(1．中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2．中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050002)
摘 要： 本文綜述了電子封裝技術(shù)的最新進展。

關(guān)鍵詞： 電子；封裝；進展

中圖分類號：305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

隨著信息時代的到來，電子工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，計算機、移動電話等產(chǎn)品的迅速普及，使得電子產(chǎn)業(yè)成為最引人注目和最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動了與之密切相關(guān)的電子封裝業(yè)的發(fā)展，其重要性越來越突出。電子封裝已從早期的為芯片提供機械支撐、保護和電熱連接功能，逐漸融人到芯片制造技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)之中。電子工業(yè)的發(fā)展離不開電子封裝的發(fā)展，20世紀(jì)最后二十年，隨著微電子、光電子工業(yè)的巨變，為封裝技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了許多機遇和挑戰(zhàn)，各種先進的封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如BGA、CSP、FCIP、WLP、MCM、SIP等，市場份額不斷增加，2000年已達(dá)208億美元，電子封裝技術(shù)已經(jīng)成為20世紀(jì)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。隨著21世紀(jì)納米電子時代的到來，電子封裝技術(shù)必將面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也孕育著更大的發(fā)展。

2電子封裝技術(shù)的發(fā)展階段

電子封裝技術(shù)的發(fā)展是伴隨著器件的發(fā)展而發(fā)展起來的，一代器件需要一代封裝，它的發(fā)展史應(yīng)當(dāng)是器件性能不斷提高、系統(tǒng)不斷小型化的歷史，以集成電路所需的微電子封裝為例，其大致可分為以下幾個發(fā)展階段：

第一個階段為80年代之前的通孑L安裝(THD)時代，通孔安裝時代以TO型封裝和雙列直插封裝為代表，IC的功能數(shù)不高，弓td卻數(shù)較小(小于64)，板的裝配密度的增加并不重要，封裝可由工人用手插入PCB板的通孔中，引線節(jié)距固定，引線數(shù)的增加將意味著封裝尺寸的增大，封裝的最大安裝密度是10腳／cm'，隨著新的封裝形式的不斷涌現(xiàn)，這類封裝將加速萎縮，預(yù)計其市場份額將從2000年的15％降到2005年的7％。

第二階段是80年代的表面安裝器件時代，表面安裝器件時代的代表是小外形封裝(SOP)和扁平封裝(QFP)，他們大大提高了管腳數(shù)和組裝密度，是封裝技術(shù)的一次革命，正是這類封裝技術(shù)支撐著日本半導(dǎo)體工業(yè)的繁榮，當(dāng)時的封裝技術(shù)也由日本主宰，因此周邊引線的節(jié)距為公制(1.0、0.8、0.65、0.5、0.4mm)，并且確定了80％的收縮原則，這些封裝的設(shè)計概念與DIP不同，其封裝體的尺寸固定而周邊的引線節(jié)距根據(jù)需要而變化，這樣也提高了生產(chǎn)率，最大引線數(shù)達(dá)到300，安裝密度達(dá)到10-50腳／cm'，此時也是金屬引線塑料封裝的黃金時代。

第三個階段是90年代的焊球陣列封裝(BGA)／芯片尺寸封裝(CSP)時代，日本的半導(dǎo)體工業(yè)在80年代一直領(lǐng)先于美國，而90年代美國超過了日本，占據(jù)了封裝技術(shù)的主導(dǎo)地位，他們加寬了引線節(jié)距并采用了底部安裝引線的BGA封裝，BGA的引線節(jié)距主要有1.5mm和1.27mm兩種，引線節(jié)距的擴大極大地促進了安裝技術(shù)的進步和生產(chǎn)效率的提高，BGA封裝的安裝密度大約是40-60腳／cm2，隨后日本將BGA的概念用于CSP，開發(fā)了引線節(jié)距更小的CSP封裝，其引線節(jié)距可小到1.0mm以下，CSP封裝進一步減少了產(chǎn)品的尺寸和重量，提高了產(chǎn)品的競爭力，隨著CSP在日本的大批量生產(chǎn)，BGA時代也就慢慢地過渡到了BGA／CSP時代。

