3D封装与LED封装技术

3D封装

由于电子整机和系统在航空、航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高，在MCM的基础上，对于有限的面积，电子组装必然在二维组装的基础上向z方向发展，这就是所谓的三维(3D)封装技术，这是今后相当长时间内实现系统组装的有效手段。实现3D封装主要有三种方法。一种是埋置型，即将元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。电阻和电容一般可随多层布线用厚、薄膜法埋置于多层基板中，而IC芯片一般要紧贴基板。还可以在基板上先开槽，将IC芯片嵌入，用环氧树脂固定后与基板平面平齐，然后实施多层布线，最上层再安装IC芯片，从而实现3D封装。第二种方法是有源基板型，这是用硅圆片IC(WSI)作基板时，先将WSI用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成化，这就成了有源基板。然后再实施多层布线，顶层仍安装各种其他lC芯片或其他元器件，实现3D封装。这一方法是人们最终追求并力求实现的一种3D封装技术。第三种方法是叠层法，即将两个或多个裸芯片或封装芯片在垂直芯片方向上互连成为简单的3D封装。更多的是将各个已单面或双面组装的MCM叠装在一起，再进行上下多层互连，就可实现3D封装。其上下均可加热沉，这种3D结构又称为3D.MCM。由于3D的组装密度高，功耗大，基板多为导热性好的高导热基板，如硅、氮化铝和金刚石薄膜等。还可以把多个硅圆片层叠在一起，形成3D封装。先进的叠层式3D封装技术近几年来，先进的封装技术已在IC制造行业开始出现，如多芯片模块(MCM)就是将多个IC芯片按功能组合进行封装，特别是三维(3D)封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。它使单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增，业界称之为叠层式3D封装;其次，它将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小;再则，它将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路;最后，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小数十倍。正是由于3D封装拥有无可比拟的技术优势，加上多媒体及无线通信设备的使用需求，才使这一新型的封装方式拥有广阔的发展空间。最常见的裸芯片叠层3D封装先将生长凸点的合格芯片倒扣并焊接在薄膜基板上，这种薄膜基板的材质为陶瓷或环氧玻璃，其上有导体布线，内部也有互连焊点，两侧还有外部互连焊点，然后再将多个薄膜基板进行叠装互连。裸芯片叠层的工艺过程为：第一步，在芯片上生长凸点并进行倒扣焊接。如果采用金凸点，则由金丝成球的方式形成凸点，在250～400 ℃下，加压力使芯片与基板互连;若用铅锡凸点，则采用 Pb95Sn5(重量比)的凸点，这样的凸点具有较高的熔点，而不致在下道工艺过程中熔化。具体方法，先在低于凸点熔点的温度(180～250 ℃)下进行芯片和基板焊接，在这一温度下它们靠金属扩散来焊接;然后加热到250～400 ℃，在这一温度下焊料球熔化，焊接完毕。第一步的温度是经过成品率试验得到的，当低于150 ℃时断路现象增加;而当高于300 ℃时，则相邻焊点的短路现象增多。第二步，在芯片与基板之间0.05 mm的缝隙内填入环氧树脂胶，即进行下填料。第三步，将生长有凸点的基板叠装在一起，该基板上的凸点是焊料凸点，其成分为Pb/Sn或Sn/Ag，熔点定在200～240 ℃。这最后一步是将基板叠装后，再在230～250 ℃的温度下进行焊接。MCM叠层的工艺流程与裸芯片叠层的工艺流程基本一致。除上述边缘导体焊接采用互连方式外，叠层3D封装还有多种互连方式，例如引线键合叠层芯片就是一种采用引线键合技术实现叠层互连的，该方法的适用范围比较广。此外，叠层互连工艺还有叠层载带、折叠柔性电路等方式。叠层载带是用载带自动键合(TAB)实现IC互连，可进而分为印刷电路板(PCB)叠层TAB和引线框架TAB。折叠柔性电路方式是先将裸芯片安装在柔性材料上，然后将其折叠，从而形成三维叠层的封装形式。

LED封装

LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作、输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。LED的核心发光部分是P型半导体和N型半导体构成的PN结管芯。当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外线光或者红外线光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构和几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一条管脚相连，负极通过发射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀;采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角;管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光的损失。选用相应折射率的环氧树脂做过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材料和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小;如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0.2 -0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经PN结，发热性损耗使结区产生温升。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热时保持色纯度与发光强度非常重要。以往采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随着电流的增大而增加。目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构。全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善了热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。