電子封裝是一個復雜的系統工程,類型多、范圍廣,涉及各種各樣材料和工藝??砂磶缀尉S數將電子封裝分解為簡單的“點、線、面、體、塊、板”等。
封裝基板是半導體芯片封裝的載體,搭載電子元器件的支撐,構成電子電路的基盤,按其結構可分為普通基板、印制電路板、模塊基板等幾大類。其中PCB在原有雙面板、多層板的基礎上,近年來又出現積層(build-up)多層板。模塊基板是指新興發展起來的可以搭載在PCB之上,以BGA、CSP、TAB、MCM為代表的封裝基板(Package Substrate,簡稱PKG基板)。小到芯片、電子元器件,大到電路系統、電子設備整機,都離不開封裝基板。近年來在封裝基板中,高密度多層基板所占比例越來越大。
電子封裝所涉及的各個方面幾乎都是在基板上進行或與基板相關。在電子封裝工程所涉及的四大基礎技術,即薄厚膜技術、微互連技術、基板技術、封接與封裝技術中,基板技術處于關鍵與核心地位。隨著新型高密度封裝形式的出現,電子封裝的許多功能,如電氣連接,物理保護,應力緩和,散熱防潮,尺寸過渡,規格化、標準化等,正逐漸部分或全部的由封裝基板來承擔。
電子封裝的范圍涉及從半導體芯片到整機,在這些系統中,生產電子設備包括6個層次,也即裝配的6個階段。我們從電子封裝工程的角度,按習慣一般稱層次1為零級封裝;層次2為一級封裝;層次3為二級封裝;層次4、5、6為三級封裝。
封裝的六個階段
層次1(裸芯片)它是特指半導體集成電路元件(IC芯片)的封裝,芯片由半導體廠商生產,分為兩類,一類是系列標準芯片,另一類是針對系統用戶特殊要求的專用芯片,即未加封裝的裸芯片(電極的制作、引線的連接等均在硅片之上完成)。晶圓劃切就是在這個層次進行。
層次2(封裝后的芯片即集成塊)分為單芯片封裝和多芯片封裝兩大類。前者是對單個裸芯片進行封裝,后者是將多個裸芯片裝載在多層基板(陶瓷或有機)上進行氣密性封裝構成MCM。
層次3(板或卡)它是指構成板或卡的裝配工序。將多個完成層次2的單芯片封裝和MCM,是裝在PCB板等多層基板上,基板周邊設有插接端子,用于與母板及其它板或卡的電氣連接。
層次4(單元組件)將多個完成層次3的板或卡,通過其上的插接端子搭載在稱為母板的大型PCB板上,構成單元組件。
層次5(框架件)它是將多個單元構成(框)架,單元與單元之間用布線或電纜相連接。
層次6(總裝、整機或系統)它是將多個架并排,架與架之間由布線或電纜相連接,由此構成大型電子設備或電子系統。
微電子封裝的三個層次
通常,從FAB廠制造的晶圓開始,可以將電子封裝,按照制造的時間先后順序分為三個層次。
一級封裝
一級封裝是用封裝外殼將芯片封裝成單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)。半導體芯片和封裝體的電學互聯,通常有三種實現途徑,引線鍵合(WB)、載帶自動焊(TAB)和倒裝焊(Flip Chip),一級封裝的可以使用金屬、陶瓷,塑料(聚合物)等包封材料。封裝工藝設計需要考慮到單芯片或者多芯片之間的布線,與PCB節距的匹配,封裝體的散熱情況等。
二級封裝
二級封裝是印刷電路板的封裝和裝配,將一級封裝的元器件組裝到印刷電路板(PCB)上,包括板上封裝單元和器件的互連,包括阻抗的控制、連線的精細程度和低介電常數材料的應用。除了特別要求外,這一級封裝一般不單獨加封裝體,具體產品如計算機的顯卡,PCI數據采集卡等都屬于這一級封裝。如果這一級封裝能實現某些完整的功能,需要將其安裝在同一的殼體中,例如Ni公司的USB數據采集卡,創新的外置USB聲卡等。
三級封裝
三級封裝是將二級封裝的組件插到同一塊母板上,也就是關于插件接口、主板及組件的互連。這一級封裝可以實現密度更高,功能更全組裝,通常是一種立體組裝技術。例如一臺PC的主機,一個NI公司的PXI數據采集系統,汽車的GPS導航儀,這些都屬于三級微電子封裝的產品。