封裝業(yè)界普遍預(yù)測21世紀(jì)的頭十年將迎來微電子封裝技術(shù)的第四個發(fā)展階段3D疊層封裝時代--其代表性的產(chǎn)品將是系統(tǒng)級封裝(SIP:systemin a package)，它在封裝觀念上發(fā)生了革命性的變化，從原來的封裝元件概念演變成封裝系統(tǒng)，SIP實際上就是一系統(tǒng)基的多芯片封裝(systemMCP)，它是將多個芯片和可能的無源元件集成在同一封裝內(nèi)，形成具有系統(tǒng)功能的模塊，因而可以實現(xiàn)較高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的靈活性，與第一代封裝相比，封裝效率提高60-80％，使電子設(shè)備減小1000倍，性能提高10倍，成本降低90％，可靠性增加10倍。

3電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

電子器件的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等要求將繼續(xù)推動著電子封裝技術(shù)向著更高的性能發(fā)展，縱觀近幾年的電子封裝產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展趨勢如下：

●電子封裝技術(shù)繼續(xù)朝著超高密度的方向發(fā)展，出現(xiàn)了三維封裝、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的封裝形式。

●電子封裝技術(shù)繼續(xù)朝著超小型的方向發(fā)展，出現(xiàn)了與芯片尺寸大小相同的超小型封裝形式--圓晶級封裝技術(shù)(WLP)。

●電子封裝技術(shù)從二維向三維方向發(fā)展，不僅出現(xiàn)3D-MCM，也出現(xiàn)了3D-SIP等封裝形式。

●電子封裝技術(shù)繼續(xù)從單芯片向多芯片發(fā)展，除了多芯片模塊(MCM)外還有多芯片封裝(MCP)、系統(tǒng)級封裝(SIP)及疊層封裝等。

●電子封裝技術(shù)從分立向系統(tǒng)方向發(fā)展，出現(xiàn)了面向系統(tǒng)的SOC(片上系統(tǒng))、SOP和SIP等封裝形式。

●電子封裝技術(shù)繼續(xù)向高性能、多功能方向發(fā)展，高頻、大功率、高性能仍然是發(fā)展的主題。

●電子封裝技術(shù)向高度集成方向發(fā)展，出現(xiàn)了板級集成、片級集成和封裝集成等多種高集成方式。

4電子封裝的最新進展

在過去的40年，電子封裝技術(shù)在封裝材料、封裝技術(shù)、封裝性能以及封裝的應(yīng)用等方面均取得了巨大的進步，封裝效率成幾何倍數(shù)增長(硅片面積與封裝面積的比值)，PGA的封裝效率小于10％，BGA是20％，CSP的封裝效率大于80％，MCM的封裝效率可達(dá)90％，在最近幾年，隨著新的封裝技術(shù)的出現(xiàn)，封裝效率可超過100％，五芯片疊層封裝的封裝效率可達(dá)300％。電子封裝技術(shù)已經(jīng)成為電子領(lǐng)域的一顆明珠，電子封裝技術(shù)的最新進展如下：

4．1 封裝新材料

4．1．1 低溫共燒陶瓷材料(LTCC)--未來的陶瓷封裝

所謂的LTCC是與HTCC(高溫共燒陶瓷)相對應(yīng)的一類封裝材料，它主要是由一些玻璃陶瓷組成，燒結(jié)溫度低(900℃左右)，可與賤金屬共燒，介電常數(shù)低、介電損耗小、可以無源集成等，尤其是其特別優(yōu)良的高頻性能，使其成為許多高頻應(yīng)用的理想材料，該技術(shù)開始于80年代中期，經(jīng)過十幾年的開發(fā)和應(yīng)用、已經(jīng)日臻成熟和完善，并在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在軍事、航天、航空、電子、計算機、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，LTCC技術(shù)均獲得了極大的成功，有人稱LTCC代表著未來陶瓷封裝的發(fā)展方向。

