直流電源元器件封裝技術
2017-6-2 9:54:34??????點擊：
電子直流電源器件封裝是集成直流電源電路設計芯片生產完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統的橋梁。直流電源器件封裝這一生產環節對直流電源微電子產品的質量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為，在直流電源微電子器件的總體成本中，設計占了三分之一，芯片生產占了三分之一，而直流電源器件封裝和測試也占了三分之一，真可謂三分天下有其一。
直流電源器件封裝研究在全球范圍的發展是如此迅猛，而它所面臨的挑戰和機遇也是自電子產品問世以來所從未遇到過的；直流電源器件封裝所涉及的問題之多之廣，也是其它許多領域中少見的，它是從材料到工藝、從無機到聚合物、從大型生產設備到計算力學等一門綜合性非常強的新型高科技學科。
什么是直流電源器件封裝
直流電源器件封裝最初的定義是保護直流電源電路設計芯片免受周圍環境的影響（包括物理、化學的影響）。
芯片直流電源器件封裝是利用（膜技術）及（微細加工技術），將芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質灌封固定，構成整體結構的工藝。
電子直流電源器件封裝工程是將基板、芯片直流電源器件封裝體和分立器件等要素，按電子整機要求進行連接和裝配，實現一定電氣、物理性能，轉變為具有整機或系統形式的整機裝置或設備。
集成直流電源電路設計直流電源器件封裝能保護芯片不受或者少受外界環境的影響，并為之提供一個良好的工作條件，以使集成直流電源電路設計具有穩定、正常的功能。
芯片直流電源器件封裝能實現直流電源分配；信號分配；散熱通道；機械支撐；環境保護。
直流電源器件封裝技術的層次：
第一層次，又稱為芯片層次的直流電源器件封裝，是指把集成直流電源電路設計芯片與直流電源器件封裝基板或引腳架之間的粘貼固定直流電源電路設計連線與直流電源器件封裝保護的工藝，使之成為易于取放輸送，并可與下一層次的組裝進行連接的模塊元件。
第二層次，將數個第一層次完成的直流電源器件封裝與其他電子元器件組成一個電子卡的工藝。
第三層次，將數個第二層次完成的直流電源器件封裝組成的直流電源電路設計卡組合成在一個主直流電源電路設計版上使之成為一個部件或子系統的工藝。
第四層次，將數個子系統組裝成為一個完整電子廠品的工藝過程。
他們依次是芯片互連級（零級直流電源器件封裝）、一級直流電源器件封裝（多芯片組件）、二級直流電源器件封裝（PWB或卡）三級直流電源器件封裝（母板）。
直流電源器件封裝的分類
按照直流電源器件封裝中組合集成直流電源電路設計芯片的數目，芯片直流電源器件封裝可分為：單芯片直流電源器件封裝與多芯片直流電源器件封裝兩大類；
按照密封的材料區分，可分為高分子材料和陶瓷為主的種類；
按照器件與直流電源電路設計板互連方式，直流電源器件封裝可區分為引腳插入型和表面貼裝型兩大類；
按照引腳分布形態區分，直流電源器件封裝元器件有單邊引腳，雙邊引腳，四邊引腳，底部引腳四種。
常見的單邊引腳有單列式直流電源器件封裝與交叉引腳式直流電源器件封裝；
雙邊引腳元器件有雙列式直流電源器件封裝小型化直流電源器件封裝；
四邊引腳有四邊扁平直流電源器件封裝；
底部引腳有金屬罐式與點陣列式直流電源器件封裝。
直流電源器件封裝的名詞解釋
SIP：單列式直流電源器件封裝 SQP：小型化直流電源器件封裝 MCP：金屬鑵式直流電源器件封裝
DIP：雙列式直流電源器件封裝 CSP：芯片尺寸直流電源器件封裝 QFP：四邊扁平直流電源器件封裝
PGA：點陣式直流電源器件封裝 BGA：球柵陣列式直流電源器件封裝 LCCC：無引線陶瓷芯片載體
直流電源器件封裝技術的發展階段
