中科院：微电子封装的现状与发展趋势
时间：2014-03-21 06:18:00
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[导读]近年来，各种各样的电子产品已经在工业、农业、国防和日常生活中得到了广泛的应用。伴随着电子科学技术的蓬勃发展，使得微电子工业发展迅猛，这很大程度上是得益于微电子封装技术的高速发展。当今全球正迎来以电子计
近年来，各种各样的电子产品已经在工业、农业、国防和日常生活中得到了广泛的应用。伴随着电子科学技术的蓬勃发展，使得微电子工业发展迅猛，这很大程度上是得益于微电子封装技术的高速发展。当今全球正迎来以电子计算机为核心的电子信息技术时代，随着它的发展，越来越要求电子产品要具有高性能、多功能、高可靠、小型化、薄型化、便捷化以及将大众化普及所要求的低成等特点。这样必然要求微电子封装要更好、更轻、更薄、封装密度更高，更好的电性能和热性能，更高的可靠性，更高的性能价格比。
一、 微电子封装的概述
1、微电子封装的概念
微电子封装是指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出连线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。在更广的意义上讲，是指将封装体与基板连接固定，装配成完整的系统或电子设备，并确定整个系统综合性能的工程。
2、微电子封装的目的
微电子封装的目的在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条件，以使电路具有稳定、正常的功能。
3、微电子封装的技术领域
微电子封装技术涵盖的技术面积广，属于复杂的系统工程。它涉及物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化等各门学科，也使用金属、陶瓷、玻璃、高分子等各种各样的材料，因此微电子封装是一门跨学科知识整合的科学，整合了产品的电气特性、热传导特性、可靠性、材料与工艺技术的应用以及成本价格等因素，以达到最佳化目的的工程技术。
在微电子产品功能与层次提升的追求中，开发新型封装技术的重要性不亚于电路的设计与工艺技术，世界各国的电子工业都在全力研究开发，以期得到在该领域的技术领先地位。
4、微电子封装的功能
微电子封装所实现的功能主要有四点：
传递电能，主要是指电源电压的分配和导通。
传递的电路信号，主要是将电信号的延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号与芯片的互连路径以及通过封装的I/O接口引出的路径达到最短。
提供散热途径，主要是指各种封装都要考虑元器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。
结构保护与支持，主要是指封装可为连接部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。
5、微电子封装的技术层次
微电子封装通常有四个层次：
第一层次：是指把电路芯片与封装基板或引脚架之间的粘贴固定、电路连线与封装保护的工艺，使之成为易于取放输送，并可与下一层次组装进行连接的模块元件。
第二层次：将数个第一层次完成的封装与其他电子元器件组成一个电路卡的工艺。
第三层次：将数个第二层次完成的封装组装成的电路卡组合在一个主电路板上使之成为一个部件或子系统的工艺。
第四层次：将数个子系统组装成为一个完成电子产品的工艺过程。
在芯片上的电路元器件间的连线工艺也称为零级层次的封装，因此封装工程也可以用五个层次区分。
6、微电子封装的分类
按照封装中组合电路芯片的数目，微电子封装可分为单芯片封装（SCP）与多芯片封装(MCP)两大类，MCP指层次较低的多芯片封装，而MCM指层次较高的多芯片封装。
