2017-05-08 中國SMT在線 世界電子智造

     在電子制造眾多技術環(huán)節(jié)中，沒有其它兩種技術比封裝與組裝技術可比性更多的了。無論技術內(nèi)涵還是外部特征，這兩種分別屬于半導體和整機制造行業(yè)的技術都是你中有我、我中有你，聯(lián)系越來越緊密，界限越來越模糊。這既是電子產(chǎn)品微小型化和多功能化的必然結果，也是未來各種技術交叉和融合的發(fā)展趨勢。

1封裝/組裝技術對比

1.1封裝/組裝技術的“同”與“異”

      封裝與組裝雖然屬于兩個行業(yè)，面對的產(chǎn)品和技術要求各不相同，但無論設計思路，還是工藝流程、設備應用都有很多相通的地方，例如：

     ·封裝與組裝的基本要求都是實現(xiàn)電路的可靠連接，為電路提供電源配置和信號傳遞，都要求電源完整連續(xù)，信號傳輸流暢、路徑簡短，不同的只是連接的層次；

     ·在結構設計中，都需要考慮機械強度和熱量散發(fā)問題，不同的只是解決問題的方式方法；

     ·在實現(xiàn)電路連接前都需要把加工對象（裸芯片和元器件）安全、準確、快速放置到基板預定位置，不同的只是基板精度、定位精度、貼放速度要求的差異（圖1）；

     ·都需要在預定的接點之間實現(xiàn)可靠的電氣互連，基本連接方法都是焊接技術，都需要考慮連接點的表面鍍層與焊接材料兼容性，不同的只是連接點的大小與間距；

     ·都需要對加工工藝進行過程監(jiān)測和最終產(chǎn)品性能測試，實現(xiàn)過程監(jiān)測和性能測試的方法和儀器也類似，不同的只是檢測的內(nèi)容和要求。

1.2封裝/組裝技術的貫通

      從產(chǎn)業(yè)鏈上說，封裝與組裝是前一環(huán)節(jié)（半導體制造）的“尾”與后一環(huán)節(jié)（整機制造）的“首”。前面已經(jīng)介紹過“多級封裝”的概念，實際上，聯(lián)系最緊密的就是一級和二級封裝，即這里所說的封裝與組裝。作為半導體產(chǎn)業(yè)后道工序的封裝，對外提供的封裝好的集成電路并不是直接面向應用的終端產(chǎn)品，而是一種構成電子產(chǎn)品的原材料，必須經(jīng)過組裝這個整機制造技術才能最終變成終端應用產(chǎn)品，即完成電子產(chǎn)業(yè)鏈的實體制造過程，實現(xiàn)科技成果到社會財富的轉化。在人類日常工作和生活中，使高科技變成成人人用得上、人人用得起、可以提高和改變?nèi)祟惿畹漠a(chǎn)品。

      從技術本質來說，封裝與組裝都是為了實現(xiàn)電路的電氣互聯(lián)，只不過封裝是實現(xiàn)“芯片級”互聯(lián)，而組裝則是“板卡級”互聯(lián)，二者都是互聯(lián)過程的“二傳手”而已。有關電氣互連將在后面章節(jié)專門討論，這里我們從直觀看它們的聯(lián)系，如所示，是目前典型的QFP（圖2a）與BGA（圖2b）封裝組裝互連結構示意圖。

      由圖2可見，封裝與組裝技術目標和本質是一致的，可以說是一種技術在不同領域，不同層次的應用。尤其圖1b中，封裝與組裝連接同樣使用焊球連接技術，不同的只是技術尺寸精細度和其它技術細節(jié)。

1.3 封裝/組裝技術的比較

      封裝與組裝技術的主要就是元素和技術環(huán)節(jié)有許多彼此相通的地方，有些環(huán)節(jié)實際是完全一致的，只不過不同領域側重點有差異而已。封裝與組裝技術比較見表1。

2 封裝/組裝技術的融合

2.1 封裝向組裝的滲透與延申

      近年在封裝行業(yè)多芯片模塊（MCM）技術和系統(tǒng)級封裝（SiP）技術發(fā)展很快，特別是芯片堆疊（3D 封裝）技術的興起使半導體技術發(fā)展出現(xiàn)新的增長點，3D IC成為目前延續(xù)摩爾定律的關鍵。無論是MCM、SiP，還是3D IC，其技術范疇已經(jīng)超出傳統(tǒng)封裝技術，開始向組裝技術滲透與延續(xù)。一方面采用硅通孔和多層印制電路板實現(xiàn)多芯片之間互連，另一方面采用SMT技術把不容易集成的無源元件組裝到封裝基板上，在一個封裝模塊內(nèi)集成不同工藝和材料的半導體芯片以及無源元件，形成一個功能強大的功能模塊或系統(tǒng)級電路模塊，如圖3所示。