半導體行業對芯片直流電源器件封裝技術水平的劃分存在不同的標準，目前國內比較通行的標準是采取直流電源器件封裝芯片與基板的連接方式來劃分，總體來講，集成直流電源電路設計直流電源器件封裝直流電源器件封裝技術的發展可分為四個階段：
第一階段：20世紀80年代以前（插孔原件時代）。
直流電源器件封裝的主要技術是針腳插裝（PTH），其特點是插孔安裝到PCB上，主要形式有SIP、DIP、PGA，它們的不足之處是密度、頻率難以提高，難以滿足高效自動化生產的要求。
第二階段：20世紀80年代中期（表面貼裝時代）。
表面貼裝直流電源器件封裝的主要特點是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節距為1.27到0.4mm，適合于3-300條引線，表面貼裝技術改變了傳統的PTH插裝形式，通過細微的引線將集成直流電源電路設計貼裝到PCB板上。主要形式為SOP（小外型直流電源器件封裝）、PLCC（塑料有引線片式載體）、PQFP（塑料四邊引線扁平直流電源器件封裝）、J型引線QFJ和SOJ、LCCC（無引線陶瓷芯片載體）等。
它們的主要優點是引線細、短，間距小，直流電源器件封裝密度提高；電氣性能提高；體積小，重量輕；易于自動化生產。它們所存在的不足之處是在直流電源器件封裝密度、I/O數以及直流電源電路設計頻率方面還是難以滿足ASIC、微處理器發展的需要。
第三階段：20世紀90年代出現了第二次飛躍，進入了面積陣列直流電源器件封裝時代。
該階段主要的直流電源器件封裝形式有焊球陣列直流電源器件封裝（BGA）、芯片尺寸直流電源器件封裝（CSP）、無引線四邊扁平直流電源器件封裝（PQFN）、多芯片組件（MCM）。BGA技術使得在直流電源器件封裝中占有較大體積和重量的管腳被焊球所替代，芯片與系統之間的連接距離大大縮短，BGA技術的成功開發，使得一直滯后于芯片發展的直流電源器件封裝終于跟上芯片發展的步伐。CSP技術解決了長期存在的芯片小而直流電源器件封裝大的根本矛盾，引發了一場集成直流電源電路設計直流電源器件封裝技術的革命。
第四階段：進入21世紀，迎來了直流電源微電子直流電源器件封裝技術堆疊式直流電源器件封裝時代，它在直流電源器件封裝觀念上發生了革命性的變化，從原來的直流電源器件封裝元件概念演變成直流電源器件封裝系統。
目前，以全球半導體直流電源器件封裝的主流正處在第三階段的成熟期，PQFN和BGA等主要直流電源器件封裝技術進行大規模生產，部分產品已開始在向第四階段發展。
微機電系統（MEMS）芯片就是采用堆疊式的三維直流電源器件封裝。
直流電源器件封裝工藝流程
1.直流電源器件封裝工藝流程 一般可以分為兩個部分，用塑料直流電源器件封裝之前的工藝步驟成為前段操作，在成型之后的工藝步驟成為后段操作
2.芯片直流電源器件封裝技術的基本工藝流程 硅片減薄 硅片切割 芯片貼裝，芯片互聯 成型技術 去飛邊毛刺 切筋成型 上焊錫打碼等工序
3.硅片的背面減薄技術主要有磨削，研磨，化學機械拋光，干式拋光，電化學腐蝕，濕法腐蝕，等離子增強化學腐蝕，常壓等離子腐蝕等
4.先劃片后減薄：在背面磨削之前將硅片正面切割出一定深度的切口，然后再進行背面磨削。
5.減薄劃片：在減薄之前，先用機械或化學的方式切割處切口，然后用磨削方法減薄到一定厚度之后采用ADPE腐蝕技術去除掉剩余加工量實現裸芯片的自動分離。
6.芯片貼裝的方式四種：共晶粘貼法，焊接粘貼法，導電膠粘貼法，和玻璃膠粘貼法。
共晶粘貼法：利用金-硅合金（一般是69%Au,31%的Si），363度時的共晶熔合反應使IC芯片粘貼固定。
7.為了獲得最佳的共晶貼裝所采取的方法，IC芯片背面通常先鍍上一層金的薄膜或在基板的芯片承載座上先植入預芯片
8.芯片互連常見的方法有，打線鍵合，載在自動鍵合（TAB）和倒裝芯片鍵合。