按照密封的材料区分，可分为以高分子材料（即塑料）和陶瓷为主的种类。陶瓷封装的热性质稳定，热传导性能优良，对水分子渗透有良好的阻隔能力，因此是主要的高可靠性封装方法；塑料封装具有工艺自动化、低成本、薄型化封装等优点，因此塑料封装是目前市场最常采用的技术。
按照器件与电路板互连方式，封装可分为引脚插入型（PTH）和表面贴装型（SMT）两大类。PTH器件的引脚为细针状或薄板状金属，以供插入底座或电路板的导孔中进行焊接固定；SMT器件则先粘贴于电路板上再以焊接固定，它具有海鸥翅型、钩型、直柄型的金属引脚，或电极凸块引脚（也称为无引脚化器件）。
依据引脚分布形态区分，封装元器件有单边引脚、双边引脚、四边引脚与底部引脚等4种。常见的单边引脚有单列式封装（SIP）与交叉引脚式封装（ZIP）；双边引脚元器件有双列式封装（DIP）、小型化封装（SOP）等；四边引脚有四边扁平封装（QFP）、底部引脚有金属罐式（MCP）与点阵列式封装（PGA）。
由于产品小型化以及功能提升的需求和工艺技术的进步，封装的形式和内部结构也有许多不同的变化。
7、微电子封装的材料
微电子封装所使用的材料包括金属、陶瓷、玻璃、高分子等，金属主要为电热传导材料，陶瓷与玻璃为陶瓷封装基板的主要成分，玻璃同时为重要的密封材料，塑料封装利用高分子树脂进行元器件与外壳的密封，高分子材料也是许多封装工艺的重要添加物。材料的使用与选择是由封装的电热性质、可靠性、技术与工艺、成本价格的需求有关。
二、 微电子封装的技术要求
随着微电子产业的迅速发展，微电子封装技术也不断的发展与进步。
1、小型化
微电子封装技术朝着超小型化的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型化封装形式，即晶圆级封装技术（WLP）。而低成本、高质量、短交货期、外形尺寸符合国际标准都是小型化的必需的条件。
2、适应高发热
由于微电子封装的热阻会因为尺寸的缩小而增大，电子机器的使用环境复杂，因而必须解决封装的散热。尤其是在高温条件下，必须保证长期工作的稳定性和可靠性。
3、高密集度
由于元器件的集成度越来越高，要求微电子封装的管脚数越来越多，管脚间的间距越来越小。
4、适应多引脚
外引线越来越多是微电子封装的一大特点，当然也是难点，因为引脚间距不可能无限小，再流焊时焊料难以稳定供给，故障率很高。而多引脚封装是今后的主流，所以在微电子封装的技术要求上应尽量适应多引脚。
三、 微电子封装在国内的发展现状
过去，整个中国国内半导体产业基础十分薄弱，但是附加价值相对较低的封装测试却是整个半导体产业链最强的一环，占了国内半导体产业值59%以上，之所以会有这个现象产生，是因为在半导体产业链中，封装测试对资金需求和技术门槛较低，且人力需求比较高，而国内拥有充沛和低廉的劳动资源所致，但这与国际上先进封装测试技术水平仍有相当差距。[!--empirenews.page--]
据有关报告称，2003年我国微电子封装测试企业实现销售收入246亿元，同比增长23.3%，占整个微电子产业链销售收入的70%，已成为微电子产业快速发展中的新亮点。产能上迅速提升满足了市场的要求，也实现了产量的增长，如长电科技(600584,股吧)股份、南通富士通、四川安森美、华润安盛、上海金朋、安靠、浙江华越等公司都在产量销售收入利润上获得了历史佳绩。
从调查资料分析，国内微电子封装正处于一个快速的发展阶段。各种股份制企业、中外合资、外商独资、民营企业正如雨后春笋般地涌现。其主要集
中在长三角，其次为珠三角、京津环渤海地区。然而，根据中国半导体产业协会资料显示，现阶段国内从事分立器件及微电子封装测试的厂商约有210家，其中从事微电子封装的厂商超过100家，但实际上有一定水准封装测试技术，且年封装量超过1亿颗的不到20家，预计未来3年内，若台资企业能够顺利排除法规限制且产能放量，国内将会出现激烈的杀戮淘汰赛或并购情形。
国内微电子封装测试产业可以细分为三阶段。