表1 電子封裝/組裝技術比較

從另一個角度看，模塊化封裝就是精細化的組裝技術。

  2.2 組裝向封裝的擴展

      現(xiàn)代電子產(chǎn)品朝著短、小、輕、薄和高可靠、高速度、高性能和低成本的方向發(fā)展。特別是移動和便攜式電子產(chǎn)品，以及航天、醫(yī)療等領域對產(chǎn)品體積、重量要求越來越苛刻。隨著超大規(guī)模集成電路(VLSl)和微型化片式元器件的迅速發(fā)展和廣泛應用，電子整機進一步實現(xiàn)高性能和微小型化的主要矛盾已經(jīng)不僅是元器件本身，而是元器件組裝和互連形式和方法。為了適應這—發(fā)展趨勢，在表面組裝技術(SMT)的基礎上，組裝技術正在向模塊化、微小型化和三維立體組裝技術方向發(fā)展，使電子整機在有限空間內(nèi)組裝功能更多、性能更優(yōu)，集成化程度更高的電子信息系統(tǒng)。

      實際上，自從片式元件進入0402（英制01005）、0315（0.3 mm×0.15 mm）尺寸，集成電路封裝節(jié)距小到0.4/0.3 mm以來，特別是倒裝芯片的應用，使組裝定位和對準的精確度已經(jīng)跨入微尺寸的范圍，例如倒裝芯片貼裝，要求可重復精度小于4μm，已經(jīng)屬于封裝的尺寸精度范圍。

由此可見，組裝技術向精細化高級階段發(fā)展，必然是向封裝技術的擴展。

2.3 封裝/組裝技術的交匯

     現(xiàn)在有些產(chǎn)品的制造既可以先封裝后組裝，也可以直接組裝。例如系統(tǒng)級封裝（SiP），既可以由半導體封裝廠完成SiP系統(tǒng)封裝（可能是BGA,CSP,WLCSP），然后通過SMT將SiP元器件裝配到電路板上；也可以在SMT車間進行芯片和其它元器件的2D或3D裝配，將SiP系統(tǒng)嵌入到終端產(chǎn)品中。這種技術的集成濃縮和交匯將是未來微小型化、多功能化產(chǎn)品制造的發(fā)展趨勢。

      傳統(tǒng)的觀念認為封裝技術屬于半導體制造，其尺寸精確度和技術難度高于組裝技術，屬于高技術范疇，而組裝技術則屬于工藝范疇。但是在電子產(chǎn)品微小型化和多功能化市場需求的強力推動下，特別是近年興起的多芯片、模塊化的堆疊封裝/組裝（PiP /PoP，又稱3D封裝/組裝）技術、實質上是封裝技術和組裝技術綜合應用，從而使 “封裝”和 “組裝”的界限日益模糊，二者正在向著交匯的方向發(fā)展。這種技術的融合，在封裝領域稱為模塊化多芯片3D封裝，而在組裝領域稱為微組裝（MPT—micro packaging technology），其實二者是殊途同歸，如圖4所示。

 3 1.5級封裝—COB簡介

      COB（chip On board，板上芯片)是一種典型的介于封裝和組裝之間的制造技術，裸芯片直接安裝到印制電路板上，而不是先“封裝”后組裝到印制電路板上。COB制造工藝與傳統(tǒng)裸芯片封裝相似，只是封裝基板換成了常規(guī)印制電路板，通過打線、載帶或倒裝芯片方式使裸芯片直接連接到電路中。為了保護裸芯片不受環(huán)境影響，防止芯片和連接線損壞，需要用膠把芯片和鍵合引線包封起來，如圖5所示。COB工藝也稱為“邦定”（ boarding音譯），用COB工藝提供的集成電路或電路模塊也稱為“軟包封”或“軟封裝”電路，如圖6所示。

       與COB類似的電路組裝技術還有COF（Chip On Film，柔性電路板上芯片）和于COG（Chip On Glass，玻璃板上芯片）。前者用于柔性印制電路板電路中，后者液晶顯示面板等產(chǎn)品制造中。其互連方式也如圖1所示的方式。

      由于傳統(tǒng)封裝成本較高，一般占集成電路總成本的的40%甚至更高，采用COB技術，省去了封裝成本，可顯著降低產(chǎn)品制造成本， 在大批量生產(chǎn)尤為突出。此外，COB連接方式是封裝技術中成熟的技術，相應工藝、設備都可使用，不存在技術難題。