4.1.2高導(dǎo)熱率氮化鋁陶瓷材料--未來的高功率電子封裝材料

氮化鋁陶瓷材料是90年代才發(fā)展起來的一種新型高熱導(dǎo)率電子封裝材料，由于其熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)與硅相匹配、介電常數(shù)低、高絕緣，而成為最為理想的微電子封裝材料，目前已經(jīng)在微波功率器件、毫米波封裝、高溫電子封裝等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，隨著氮化鋁制備技術(shù)的不斷完善和價格的進一步降低，氮化鋁陶瓷封裝必將得到更大的發(fā)展，成為未來功率電子封裝的主流。

4．1．3 AISiC材料--新型的金屬基復(fù)合材料

AISiC金屬基復(fù)合材料為封裝的設(shè)計者提供了一套獨特的材料特性，可用于高性能高級熱處理的封裝設(shè)計，總的來說與傳統(tǒng)的封裝材料相比，A1SiC具有以下特性，第一是該材料可以凈尺寸加工，避免了繁雜的后加工處理，第二是該材料具有高的熱導(dǎo)率，與半導(dǎo)體芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)以及非常低的密度，A1SiC復(fù)合材料將是一種新的高性能金屬基復(fù)合材料，在不遠(yuǎn)的將來它將替代目前使用的CuW、CuMo材料，成為重要的電子封裝熱沉材料。

4．2電子封裝技術(shù)的進展

4．2．1 當(dāng)前的封裝技術(shù)

(1)BGA封裝

BGA封裝技術(shù)的出現(xiàn)是封裝技術(shù)的一大突破，它是近幾年來推動封裝市場的強有力的技術(shù)之一，BGA封裝一改傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)，將引線從封裝基板的底部以陣列球的方式引出，這樣不僅可以安排更多的I／O，而且大大提高了封裝密度，改進了電性能，如果它再采用MCM(多芯片模塊)封裝或倒裝片技術(shù)，有望進一步提高產(chǎn)品的速度和降低復(fù)雜性。

BGA封裝2005年的市場將達(dá)25億塊，2000-2005年之間的平均市場增長率為20％，增長速率低于CSP。BGA與CSP不同，其產(chǎn)品中82％采用的是硬質(zhì)基板，軟質(zhì)基板的量還不足5％。

(2)封裝倒裝片(FCIP)

倒裝片技術(shù)是一種先進的非常有前途的集成電路封裝技術(shù)，它分為封裝倒裝片(FCIP)和板上倒裝片(FCOB)兩種，封裝倒裝片是一種由IBM公司最先使用的先進封裝技術(shù)，它是利用倒裝技術(shù)將芯片直接裝入一個封裝體內(nèi)，倒裝片封裝可以是單芯片也可以是多芯片形式，倒裝片的發(fā)展歷史已將近40年，它的突出優(yōu)點是體積小和重量輕，在手持或移動電子產(chǎn)品中使用廣泛。

由于顯示器驅(qū)動器市場的不斷壯大，推動著倒裝片封裝技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計倒裝片封裝的數(shù)量將會增大，到2005年將會達(dá)到40-45億塊。

(3)多芯片模塊(MCM)