1995年前，国内的封装测试绝大部分是依附本土组件制造商，如上海先进、贝岭、无锡华晶及首钢NEC等，及部分由合资方式或其他方式合作的外商，如深圳赛意法微电子、现代电子（现已被金朋并购），但投资范围主要以PDIP、PQFP和TSOP为主。
但是1995年起，国内出现了第一家专业封装代工厂（即阿法泰克），紧接着，由于得到国家政策对发展IC产业的支持，英特尔、超微、三星电子和摩托罗拉等国际大厂整合组件制造商扩大投资，纷纷以1亿美元以上的投资规模进驻到中国国内。
2000年后，中芯、宏力、和舰及台积电等晶圆代工厂陆续成立，新产能的开出和相续扩产，对于后段封装产能的需求更为迫切，使得专业封测厂为争夺订单，也跟着陆续进驻到晶圆厂周围，如威宇科技、华虹NEC提供BGA/CSP及其他高阶的封装服务、中芯与金朋建立互不排除联盟。
因为晶圆制造开始往高阶技术推进，对于封装工艺的要求也开始转向高阶产品，这也将会带动中国国内封测产业在质量上进一步向上提升。
四、 微电子封装的关键技术
发展微电子封装技术，旨在使系统向小型化、高性能、高可靠性和低成本目标努力，从技术发展观点来看，作为微电子封装的关键技术主要有：TCP、BGA、FCT、CSP、MCM和三维封装。
1、带载封装
带载封装（TCP），是在形成连接布线的带状绝缘带上搭载LSI裸芯片，并与引线连接的封装。与QFP相比，TCP的引线间距可以做得更窄，而且外形可以做得更薄，因此，TCP是比QFP更薄型的高密度封装，它在PCB板上占据很小的面积，可以用于高I/O数的ASIC和微处理器。
2、栅阵列封装
栅阵列封装（BGA），是表面安装型封装的一种，在印刷电路基板的背面，二维阵列布置球形焊盘，而不采用引线针脚。在印刷电路板的正面搭载LSE芯片，用模注和浇注树脂封接，可超过200针，属于多针的LSI用封装。封装体的大小也比QFP小。而且BGA不像QFP，不用担心引线的变形。
3、倒装芯片技术
倒装芯片技术（FCT），是将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点来实现芯片与衬底的互连。这种方式能提供更高的I/O密度。它的主要优点是：外形减小尺寸。提高电性能。高的I/O密度。良好散热性。改善疲劳寿命，提高可靠性。裸芯片的可测试性。
4、芯片规模封装
芯片规模封装（CSP），主要有适用于储存器的少引脚CSP和适用于ASCI的多引脚CSP，具体为芯片上引线（LOC）、微型球栅阵列（MBA）和面阵列（LGA）。它的主要优点是：容易测定和老化，易于一次回流焊接等安装以及操作简便。
5、多芯片模式
多芯片模式（MCM），是指多个半导体裸芯片表面安装在同一块布线基板上。按基板材料不同，分为MCM-L、MCM-C、MCM-D三大类。
MCM-L是指用通常玻璃、环氧树脂制作多层印刷电路基板的模式。布线密度高而价格较低。
MCM-C通过厚膜技术形成多层布线陶瓷，滨海高以此作为基板。布线密度比MCM-L高。
MCM-D通过薄膜技术形成多层布线陶瓷或者直接采用Si、Al作为基板，布线密度最高，价格也高。
6、三维（3D）封装
三维封装，即是向空间发展的微电子组装的高密度化。它不但使用组装密度更高，也使其功能更多、传输速度更高、功耗更低、性能及可靠性更好等。
五、 微电子封装的发展趋势
21世纪的微电子封装概念已从传统的面向器件转为面向系统，即在封装的信号传递、支持载体、热传导、芯片保护等传统功能的基础上进一步扩展，利用薄膜、厚膜工艺以及嵌入工艺将系统的信号传输电路及大部分有源、无源元件进行集成，并与芯片的高密度封装和元器件外贴工艺相结合，从而实现对系统的封装集成，达到最高密度的封装。