      芯片直接安裝到印制電路板上，從理論上說是最簡潔的封裝方式，但由于缺少了中間引線的緩沖作用和封裝外殼的保護作用，可靠性問題目前還沒有充分保證，同時也無法維修，因而目前只運用在可靠性要求不高的產(chǎn)品中，例如數(shù)字鐘表、玩具、計算器、低成本數(shù)碼產(chǎn)品等方面。但隨著技術進步，COB可靠性也逐步提高，現(xiàn)在已擴展到電話卡、存儲卡、各種智能卡、打印機模塊、存儲器以及經(jīng)濟型數(shù)碼相機等產(chǎn)品中，因而在某些應用領域COB有取代SMT之勢。

      由于COB技術兼有封裝與組裝技術要素，介于1級封裝和2級封裝之間，因此又稱為1.5級封裝。

4 封裝/組裝交融——微組裝簡介

4.1 MPT與MAT

      微組裝概念早在20世紀80年代就產(chǎn)生了，當時是作為表面貼裝技術之后一個新的技術分代提出的，一直沒有明確的界定。微組裝有兩個英文縮寫MPT（Micro-packaging technology）和MAT（Micro-assembling technology），現(xiàn)在中文一般把“packaging”譯為“封裝”， “assembling” 譯為“組裝”，由此也可看出封裝與組裝并沒有嚴格的界限。

4.2 微組裝技術的概念

      有關“微組裝技術”目前有三種說法：

    （1）微組裝是組裝技術的一個類型

      這種說法把組裝技術按照工藝精度分為幾種類型，即根據(jù)集成電路引線間距尺寸或元器件相互距離，以及基板單位面積上焊點數(shù)目分類：

     上述分類中，“微組裝”和“高密度組裝”是從不同角度區(qū)分的，二者在有些情況下可能是相互覆蓋的。實際上當0603、0402（公制）片式元件應用之后，元件間距已經(jīng)小于0.3 mm，但人們并沒有認為已經(jīng)進入微組裝技術領域。

     （2）微組裝技術實質上就是高密度組裝技術

      隨著多芯片模塊（MCM）技術、倒裝芯片（FC）和多層陶瓷基板技術發(fā)展，在高密度多層互連電路板上，運用組裝和封裝工藝，把微小型電子元器件組裝成高密度、高速度、高可靠性立體結構的電子產(chǎn)品，這種高密度組裝技術就是微組裝技術。

      這種說法對于“高密度組裝”的概念超出了前面“基板單位面積上焊點數(shù)目”的定義，有了“立體組裝”的新概念。顯然，這是將組裝和封裝融合在一起的說法。

     （3）微組裝技術是SMT發(fā)展的高級階段

      這種說法認為微組裝技術是SMT發(fā)展到微尺寸組裝的高級階段，指最小組裝元素的尺寸在數(shù)微米到100μm之間，以COB、芯片堆疊、倒裝芯片，多層高密度基板等為基礎技術、不能采用常規(guī)SMT工藝完成組裝的高密度組裝技術。包括COB、MCM、SiP 、3D封裝/組裝等一級二級封裝混合的技術集成，也就是除了半導體裸芯片制造工藝以外的微電子產(chǎn)品制造技術，也可以說是SMT之后的新一代組裝技術。

      如果我們希望以一個統(tǒng)一術語涵蓋當前眾多封裝/組裝新概念、新技術，例如高密度封裝、高密度組裝，三維封裝、三維組裝，三維疊加互連、MCM（其中又有MCM-C、MCM-D 、MCM-L等）、LTCC、3D IC、3D封裝、3D組裝、PiP、PoP等等，那么第三種說法無疑是恰當?shù)摹?/p>

      術語和概念對于學術是重要的，討論一個問題，首先需要界定問題的范圍和屬性，以及討論時的“共同語言”。對于產(chǎn)業(yè)和工程領域則不是重點，技術術語可能多年不明確、不嚴謹，可能各行其是，導致技術交流有些麻煩，但不妨礙技術的進步和發(fā)展。

      對于產(chǎn)業(yè)和工程領域，關鍵是看實際效果，對于現(xiàn)代高技術而言，無論如何，技術的交叉和融合是大勢所趨，拋棄技術高低貴賤之分，打破行業(yè)壁壘，在技術的交叉和融合中創(chuàng)新發(fā)展，才是最重要的。

      由于電子產(chǎn)品的日益微小型化和復雜化，傳統(tǒng)的劃分行業(yè)概念逐漸模糊，產(chǎn)業(yè)鏈上下游技術聯(lián)系密不可分，因而解決組裝技術問題和考慮組裝技術發(fā)展時，思路不能僅僅局限于傳統(tǒng)“行業(yè)”技術范圍，而要以綜合化、系統(tǒng)化的思路去研究和拓展技術思維。

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