MCM是90年代興起的一種混合微電子組裝技術(shù)，它是在高密度多層布線基板上，將若干裸芯片IC組裝和互連，構(gòu)成更復(fù)雜的或具有子系統(tǒng)功能的高級電子組件，MCM的基本結(jié)構(gòu)主要有三種：MCM-L、MCM-C、MCM-D，現(xiàn)在已出現(xiàn)了將這些技術(shù)組合在一起的趨勢如MCM-C／D、MCM-L／D、MCM-E／F、MCM-L／D等，MCM的主要特點是布線密度高，互連線短、體積小、重量輕和性能高等，MCM技術(shù)自問世以來就受到了世界各國的廣泛重視，并被列為美國十大軍用高技術(shù)之一，目前MCM已被廣泛用于計算機、通信、軍事、航空和航天等領(lǐng)域，隨著其KGD主要障礙的突破，其應(yīng)用范圍和數(shù)量都將進一步擴大，預(yù)計世界MCM的平均年增長率超過35％，2000年已達(dá)200億美元。

(4)CSP封裝

CSP封裝是BGA封裝進一步小型化、薄型化的結(jié)果，是90年代推出的一種新的超小型封裝技術(shù)，它主要是指封裝面積不大于芯片尺寸1.2倍的封裝，其特點是尺寸小、成本低、功耗低等，目前CSP已有上百個品種，CSP之所以受到極大的關(guān)注是由于它能提供比BGA更高的組裝密度，雖然它的組裝密度還不如FCIP，但其工藝簡單，基本和SMT相同，CSP是最終的超小型封裝，它給高性能、低成本、微型化的高密度封裝帶來了希望，并解決了KGD的供給難題。

目前，CSP正在向手機市場進軍，2000年CSP的世界市場為14．5億塊，超過了BGA(10．2億塊)，預(yù)計2005年CSP將達(dá)68億塊，5年間的年平均增長率達(dá)36％。

4．2．2 未來的封裝技術(shù)

(1)圓片級封裝(WLP)技術(shù)

圓片級封裝和圓片級芯片尺寸封裝(WLCSP)是同一概念，它是芯片尺寸封裝的一個突破性進展，表示的是一類電路封裝完成后仍以圓片形式存在的封裝，其流行的主要原因是它可將封裝尺寸減至和IC芯片一樣大小以及其加工的低成本，圓片級封裝目前正以驚人的速度增長，預(yù)計到2005年，其平均年增長率(CAGR)可達(dá)210％，拉動這種增長的器件主要是集成電路、無源元件、高性能存儲器和較少引腳數(shù)的器件。

(2)疊層封裝

目前，疊層封裝在整個IC封裝市場上僅占很小的一部分，但是其在某些產(chǎn)品中的市場增長率卻相當(dāng)?shù)目?，使之躋身于先進封裝的市場之中，疊層封裝是指在一個芯腔／基板上將多個芯片豎直堆疊起來，進行芯片與芯片或芯片與封裝之間的互連，大部分的疊層封裝是兩個或兩個以上的芯片相疊，也有一些廠家生產(chǎn)了一些更多芯片疊加的產(chǎn)品。Sharp公司是疊層封裝技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)，疊層封裝的產(chǎn)值1999年為1．54億美元，2000年為2．82億美元，預(yù)計到2004年將達(dá)到9．64億美元。

(3)系統(tǒng)級封裝(SIP)技術(shù)

系統(tǒng)級封裝技術(shù)是在系統(tǒng)級芯片(SOC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)，系統(tǒng)級芯片是指將系統(tǒng)功能進行單片集成的電路芯片，該芯片加以封裝就形式一個系統(tǒng)基的器件。SOC對人們來說既是一種追求也是一種挑戰(zhàn)，許多時候人們預(yù)期的電路密度和尺寸目標(biāo)用SOC很難實現(xiàn)或代價太大，因此人們想到了系統(tǒng)集成的另一種選擇，系統(tǒng)級封裝(SIP，systeminapackage)，系統(tǒng)級封裝是指將多個半導(dǎo)體裸芯片和可能的無源元件構(gòu)成的高性能系統(tǒng)集成于一個封裝內(nèi)，形成一個功能性器件，因此可以實現(xiàn)較高的性能密度、集成較大的無源元件，最有效的使用芯片組合，縮短交貨周期，SIP封裝還可大大減少開發(fā)時間和節(jié)約成本，具有明顯的靈活性和適應(yīng)性，基于系統(tǒng)級設(shè)計的SIP符合了未來的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景，因此人們對其寄予厚望，并將其視為下一代封裝的代表性產(chǎn)品，目前SIP的市場增長很快(盡管其市場占有率還很小)，預(yù)計到2007年全世界SIP的收入將達(dá)到7．48億美元。