在近期内，BGA技术将以其性能和价格的优势以最快增长速度作为封装的主流技术继续向前发展；CSP技术有着很好的前景，随着其成本的逐步降低将广泛用于快速存储器、逻辑电路和ASIC等器件在各类产品中的封装；在今后不断的封装中，FCT技术将作为一种基本的主流封装技术渗透于各种不同的封装形式中；随着便携式电子设备市场的迅速扩大，适用于高速、高性能的MCM发展速度相当惊人；三维封装是发展前景最佳的封装技术，随着其工艺的进一步成熟，它将成为应用最广泛的封装技术。
综上所述，从器件的发展水平看，今后封装技术的发展趋势为：单芯片向多芯片发展；平面型封装向立体封装发展；独立芯片封装向系统集成封装发展。
一、 微电子封装的概述
1、微电子封装的概念
微电子封装是指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出连线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。在更广的意义上讲，是指将封装体与基板连接固定，装配成完整的系统或电子设备，并确定整个系统综合性能的工程。
2、微电子封装的目的
微电子封装的目的在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条件，以使电路具有稳定、正常的功能。
3、微电子封装的技术领域
微电子封装技术涵盖的技术面积广，属于复杂的系统工程。它涉及物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化等各门学科，也使用金属、陶瓷、玻璃、高分子等各种各样的材料，因此微电子封装是一门跨学科知识整合的科学，整合了产品的电气特性、热传导特性、可靠性、材料与工艺技术的应用以及成本价格等因素，以达到最佳化目的的工程技术。
在微电子产品功能与层次提升的追求中，开发新型封装技术的重要性不亚于电路的设计与工艺技术，世界各国的电子工业都在全力研究开发，以期得到在该领域的技术领先地位。
4、微电子封装的功能
微电子封装所实现的功能主要有四点：
传递电能，主要是指电源电压的分配和导通。
传递的电路信号，主要是将电信号的延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号与芯片的互连路径以及通过封装的I/O接口引出的路径达到最短。
提供散热途径，主要是指各种封装都要考虑元器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。
结构保护与支持，主要是指封装可为连接部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。
5、微电子封装的技术层次
微电子封装通常有四个层次：
第一层次：是指把电路芯片与封装基板或引脚架之间的粘贴固定、电路连线与封装保护的工艺，使之成为易于取放输送，并可与下一层次组装进行连接的模块元件。
第二层次：将数个第一层次完成的封装与其他电子元器件组成一个电路卡的工艺。
第三层次：将数个第二层次完成的封装组装成的电路卡组合在一个主电路板上使之成为一个部件或子系统的工艺。
第四层次：将数个子系统组装成为一个完成电子产品的工艺过程。
在芯片上的电路元器件间的连线工艺也称为零级层次的封装，因此封装工程也可以用五个层次区分。
6、微电子封装的分类
按照封装中组合电路芯片的数目，微电子封装可分为单芯片封装（SCP）与多芯片封装(MCP)两大类，MCP指层次较低的多芯片封装，而MCM指层次较高的多芯片封装。
按照密封的材料区分，可分为以高分子材料（即塑料）和陶瓷为主的种类。陶瓷封装的热性质稳定，热传导性能优良，对水分子渗透有良好的阻隔能力，因此是主要的高可靠性封装方法；塑料封装具有工艺自动化、低成本、薄型化封装等优点，因此塑料封装是目前市场最常采用的技术。
按照器件与电路板互连方式，封装可分为引脚插入型（PTH）和表面贴装型（SMT）两大类。PTH器件的引脚为细针状或薄板状金属，以供插入底座或电路板的导孔中进行焊接固定；SMT器件则先粘贴于电路板上再以焊接固定，它具有海鸥翅型、钩型、直柄型的金属引脚，或电极凸块引脚（也称为无引脚化器件）。
