气密封装是半导体芯片封装的关键工艺。此处的"气密"指完全防泄漏的密封。半导体芯片经历晶圆切割成独立芯片,最终装入分立式封装的多道工序。这些芯片通过贴装环氧树脂或共晶焊料牢固固定在焊盘上,再通过极细导线与陶瓷封装焊盘实现电气连接。
陶瓷封装——实质是"芯片载体"——通常为多层结构,陶瓷体内含电气穿通孔。这些层内连接至封装底部或侧边,以便与其他电气元件共同安装到印刷电路板上。可用的芯片封装类型包括带引线芯片载体(LCC)、陶瓷四边扁平封装(CQFP)、四边扁平封装(QFP)等多种。
内含芯片和键合丝的陶瓷封装必须进行气密性密封,以防止湿气或松散颗粒等污染物侵入。气密封装工艺直接决定了组装器件的运行可靠性。半导体芯片及其数百根超细键合丝(直径最小达0.0007英寸/17.78微米),芯片尺寸从数毫米到数十毫米不等,键合丝数量随芯片尺寸增加而增多。
分立芯片中的微机电系统(MEMS)含有肉眼不可见的超精密齿轮、钟表机构及运动执行器。任何沉积颗粒都可能干扰其性能。同样,高密度键合丝之间若存在导电颗粒或湿气,也将导致故障。这进一步凸显了封装组件气密性的重要性。
在聚焦密封工艺前,需了解材料特性、局限性、设计准则、存储及处理流程。
例如,陶瓷封装类型有以下几种:
表面贴装陶瓷封装
陶瓷针栅阵列封装
陶瓷四边扁平封装
陶瓷混合封装
光纤通信封装
粘接材料或焊料
待封装元件:芯片、贴装材料、键合丝等
金属盖板缝焊
该可靠工艺通过一对圆形电极沿盖板边缘移动,熔化并熔合至封装密封环区域。适用场景包括:
半导体芯片不耐受高热(缝焊提供局部边缘加热)
用户无回流焊炉设备
射频应用(RF封装)且气密性要求较低
镀金属盖板钎焊
此工艺同样可实现高可靠性气密封装,并通过多道密封后测试验证有效性。
所有封装类型均涉及芯片焊盘、键合焊盘和密封环等通用要素。展示了陶瓷封装的关键结构特征。
芯片贴装焊盘
半导体芯片通过共晶焊料合金或环氧树脂固定于此区域。环氧贴装胶通常含树脂和固化剂,需充分混合后涂覆于焊盘。芯片加压贴装以启动润湿并排除粘接材料中残留气体,随后高温固化。此过程需精准控制,防止变形。
88Au12Ge和80Au20Sn可作为共晶焊接材料,熔点分别为361°C和280°C(实际设定温度需考虑工装的热损耗)。二者均为纯合金,不含粘合剂。
材料选择需考虑芯片与接触材料的热膨胀系数(CTE),并严格界定熔融与固化温度条件。
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