5 電子封裝技術(shù)發(fā)展的新領(lǐng)域

5．1 MEMS封裝

最近二十年，MEMS加工技術(shù)在速度和多領(lǐng)域、多用途方面確實令人嘆服，廣義上講，一個微型系統(tǒng)包括微電子機械系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換和處理單元以及電氣機械封裝等，過去幾年，MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展使其在汽車、醫(yī)療、通信、及其他消費類電子中獲得了廣泛的應(yīng)用，據(jù)預(yù)計，將來的MEMS市場的增長將更快，但是MEMS產(chǎn)品繼續(xù)發(fā)展的瓶頸主要是其封裝技術(shù)，如同其他半導(dǎo)體器件一樣，MEMS器件也需要專用的封裝來提供環(huán)境保護、電信號連接、機械支撐和散熱，另外MEMS封裝還要讓精細(xì)的芯片或執(zhí)行元件與工作媒體直接接觸，而這些媒體對芯片材料常常是非常有害的，還有許多MEMS的使用要求封裝內(nèi)是惰性或真空氣氛。MEMS封裝之所以復(fù)雜的另一個原因是幾乎所有的微系統(tǒng)封裝都包含了復(fù)雜而微小的三維結(jié)構(gòu)，目前許多單芯片陶瓷、模塑、芯片尺寸、晶圓級封裝都已成功用于MEMS，而MEMS多芯片封裝和三維封裝技術(shù)都在開發(fā)之中。

5.2光電子(OE)封裝

當(dāng)電子工業(yè)的許多方面開始出現(xiàn)下滑的時候, 一個新的領(lǐng)域--光電子產(chǎn)業(yè)已顯露出新的亮點，光學(xué)通訊市場的增長對EMS供應(yīng)商提供了新的機遇和挑戰(zhàn)。光電子器件是光學(xué)元件和電子電路相結(jié)合的一類器件，它包括有源元件、無源元件以及構(gòu)成光通路的互連，光電子封裝就是將這些光電元件與原來的電子封裝集成起來，形成一個新的模塊，這個模塊可以看成是一個特殊的多芯片模塊，其I/O數(shù)很低、芯片尺寸很小。光電子封裝的一個主要問題是高的數(shù)字速度和低的光信號轉(zhuǎn)化率，另一個主要問題是光功能件的集成。對于光電封裝來講，對材料性能的理解非常必要，光電封裝可能在封裝中包含復(fù)雜基板，另外光電封裝還需要復(fù)雜的設(shè)計系統(tǒng)，它必須包含系統(tǒng)所需的光、電、熱、機的設(shè)計能力，尤其是熱設(shè)計，這是由于光電器件可能對工作參數(shù)敏感，如波長，實際上為了使光元件能工作在一特定的波長下常對其進行溫度調(diào)節(jié)，這就需要在封裝內(nèi)有一致冷器，并具有適當(dāng)?shù)纳峁δ埽瑢淼墓怆娖骷庋b密度更高，工作速度更快，這更加重了光電封裝的熱問題，因此光電子封裝在光電子工業(yè)中相當(dāng)?shù)闹匾?/P>