依据引脚分布形态区分，封装元器件有单边引脚、双边引脚、四边引脚与底部引脚等4种。常见的单边引脚有单列式封装（SIP）与交叉引脚式封装（ZIP）；双边引脚元器件有双列式封装（DIP）、小型化封装（SOP）等；四边引脚有四边扁平封装（QFP）、底部引脚有金属罐式（MCP）与点阵列式封装（PGA）。
由于产品小型化以及功能提升的需求和工艺技术的进步，封装的形式和内部结构也有许多不同的变化。
7、微电子封装的材料
微电子封装所使用的材料包括金属、陶瓷、玻璃、高分子等，金属主要为电热传导材料，陶瓷与玻璃为陶瓷封装基板的主要成分，玻璃同时为重要的密封材料，塑料封装利用高分子树脂进行元器件与外壳的密封，高分子材料也是许多封装工艺的重要添加物。材料的使用与选择是由封装的电热性质、可靠性、技术与工艺、成本价格的需求有关。
二、 微电子封装的技术要求
随着微电子产业的迅速发展，微电子封装技术也不断的发展与进步。
1、小型化
微电子封装技术朝着超小型化的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超小型化封装形式，即晶圆级封装技术（WLP）。而低成本、高质量、短交货期、外形尺寸符合国际标准都是小型化的必需的条件。
2、适应高发热
由于微电子封装的热阻会因为尺寸的缩小而增大，电子机器的使用环境复杂，因而必须解决封装的散热。尤其是在高温条件下，必须保证长期工作的稳定性和可靠性。
3、高密集度
由于元器件的集成度越来越高，要求微电子封装的管脚数越来越多，管脚间的间距越来越小。
4、适应多引脚
外引线越来越多是微电子封装的一大特点，当然也是难点，因为引脚间距不可能无限小，再流焊时焊料难以稳定供给，故障率很高。而多引脚封装是今后的主流，所以在微电子封装的技术要求上应尽量适应多引脚。
三、 微电子封装在国内的发展现状
过去，整个中国国内半导体产业基础十分薄弱，但是附加价值相对较低的封装测试却是整个半导体产业链最强的一环，占了国内半导体产业值59%以上，之所以会有这个现象产生，是因为在半导体产业链中，封装测试对资金需求和技术门槛较低，且人力需求比较高，而国内拥有充沛和低廉的劳动资源所致，但这与国际上先进封装测试技术水平仍有相当差距。[!--empirenews.page--]
据有关报告称，2003年我国微电子封装测试企业实现销售收入246亿元，同比增长23.3%，占整个微电子产业链销售收入的70%，已成为微电子产业快速发展中的新亮点。产能上迅速提升满足了市场的要求，也实现了产量的增长，如长电科技(600584,股吧)股份、南通富士通、四川安森美、华润安盛、上海金朋、安靠、浙江华越等公司都在产量销售收入利润上获得了历史佳绩。
从调查资料分析，国内微电子封装正处于一个快速的发展阶段。各种股份制企业、中外合资、外商独资、民营企业正如雨后春笋般地涌现。其主要集
中在长三角，其次为珠三角、京津环渤海地区。然而，根据中国半导体产业协会资料显示，现阶段国内从事分立器件及微电子封装测试的厂商约有210家，其中从事微电子封装的厂商超过100家，但实际上有一定水准封装测试技术，且年封装量超过1亿颗的不到20家，预计未来3年内，若台资企业能够顺利排除法规限制且产能放量，国内将会出现激烈的杀戮淘汰赛或并购情形。
国内微电子封装测试产业可以细分为三阶段。
1995年前，国内的封装测试绝大部分是依附本土组件制造商，如上海先进、贝岭、无锡华晶及首钢NEC等，及部分由合资方式或其他方式合作的外商，如深圳赛意法微电子、现代电子（现已被金朋并购），但投资范围主要以PDIP、PQFP和TSOP为主。
但是1995年起，国内出现了第一家专业封装代工厂（即阿法泰克），紧接着，由于得到国家政策对发展IC产业的支持，英特尔、超微、三星电子和摩托罗拉等国际大厂整合组件制造商扩大投资，纷纷以1亿美元以上的投资规模进驻到中国国内。
