微电子封装技术及其聚合物封装材料

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1、化工新材料新材料产业 NO.8 20121717微电子封装技术 及其聚合物封装材料近年来， 我国集成电路产业发展迅猛， 已成为国家经济发展的主要驱动力量之一。 在构成集成电路产业的3大支柱 （集成电路设计、 集成电路制造和集成电路封装） 之中， 集成电路封装在推进我国集成电路产业快速发展过程中起到了重要的作用。 多年来， 我国集成电路封装的销售额在国家整个集成电路产业中一直占有70%的份额 ； 从某种意义上讲， 我国集成电路产业是从集成电路封装开始起家的，事实证明这是一条符合我国国情的发展道路。 目前， 全球集成电路封装技术已经进入第3次革命性的变革时期， 文/杨士勇 刘金刚 何民辉中国科学院

2、化学研究所高技术材料研究室这为我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。目前， 世界集成电路封装正在呈现下述快速发展趋势 ： 为适应超大规模集成电路向着高密度、 高输入输出端口 （I/O） 数方向发展的需求， 集成电路封装正在从四边引线封装形式 （QFP/TQFP） 向球栅阵列封装形式 （BGA/CSP） 转变， 信号传输由微型焊球代替传统的金属丝引线， 信号输出由平面阵列方式代替传统的四边引线方式， 这是继由两边引线向四边引线、 由通孔插装向表面贴装为代表的第2次集成电路封装技术后的第3次技术变革。 为适应快速增长的以手机、 笔记本电脑、 平板显示等为代表的便携式电子产品的需求， 集成

3、电路封装正在向着微型化、 薄型化、 不对称化、 低成本化方向发展。 为适应人们日益高涨的绿色环保要求， 集成电路封装正在向着无铅化、 无溴阻燃化、 无毒低毒化方向快速发展， 这对传统的集成电路封装及其封装材料提出了严峻的挑战。集成电路封装发展的历史证明，封装材料在封装技术的更新换代过程中具有决定性的作用， 形成了 “一代电路、 一代封装、 一代材料” 的发展模式。Advanced Materials Industry 18腾飞中的北京半导体照明产业Advanced Materials Industry 18新材料产业 “十二五” 发展规划封装材料是封装技术的基础， 封装形式是封装材料的体现和归

4、宿。 要发展先进封装技术， 必须首先研究和开发先进封装材料。 对集成电路封装来说，封装材料具有重要的基础地位、 先行地位和制约地位。在集成电路封装中， 封装材料能够起到半导体芯片支撑、 芯片保护、 芯片散热、 芯片绝缘和芯片与外电路、 光路互连等作用。 集成电路封装类型不同， 封装材料也不同。 自20世纪 90年代以来， 一些先进封装技术获得快速发展， 包括球型阵列封装 （Ball Gray Array， BGA） 、 芯片尺寸封装 （Chip Scale Packaging，CSP） 、 多芯片组件 （MCM） 以及系统封装 （SiP） 等。 无论从集成电路市场需求和封装技术发展方向， 还是

5、从系统集成的角度来分析， 上述封装形式将是未来10 15年的封装主流。 近年来， 针对先进封装技术所需的先进封装材料获得了巨大进展， 这将极大地推动先进封装技术的发展。 主要的封装材料包括 ： 环氧模塑料 （Epoxy Molding Compound， EMC） ； 高 密 度 多 层 封 装 基 板 （High Density Multilayer Substrates） ；液体环氧封装料 （Liquid Epoxy Packaging Materials） ； 聚合物 光 敏 树 脂 （Photo-imageable Polymer Resins） ； 环氧导电/热粘结剂 （Electr

6、ically/Thermally Conductive Adhesives） 。一、微电子封装技术的现状与 发展趋势集成电路封装技术的发展历史可划分为3个阶段。 第1阶段 （20世纪70年代之前） ， 以通孔插装型封装为主，典型的封装形式包括最初的金属圆形（TO型） 封装， 以及后来的陶瓷双列直插封装 （CDIP） 、 陶瓷-玻璃双列直插封装 （CerDIP） 和塑料双列直插封装（PDIP） 等， 其中的PDIP， 由于性能优良、 成本低廉， 同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流封装技术。第 2阶段 （20世纪 80年代以后） ， 从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变， 从平面两边引线型