9.打線鍵合技術有，超聲波鍵合，熱壓鍵合，熱超聲波鍵合。
10.TAB的關鍵技術：1芯片凸點制作技術2TAB載帶制作技術3載帶引線與芯片凸點的內引線焊接和載帶外引線焊接技術。
11.凸點芯片的制作工藝，形成凸點的技術:蒸發/濺射涂點制作法，電鍍凸點制作法置球及模板印刷制作，焊料凸點發，化學鍍涂點制作法，打球凸點制作法，激光法。
12.塑料直流電源器件封裝的成型技術，1轉移成型技術，2噴射成型技術，3預成型技術但最主要的技術是轉移成型技術，轉移技術使用的材料一般為熱固性聚合物。
13.減薄后的芯片有如下優點：1、薄的芯片更有利于散熱；2、減小芯片直流電源器件封裝體積；3、提高機械性能、硅片減薄、其柔韌性越好，受外力沖擊引起的應力也越小；4、晶片的厚度越薄，元件之間的連線也越短，元件導通電阻將越低，信號延遲時間越短，從而實現更高的性能；5、減輕劃片加工量減薄以后再切割，可以減小劃片加工量，降低芯片崩片的發生率。
14. 波峰焊：波峰焊的工藝流程包括上助焊劑、預熱以及將PCB板在一個焊料波峰上通過，依靠表面張力和毛細管現象的共同作用將焊劑帶到PCB板和元器件引腳上，形成焊接點。
波峰焊是將熔融的液態焊料，借助于泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，裝了元器件的PCB置于傳送鏈上，經某一特定的角度以及一定的進入深度穿過焊料波峰而實現焊點的焊接過程。
再流焊：是通過預先在PCB焊接部位施放適量和適當形式的焊料，然后貼放表面組裝元器件，然后通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的焊膏，實現表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的一種成組或逐點焊接工藝。
15.打線鍵合（WB）：將細金屬線或金屬帶按順序打在芯片與引腳架或直流電源器件封裝基板的焊墊上形成直流電源電路設計互連。打線鍵合技術有超聲波鍵合、熱壓鍵合、熱超聲波鍵合。
載帶自動鍵合（TAB）：將芯片焊區與電子直流電源器件封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區用具有引線圖形金屬箔絲連接的技術工藝。
倒裝芯片鍵合（FCB）：芯片面朝下，芯片焊區與基板焊區直接互連的一種方法。
16. 芯片互連：將芯片焊區與電子直流電源器件封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區相連接，只有實現芯片與直流電源器件封裝結構的直流電源電路設計連接才能發揮已有的功能。
先進直流電源器件封裝技術SIP
隨著物聯網時代和全球終端電子產品漸漸走向多功能整合及低功耗設計，因而使得可將多顆裸晶整合在單一直流電源器件封裝中的SiP技術日益受到關注。除了既有的封測大廠積極擴大SiP制造產能外，晶圓代工業者與IC基板廠也競相投入此一技術，以滿足市場需求。
SIP的定義
根據國際半導體路線組織(ITRS)的定義： SiP 為將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如 MEMS 或者光學器件等其他器件優先組裝到一起，實現一定功能的單個標準直流電源器件封裝件，形成一個系統或者子系統。
因此，從架構上來講， SiP 是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個直流電源器件封裝內，從而實現一個基本完整的功能。
SOC的定義