5．3 寬禁帶半導(dǎo)體高溫電子封裝

近年來以高溫半導(dǎo)體材料--SiC、GaN、A1N和半導(dǎo)體金剛石為代表的寬帶隙半導(dǎo)體器件的研究開發(fā)引人注目，它們具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、載流子遷移率高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強等特點，而被人們譽為是繼Si、GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料。在高溫、高功率、高頻電子領(lǐng)域和短波長光電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，這類器件大都工作在高溫的惡劣環(huán)境之中，他們需要特殊的封裝，過去人們對高溫器件的封裝注意很少，但隨著高溫電子的不斷發(fā)展(如GaN高溫器件，其工作溫度可達(dá)600℃以上)，人們越來越發(fā)現(xiàn)封裝的重要性，常規(guī)的電子封裝材料如玻璃環(huán)氧電路板，鍍銅線和鉛錫焊料等已完全不能適用，甚至標(biāo)準(zhǔn)的氧化鋁陶瓷封裝也不能用于300012以上，迫切需要新的封裝材料和技術(shù)。高溫電子封裝的關(guān)鍵并非尋找能夠在高溫下生存的材料，而是尋找與裝配技術(shù)相容的材料。在高溫電子中材料的不相容性變得非常重要，如熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、氧化性和擴散等因素已成為高溫電子的關(guān)鍵，并且在材料選擇中起重要作用。目前最理想的高溫封裝材料是氮化鋁材料，但還需解決與之相適應(yīng)的高溫金屬化和氣密性封接等問題。

5．4毫米波封裝

近幾年無線通信市場發(fā)生了爆炸性的發(fā)展，導(dǎo)致其應(yīng)用快速向毫米波方向進展，這些毫米波應(yīng)用包括LMDS(28GHz)，WLAN(60GHz)和汽車防撞雷達(dá)(77GHz)等，這些應(yīng)用的發(fā)展急需低成本、小型化和大體積的毫米波封裝，在目前情況下，限制這些無線零部件使用頻率的原因，往往不在集成電路芯片的本身，而在于其封裝的寄生參數(shù)，封裝的這些寄生參數(shù)(包括物理的、分布的和電磁場的等方面)嚴(yán)重?fù)p害了器件的頻率響應(yīng)，破壞了信號的完整性，在這種情況下，實際上封裝才是限制傳輸速度發(fā)揮的真正禍根。工作頻率越高，封裝的這種影響越大。

5．5微光電子機械系統(tǒng)(MOEMS)封裝

微光學(xué)電子機械系統(tǒng)是一種新型的技術(shù)，它內(nèi)含微機械光調(diào)制器、微機械光學(xué)開關(guān)、IC及其它構(gòu)件，它是將MEMS技術(shù)引進到OE中的新應(yīng)用，充分利用了MEMS技術(shù)的小型化、多重化、微電子性，實現(xiàn)了光器件與電器件的無縫集成，最近，光MEMS器件在通訊工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注--尤其是光網(wǎng)絡(luò)和光開關(guān)領(lǐng)域，由于光MEMS是一種依賴于高度精密的光、電和機械來工作的微系統(tǒng)，這些器件對封裝有一些特殊的要求，不僅要求光MEMS封裝能提供光、電的通路，而且要能提供氣密性、機械強度、尺寸穩(wěn)定性和長期的可靠性等，不斷增加的I／O數(shù)也需要高密度的基板和封裝，而且不同的應(yīng)用需要不同的封裝，封裝占總成本的75-95％。封裝已成為MOEMS制作的關(guān)鍵。

6結(jié)束語

20世紀(jì)的電子封裝業(yè)經(jīng)歷了史無前例的變革，從70年代的通孑L插裝到目前的三維系統(tǒng)封裝，一代一代不斷向前，它對軍事電子裝備乃至整個人類的生活均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在進入21世紀(jì)的今天，隨著電子工業(yè)的進一步發(fā)展，人們必將迎來電子封裝技術(shù)的第四次發(fā)展浪潮--系統(tǒng)級封裝。電子封裝技術(shù)不僅面臨著更大的機遇和挑戰(zhàn)，也孕育著更為廣闊的發(fā)展空間。