7、封装向平面四边引线型封装发展。 表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命， 得到了迅猛发展。 与之相适应， 一些适应表面贴装技术的封装形式， 如塑料有引线片式裁体 （PLCC） 、 塑料四边引线扁平封装 （PQFP） 、 塑料小外形封装 （PSOP） 以及无引线四边扁平封装 （PQFN） 等封装形式应运而生， 且发展迅速。 其中的PQFP， 由于密度高、引线节距小、 成本低并适于表面安装，成为这一时期的主导封装技术。 第3阶段 （20世纪90年代以后） ， 集成电路发展进入超大规模集成电路时代， 特征尺寸达到0.18 0.25m， 要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。 因此， 集成电

8、路封装的引线方式从平面四边引线型向平面球栅阵列型发展， 引线技术从金属引线向微型焊球方向发展。 在此背景下， 焊球阵列封装 （BGA） 获得迅猛发展， 并成为主流技术。 BGA按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装 （PBGA） 、 陶瓷焊球阵列封装 （CBGA） 、 载带焊球阵列封装 （TBGA） 、 带散热器焊球阵列封装（EBGA） 以及倒装芯片焊球阵列封装（FC-BGA） 等。 为适应手机、 笔记本电脑等便携式电子产品小、 轻、 薄、 低成本等需求， 在BGA的基础上又发展了CSP， CSP又包括引线框架型CSP、柔性插入板CSP、 刚性插入板CSP、 圆片级CSP等各种形式， 目前处于快

9、速发展阶段。 同时， 多芯片组件 （MCM）和系统封装也在蓬勃发展， 这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。MCM按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板MCM （MCM-C） 、 多层薄膜基板MCM （MCM-D） 、 多层印制板MCM （MCM-L） 和厚薄膜混合基板MCM （MCM-C/D） 等多种形式。SiP是为整机系统小型化的需要， 提高集成电路功能和密度而发展起来的。SiP使用成熟的组装和互连技术， 把各种集成电路如互补金属氧化物半导体 （Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS） 电路、 砷化镓（GaAs） 电路、 锗化硅 （SiGe

10、） 电路或者光电子器件、 微机电系统 （MEMS） 器件以及各类无源元件如电阻、 电容、 电感等集成到一个封装体内， 实现整机系统的功能。目前， 全球集成电路封装正在按照既定的规律， 蓬勃地向前发展， 呈现出8个发展方向 ： 高密度、 多I/O数方向 ； 提高表面贴装密度方向 ；高频、 大功率方向 ； 薄型化、 微型化、 不对称化、 低成本化方向 ； 从单芯片封装向多芯片封装发展 ； 从两维平面封装向三维立体封装方向发展 ； 系统封装方向 ； 绿色环保化方向。目前， 集成电路封装处于第3阶段的成熟期与快速增长期， 以BGA/CSP等主要封装形式开始进入规模化生产阶段。 同时， 以SiP和MCM

11、为主要发展方向的第4次技术变革处于孕育阶段。近年来， 我国政府大力推动集成电路产业的发展， 将其放在优先发展的地位。 因此， 我国集成电路产业一直保持着高速发展的态势。 目前， 集成电路产业已经初步形成了由8个芯化工新材料新材料产业 NO.8 20121919片生产骨干企业、 30余家封装厂、 80余家设计公司组成的产业群体， 这些企业相对集中于长江三角洲地区、 京津地区、 珠江三角洲地区。 同时， 由于中国巨大的市场潜力， 国外著名大公司纷纷来华投资建立工厂， 于20世纪90年代中期和21世纪初期掀起的2次投资热潮， 使我国集成电路产业获得了长足的进步。 数年来， 我国集成电路封装业的产量和