將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中。藉由這個方法，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升芯片的計算速度。SoC稱為系統級芯片，也有稱片上系統,意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成直流電源電路設計，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。
隨著直流電源器件封裝技術持續演進，加上終端電子產品朝向輕薄短小趨勢，因此，對SiP需求亦逐漸提升。
SiP生產線須由基板、晶片、模組、直流電源器件封裝、測試、系統整合等生態系共同組成，才能夠順利發展。反之，若缺乏完整生態系，便難以推動SiP技術具體實現。
由于SiP技術可將多種晶片直流電源器件封裝于單一直流電源器件封裝體內而自成系統，因此具有高整合性與微型化特色，適合應用于體積小、多功能、低功耗等特性的電子產品。
以各種應用來看，若將原本各自獨立的直流電源器件封裝元件改成以SiP技術整合，便能縮小直流電源器件封裝體積以節省空間，并縮短元件間的連接線路而使電阻降低，提升電性效果，最終呈現微小直流電源器件封裝體取代大片直流電源電路設計載板的優勢，又仍可維持各別晶片原有功能。因此，高整合性與微型化特色，使SiP成為近年來直流電源器件封裝技術發展趨勢。
此外，因SiP是將相關直流電源電路設計以直流電源器件封裝體完整包覆，因此可增加直流電源電路設計載板的抗化學腐蝕與抗應力(Anti-stress)能力，可提高產品整體可靠性，對產品壽命亦能提升。
相較于SoC來說，SiP毋須進行新型態晶片設計與驗證，而是將現有不同功能的晶片，以直流電源器件封裝技術進行整合 。
大致上來說，現階段SiP常用的基本直流電源器件封裝技術，包括普遍應用于智慧型手機的Package on Package(PoP)技術，將邏輯IC與記憶體IC進行直流電源器件封裝體堆疊。將主動與被動元件內埋于基板的嵌入式技術(Embedded)，以及多晶片直流電源器件封裝(MCP)、多晶片模組(MCM)、Stacking Die、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等，也屬于SiP技術范疇。
智慧型手機扮演SiP成長驅動主力
與個人電腦時代相比，行動裝置產品對SiP的需求較為普遍 。就以智慧型手機來說，上網功能已是基本配備，因此與無線網路相關的Wi-Fi模組便會使用到SiP技術進行整合。
基于安全性與保密性考量所發展出的指紋辨識功能，其相關晶片直流電源器件封裝亦需要SiP協助整合與縮小空間，使得指紋辨識模組開始成為SiP廣泛應用的市場；另外，壓力觸控也是智慧型手機新興功能之一，內建的壓力觸控模組(Force Touch)更是需要SiP技術的協助。
除此之外，將應用處理器(AP)與記憶體進行整合的處理器模組，以及與感測相關的MEMS模組等，亦是SiP技術的應用范疇。
穿戴裝置/物聯網 驅動SiP需求上揚
全球終端電子產品的發展不斷地朝向輕薄短小、多功能、低功耗等趨勢邁進， SiP的成長潛力越來越大。2015年Apple Watch等穿戴式產品問世后，SiP技術擴及應用到穿戴式產品。
此外， 在萬物聯網的趨勢下，必然會串聯組合各種行動裝置、穿戴裝置、智慧交通、智慧醫療，以及智慧家庭等網路，多功能異質晶片整合預估將有龐大需求，低功耗也會是重要趨勢。
直流電源器件封裝技術作為信息產業的重要基礎在在產品中發揮著很大的作用。具體來說有直流電源器件封裝市場巨大，決定產品性能、可靠性、壽命、成本等。現代電子信息產業的競爭在某種意義上主要就是電子直流電源器件封裝業的競爭，它在一定程度上決定著現代工業化的水平。
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