路材料熱膨脹系數(shù)盡量匹配。

　　c.樹脂未填充起因及解決辦法

　　由于模具溫度過高，預熱后的塑封料在高溫下反應加快，會造成型腔還未充滿時，塑封料粘度急劇上升，流動阻力增大，注塑壓力無法傳遞，形成有趨向性的未填充。這種現(xiàn)象在大體積電路中容易出現(xiàn)，因為其每模塑封料用量較多，為使塑封料在短時間內受熱均勻，設定的模溫一般較高。

　　有趨向性未填充主要是塑封料流動不充分引起的，可采用提高塑封料預熱溫度和增加注塑速度使塑封料流動加快，同時降低模具溫度，減緩反應速度，可以使流動時間延長，填充更充分。

　　由于模具的澆口堵塞，使塑封料無法注入，以及排氣口堵塞造成型腔氣體殘留，從而阻礙了型腔的填充。這種未填充在型腔位置分布上無規(guī)律性，小體積電路出現(xiàn)的幾率較高，因為小型封裝的澆口、排氣口相對較小而容易引起堵塞。

　　對于澆口和排氣口的堵塞，可用工具刮去堵塞物并涂上脫模劑，每模封裝后，用氣槍和刷子清掃模具。

　　d. 沖絲

　　塑封料在注塑成形時是有粘度的運動流體，因此具有一定的沖力。沖力作用在金絲上，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況下金絲沖斷，這就是所謂的沖絲。

　　沖絲是塑封產(chǎn)品的一個通病，無法完全消除，它必須借助專用的X射線儀才能觀察到，在生產(chǎn)中無法做到全檢，一般只做少量的抽檢。如何通過抽檢來判斷沖絲程度就非常重要了。

　　a/b越大，沖絲程度越嚴重；

　　當a/b>20%時可判為不良品；

　　a/b>12%~15%時，必須引起重視并進行調整；

　　a/b<10%時，情況較好。

　　一般來說，塑封料粘度越大，速度越快，對鍵合絲的沖擊角度越接近于90度，沖力越大。

　　No.3

　　氣密性封裝技術

　　a. 釬焊氣密封接技術

　　釬焊氣密封接是通過釬焊將金屬外殼固定在多層布線板上，將IC芯片與外氣絕緣。為了利用釬焊實現(xiàn)氣密封接的目的，要求焊料與被釬焊材料之間具有良好的浸潤性。通常采用Sn63/Pb37焊料。

　　為了釬焊金屬封裝外殼，需要在多層布線板表面的四周，形成與外殼相匹配、用于釬焊連接的導體圖形。該導體圖形與焊料間應有良好的浸潤性，且與焊料的互擴散盡量小。一般是通過厚膜法，采用Cu漿料印刷。對于氧化鋁陶瓷多層共燒基板來說，一般在W導體層上電鍍Ni/Au層，以達到良好的浸潤性。

　　金屬外殼與多層布線板的熱膨脹系數(shù)一般是不同的，因此對氧化鋁布線板來說，最好選用可伐合金外殼。但可伐合金與焊料間的浸潤性不好，通常金屬外殼也需要電鍍Ni/Au或Sn，以改善其浸潤性。

　　可伐合金(Kovar):本合金含鎳29%，鈷17%的鐵基封接合金。該合金在20~450℃范圍內具有與陶瓷相近的熱膨脹系數(shù)，和相應的陶瓷能進行有效封接匹配，此容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，廣泛用于制作電真空元件，發(fā)射管，顯像管，開關管，晶體管以及密封插頭和繼電器外殼等。用可伐合金對工件進行封接 時，一般工件表面要求鍍金。

　　釬焊封接時，將金屬外殼扣在預釬焊的封接圖形上，在大約240攝氏度下進行回流焊，此時外殼內的空氣會膨脹，因此需要在金屬外殼上制作空氣向外逃逸用的小孔，而后，在氦氣或氮氣等非活性氣氛中，用共晶焊料對小孔進行封接。

　　釬焊封接的金屬外殼封裝便于分解、重裝，一般可保證在10次以上。因此，這種封接可用做通常氣密性封裝后半導體元件的初期不良品篩選。

　　釬焊封接中采用助焊劑，焊接過程中產(chǎn)生殘渣，清洗助焊劑的三氯乙烷等有機清洗劑破壞臭氧層，不利于環(huán)保。

　　b. 激光熔焊封接技術

　　激光熔焊適用于大型MCM及外形復雜的MCM，并能保證高可靠性。

　　其工藝過程如下：先在多層布線板的設定位置上，由Ag焊料固定作為熔焊金屬基體的焊接環(huán)，將金屬外殼扣在焊接環(huán)上，使兩者處于緊密接觸狀態(tài)，用激光束照射密接部位，焊接環(huán)及與其密接部位的外殼金屬同時熔化，經(jīng)冷卻完成氣密封接。由于相同金屬間便于熔焊，一般情況下焊接環(huán)與外殼都采用可伐合金。

　　激光熔焊封接法僅使焊接環(huán)與金屬外殼間需要密封連接的部位瞬時達到高溫再冷卻。不像焊料封接那樣，需要使多層布線板達到高溫，因此，不必考慮金屬外殼內部空氣的膨脹問題，不需要在金屬外殼上設置氣孔。激光熔焊法可以在非活性氣氛封接箱內完成氣密性封接。

　　對熔焊封接外殼進行拆卸、重裝是比較困難的，一般采取的是拆卸、重裝焊接環(huán)的方式。因此，焊接環(huán)的高度一般保持在0.75mm以上，在每一次拆卸、重裝過程中，焊接環(huán)需要研磨掉約100~200的高度，總共可進行2~3次返修、重裝操作。

　　與釬焊封接法相比，激光熔焊法允許的拆卸、返修次數(shù)少，故在正式封裝前，需要對半導體元件進行老化篩選，以去除初期不良的器件。

　　將無Pb的激光熔焊封接技術和無鉛的芯片微互連技術相結合，就可以在完全不必采用Sn-Pb系焊料，實現(xiàn)封裝的真正無無鉛化。