12、销售收入一直持续稳定增长。 2003年集成电路封装业的销售额为213.25亿元， 占集成电路总销售额的 79.45， 全年封装电路77.41亿 块， 比 2001年 增 长 53.32%。目前， 我国封装业企业约110家， 其中从事后封装的企业约70家， 从事外壳业务的单位约15家， 另外还有一些专业为封装厂配套的引线框架、 材料、设备、 工模夹具等企业。 这些企业主要集中在北京、 上海、 天津、 江苏、 和广东等5个地区， 许多国际知名IC制造商如英特尔公司 （Intel） 、 三星电子（Samsung） 、 超微半导体公司 （AMD）等均在中国设立了独资制造企业， 我国台湾的专业封装企业也

13、在向大陆加速转移。“十五” 期间， 我国对5 6家集成电路封装厂进行技术改造， 使每家封装厂达到年封装电路5亿10亿块的能力。 目前， 产值超过5亿元的企业包括 ： 深圳赛意法微电子有限公司， 江苏长电科技股份有限公司、 南通富士通微电子股份有限公司、 天津MOTOROLA公司、 中国华晶电子集团公司。 封装产品除双列直插式封装（dual in line package， DIP） 外， 小尺寸封装 (Small Out-Line Package，SOP） 、 PLCC、 塑型四边扁平式封装（Plastic Quad Flat Package， QFP） 、球栅阵列封装 （Ball Gray

14、Array，BGA） 、 陶瓷针栅阵列封装 （Ceramic Pin Grid Array Package， PGA） 、MCM等先进封装形式也正在迅速发展。 目前， 各封装企业在扩大规模的同时， 开始注重制造技术水平的提升， 并在技术、 设备、 研发、 制造和管理等方面与国际接轨， 且由于封装的效益和利润所在而使这种接轨呈现加速趋势。虽然大多数国内企业已经摆脱了生产技术落后、 产品技术含量低的困难境地， 开始走上良性循环， 呈现出不断发展壮大的良好局面， 但是， 应该清楚地看到， 我国封装业整体上比较落后， 主要产品还处于集成电路封装的第2次技术变革阶段， 封装的主流产品主要为塑料双列直插式

15、封装 （PDIP Plastic Dual In-Line Package，PDIP） 、 PSOP、 PQFP以及二极管、 三极管等分离器件。 虽然近年来PQFP和PSOP增长迅速， 但市场份额仍不足50。 在我国的封装企业中， 三资企业和独资企业的制造技术水平明显比国内企业高， 以生产PQFP、 PSOP、PBGA和CSP先进封装产品为主， 而国内封装企业则以生产二极管、 分离器件、 PDIP、 PSOP等低端产品为主。未来几年， 我国信息产业预计将保持20%左右的增长速度， 随着因特网持续高速的增长、 移动通讯业的迅速发展以及数码相机、 手持电脑等便携式电子产品市场的繁荣， 将迎来我国集

16、成电路产业更快的发展时期。为了适应我国集成电路产业快速发展的需求， 必须重视集成电路封装及其材料的发展。 集成电路封装材料的发展必须从我国国情出发， 将发展重点集中在集成电路封装第 3次技术变革所需的先进封装技术及材料方面， 包括BGA、 CSP和MCM所需先进材料， 兼顾发展目前我国仍量大面广的传统封装， 如表面组装技术（表面贴装技术）（Surface Mounted Technology， SMT） 、 PQFP和PSOP等所需的重要材料， 同时还要考虑未来SiP和MCM等先进封装所需的关键性材料， 这样才能在整体上确保我国集成电路封装的快速发展。二、微电子先进封装材料的现 状与发展趋势封装技术对于封装材料的发展具有巨大的带动作用， 反过来， 封装材料的发展又会进一步推动封装技术的发展， 二者相互促进又相互制约。 近年来， 封装材料一直呈现快速增长的态势。 2003年， 全球封装材料销售总额达到79亿美元， 其中， 硬质封装基板20亿美元， 韧性聚酰亚胺 （PI） 基板和载带自动焊 （TAB） 基材3.2亿美元， 引线框架26.2