3D封裝

由于電子整機和系統(tǒng)在航空、航天、計算機等領域對小型化、輕型化、薄型化等高密度組裝要求的不斷提高，在MCM的基礎上，對于有限的面積，電子組裝必然在二維組裝的基礎上向z方向發(fā)展，這就是所謂的三維(3D)封裝技術，這是今后相當長時間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)組裝的有效手段。實現(xiàn)3D封裝主要有三種方法。一種是埋置型，即將元器件埋置在基板多層布線內(nèi)或埋置、制作在基板內(nèi)部。電阻和電容一般可隨多層布線用厚、薄膜法埋置于多層基板中，而IC芯片一般要緊貼基板。還可以在基板上先開槽，將IC芯片嵌入，用環(huán)氧樹脂固定后與基板平面平齊，然后實施多層布線，最上層再安裝IC芯片，從而實現(xiàn)3D封裝。第二種方法是有源基板型，這是用硅圓片IC(WSI)作基板時，先將WSI用一般半導體IC制作方法作一次元器件集成化，這就成了有源基板。然后再實施多層布線，頂層仍安裝各種其他lC芯片或其他元器件，實現(xiàn)3D封裝。這一方法是人們最終追求并力求實現(xiàn)的一種3D封裝技術。第三種方法是疊層法，即將兩個或多個裸芯片或封裝芯片在垂直芯片方向上互連成為簡單的3D封裝。更多的是將各個已單面或雙面組裝的MCM疊裝在一起，再進行上下多層互連，就可實現(xiàn)3D封裝。其上下均可加熱沉，這種3D結構又稱為3D.MCM。由于3D的組裝密度高，功耗大，基板多為導熱性好的高導熱基板，如硅、氮化鋁和金剛石薄膜等。還可以把多個硅圓片層疊在一起，形成3D封裝。先進的疊層式3D封裝技術近幾年來，先進的封裝技術已在IC制造行業(yè)開始出現(xiàn)，如多芯片模塊(MCM)就是將多個IC芯片按功能組合進行封裝，特別是三維(3D)封裝首先突破傳統(tǒng)的平面封裝的概念，組裝效率高達200%以上。它使單個封裝體內(nèi)可以堆疊多個芯片，實現(xiàn)了存儲容量的倍增，業(yè)界稱之為疊層式3D封裝;其次，它將芯片直接互連，互連線長度顯著縮短，信號傳輸?shù)酶烨宜芨蓴_更小;再則，它將多個不同功能芯片堆疊在一起，使單個封裝體實現(xiàn)更多的功能，從而形成系統(tǒng)芯片封裝新思路;最后，采用3D封裝的芯片還有功耗低、速度快等優(yōu)點，這使電子信息產(chǎn)品的尺寸和重量減小數(shù)十倍。正是由于3D封裝擁有無可比擬的技術優(yōu)勢，加上多媒體及無線通信設備的使用需求，才使這一新型的封裝方式擁有廣闊的發(fā)展空間。最常見的裸芯片疊層3D封裝先將生長凸點的合格芯片倒扣并焊接在薄膜基板上，這種薄膜基板的材質為陶瓷或環(huán)氧玻璃，其上有導體布線，內(nèi)部也有互連焊點，兩側還有外部互連焊點，然后再將多個薄膜基板進行疊裝互連。裸芯片疊層的工藝過程為：第一步，在芯片上生長凸點并進行倒扣焊接。如果采用金凸點，則由金絲成球的方式形成凸點，在250～400 ℃下，加壓力使芯片與基板互連;若用鉛錫凸點，則采用 Pb95Sn5(重量比)的凸點，這樣的凸點具有較高的熔點，而不致在下道工藝過程中熔化。具體方法，先在低于凸點熔點的溫度(180～250 ℃)下進行芯片和基板焊接，在這一溫度下它們靠金屬擴散來焊接;然后加熱到250～400 ℃，在這一溫度下焊料球熔化，焊接完畢。第一步的溫度是經(jīng)過成品率試驗得到的，當?shù)陀?50 ℃時斷路現(xiàn)象增加;而當高于300 ℃時，則相鄰焊點的短路現(xiàn)象增多。第二步，在芯片與基板之間0.05 mm的縫隙內(nèi)填入環(huán)氧樹脂膠，即進行下填料。第三步，將生長有凸點的基板疊裝在一起，該基板上的凸點是焊料凸點，其成分為Pb/Sn或Sn/Ag，熔點定在200～240 ℃。這最后一步是將基板疊裝后，再在230～250 ℃的溫度下進行焊接。MCM疊層的工藝流程與裸芯片疊層的工藝流程基本一致。除上述邊緣導體焊接采用互連方式外，疊層3D封裝還有多種互連方式，例如引線鍵合疊層芯片就是一種采用引線鍵合技術實現(xiàn)疊層互連的，該方法的適用范圍比較廣。此外，疊層互連工藝還有疊層載帶、折疊柔性電路等方式。疊層載帶是用載帶自動鍵合(TAB)實現(xiàn)IC互連，可進而分為印刷電路板(PCB)疊層TAB和引線框架TAB。折疊柔性電路方式是先將裸芯片安裝在柔性材料上，然后將其折疊，從而形成三維疊層的封裝形式。

LED封裝

LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作、輸出可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。LED的核心發(fā)光部分是P型半導體和N型半導體構成的PN結管芯。當注入PN結的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就會發(fā)出可見光、紫外線光或者紅外線光。但PN結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率。因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構和幾何形狀、封裝內(nèi)部結構與包封材料，應用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過發(fā)射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角;管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導致過多光的損失。選用相應折射率的環(huán)氧樹脂做過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性、絕緣性、機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材料和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2 -0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經(jīng)PN結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產(chǎn)生溫升。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強度會相應地減少1%左右，封裝散熱時保持色純度與發(fā)光強度非常重要。以往采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數(shù)LED的驅動電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會隨著電流的增大而增加。目前，很多功率型LED的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構。全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善了熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。