2000年后，中芯、宏力、和舰及台积电等晶圆代工厂陆续成立，新产能的开出和相续扩产，对于后段封装产能的需求更为迫切，使得专业封测厂为争夺订单，也跟着陆续进驻到晶圆厂周围，如威宇科技、华虹NEC提供BGA/CSP及其他高阶的封装服务、中芯与金朋建立互不排除联盟。
因为晶圆制造开始往高阶技术推进，对于封装工艺的要求也开始转向高阶产品，这也将会带动中国国内封测产业在质量上进一步向上提升。
四、 微电子封装的关键技术
发展微电子封装技术，旨在使系统向小型化、高性能、高可靠性和低成本目标努力，从技术发展观点来看，作为微电子封装的关键技术主要有：TCP、BGA、FCT、CSP、MCM和三维封装。
1、带载封装
带载封装（TCP），是在形成连接布线的带状绝缘带上搭载LSI裸芯片，并与引线连接的封装。与QFP相比，TCP的引线间距可以做得更窄，而且外形可以做得更薄，因此，TCP是比QFP更薄型的高密度封装，它在PCB板上占据很小的面积，可以用于高I/O数的ASIC和微处理器。
2、栅阵列封装
栅阵列封装（BGA），是表面安装型封装的一种，在印刷电路基板的背面，二维阵列布置球形焊盘，而不采用引线针脚。在印刷电路板的正面搭载LSE芯片，用模注和浇注树脂封接，可超过200针，属于多针的LSI用封装。封装体的大小也比QFP小。而且BGA不像QFP，不用担心引线的变形。
3、倒装芯片技术
倒装芯片技术（FCT），是将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点来实现芯片与衬底的互连。这种方式能提供更高的I/O密度。它的主要优点是：外形减小尺寸。提高电性能。高的I/O密度。良好散热性。改善疲劳寿命，提高可靠性。裸芯片的可测试性。
4、芯片规模封装
芯片规模封装（CSP），主要有适用于储存器的少引脚CSP和适用于ASCI的多引脚CSP，具体为芯片上引线（LOC）、微型球栅阵列（MBA）和面阵列（LGA）。它的主要优点是：容易测定和老化，易于一次回流焊接等安装以及操作简便。
5、多芯片模式
多芯片模式（MCM），是指多个半导体裸芯片表面安装在同一块布线基板上。按基板材料不同，分为MCM-L、MCM-C、MCM-D三大类。
MCM-L是指用通常玻璃、环氧树脂制作多层印刷电路基板的模式。布线密度高而价格较低。
MCM-C通过厚膜技术形成多层布线陶瓷，滨海高以此作为基板。布线密度比MCM-L高。
MCM-D通过薄膜技术形成多层布线陶瓷或者直接采用Si、Al作为基板，布线密度最高，价格也高。
6、三维（3D）封装
三维封装，即是向空间发展的微电子组装的高密度化。它不但使用组装密度更高，也使其功能更多、传输速度更高、功耗更低、性能及可靠性更好等。
五、 微电子封装的发展趋势
21世纪的微电子封装概念已从传统的面向器件转为面向系统，即在封装的信号传递、支持载体、热传导、芯片保护等传统功能的基础上进一步扩展，利用薄膜、厚膜工艺以及嵌入工艺将系统的信号传输电路及大部分有源、无源元件进行集成，并与芯片的高密度封装和元器件外贴工艺相结合，从而实现对系统的封装集成，达到最高密度的封装。
在近期内，BGA技术将以其性能和价格的优势以最快增长速度作为封装的主流技术继续向前发展；CSP技术有着很好的前景，随着其成本的逐步降低将广泛用于快速存储器、逻辑电路和ASIC等器件在各类产品中的封装；在今后不断的封装中，FCT技术将作为一种基本的主流封装技术渗透于各种不同的封装形式中；随着便携式电子设备市场的迅速扩大，适用于高速、高性能的MCM发展速度相当惊人；三维封装是发展前景最佳的封装技术，随着其工艺的进一步成熟，它将成为应用最广泛的封装技术。
综上所述，从器件的发展水平看，今后封装技术的发展趋势为：单芯片向多芯片发展；平面型封装向立体封装发展；独立芯片封装向系统集成封装发展。
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