2017-05-08 中國(guó)SMT在線 世界電子智造

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

1封裝/組裝技術(shù)對(duì)比

1.1封裝/組裝技術(shù)的“同”與“異”

      封裝與組裝雖然屬于兩個(gè)行業(yè)，面對(duì)的產(chǎn)品和技術(shù)要求各不相同，但無(wú)論設(shè)計(jì)思路，還是工藝流程、設(shè)備應(yīng)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(shí)現(xiàn)電路的可靠連接，為電路提供電源配置和信號(hào)傳遞，都要求電源完整連續(xù)，信號(hào)傳輸流暢、路徑簡(jiǎn)短，不同的只是連接的層次；

     ·在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都需要考慮機(jī)械強(qiáng)度和熱量散發(fā)問(wèn)題，不同的只是解決問(wèn)題的方式方法；

     ·在實(shí)現(xiàn)電路連接前都需要把加工對(duì)象（裸芯片和元器件）安全、準(zhǔn)確、快速放置到基板預(yù)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(yù)定的接點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)可靠的電氣互連，基本連接方法都是焊接技術(shù)，都需要考慮連接點(diǎn)的表面鍍層與焊接材料兼容性，不同的只是連接點(diǎn)的大小與間距；

     ·都需要對(duì)加工工藝進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)和最終產(chǎn)品性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和性能測(cè)試的方法和儀器也類似，不同的只是檢測(cè)的內(nèi)容和要求。

1.2封裝/組裝技術(shù)的貫通

      從產(chǎn)業(yè)鏈上說(shuō)，封裝與組裝是前一環(huán)節(jié)（半導(dǎo)體制造）的“尾”與后一環(huán)節(jié)（整機(jī)制造）的“首”。前面已經(jīng)介紹過(guò)“多級(jí)封裝”的概念，實(shí)際上，聯(lián)系最緊密的就是一級(jí)和二級(jí)封裝，即這里所說(shuō)的封裝與組裝。作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)后道工序的封裝，對(duì)外提供的封裝好的集成電路并不是直接面向應(yīng)用的終端產(chǎn)品，而是一種構(gòu)成電子產(chǎn)品的原材料，必須經(jīng)過(guò)組裝這個(gè)整機(jī)制造技術(shù)才能最終變成終端應(yīng)用產(chǎn)品，即完成電子產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)體制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)科技成果到社會(huì)財(cái)富的轉(zhuǎn)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(shù)本質(zhì)來(lái)說(shuō)，封裝與組裝都是為了實(shí)現(xiàn)電路的電氣互聯(lián)，只不過(guò)封裝是實(shí)現(xiàn)“芯片級(jí)”互聯(lián)，而組裝則是“板卡級(jí)”互聯(lián)，二者都是互聯(lián)過(guò)程的“二傳手”而已。有關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖。

      由圖2可見(jiàn)，封裝與組裝技術(shù)目標(biāo)和本質(zhì)是一致的，可以說(shuō)是一種技術(shù)在不同領(lǐng)域，不同層次的應(yīng)用。尤其圖1b中，封裝與組裝連接同樣使用焊球連接技術(shù)，不同的只是技術(shù)尺寸精細(xì)度和其它技術(shù)細(xì)節(jié)。

1.3 封裝/組裝技術(shù)的比較

      封裝與組裝技術(shù)的主要就是元素和技術(shù)環(huán)節(jié)有許多彼此相通的地方，有些環(huán)節(jié)實(shí)際是完全一致的，只不過(guò)不同領(lǐng)域側(cè)重點(diǎn)有差異而已。封裝與組裝技術(shù)比較見(jiàn)表1。

2 封裝/組裝技術(shù)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(shù)和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)發(fā)展很快，特別是芯片堆疊（3D 封裝）技術(shù)的興起使半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，3D IC成為目前延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。無(wú)論是MCM、SiP，還是3D IC，其技術(shù)范疇已經(jīng)超出傳統(tǒng)封裝技術(shù)，開(kāi)始向組裝技術(shù)滲透與延續(xù)。一方面采用硅通孔和多層印制電路板實(shí)現(xiàn)多芯片之間互連，另一方面采用SMT技術(shù)把不容易集成的無(wú)源元件組裝到封裝基板上，在一個(gè)封裝模塊內(nèi)集成不同工藝和材料的半導(dǎo)體芯片以及無(wú)源元件，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的功能模塊或系統(tǒng)級(jí)電路模塊，如圖3所示。

表1 電子封裝/組裝技術(shù)比較

從另一個(gè)角度看，模塊化封裝就是精細(xì)化的組裝技術(shù)。

  2.2 組裝向封裝的擴(kuò)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(dòng)和便攜式電子產(chǎn)品，以及航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品體積、重量要求越來(lái)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(yīng)用，電子整機(jī)進(jìn)一步實(shí)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(yīng)這—發(fā)展趨勢(shì)，在表面組裝技術(shù)(SMT)的基礎(chǔ)上，組裝技術(shù)正在向模塊化、微小型化和三維立體組裝技術(shù)方向發(fā)展，使電子整機(jī)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(shí)際上，自從片式元件進(jìn)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(lái)，特別是倒裝芯片的應(yīng)用，使組裝定位和對(duì)準(zhǔn)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(fù)精度小于4μm，已經(jīng)屬于封裝的尺寸精度范圍。

由此可見(jiàn)，組裝技術(shù)向精細(xì)化高級(jí)階段發(fā)展，必然是向封裝技術(shù)的擴(kuò)展。

2.3 封裝/組裝技術(shù)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(jí)封裝（SiP），既可以由半導(dǎo)體封裝廠完成SiP系統(tǒng)封裝（可能是BGA,CSP,WLCSP），然后通過(guò)SMT將SiP元器件裝配到電路板上；也可以在SMT車間進(jìn)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(shù)的集成濃縮和交匯將是未來(lái)微小型化、多功能化產(chǎn)品制造的發(fā)展趨勢(shì)。

      傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為封裝技術(shù)屬于半導(dǎo)體制造，其尺寸精確度和技術(shù)難度高于組裝技術(shù)，屬于高技術(shù)范疇，而組裝技術(shù)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(chǎng)需求的強(qiáng)力推動(dòng)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(shù)、實(shí)質(zhì)上是封裝技術(shù)和組裝技術(shù)綜合應(yīng)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(shù)的融合，在封裝領(lǐng)域稱為模塊化多芯片3D封裝，而在組裝領(lǐng)域稱為微組裝（MPT—micro packaging technology），其實(shí)二者是殊途同歸，如圖4所示。

 3 1.5級(jí)封裝—COB簡(jiǎn)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(shù)，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(guò)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(hù)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(lái)，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(shù)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(shù)，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(shù)中成熟的技術(shù)，相應(yīng)工藝、設(shè)備都可使用，不存在技術(shù)難題。

      芯片直接安裝到印制電路板上，從理論上說(shuō)是最簡(jiǎn)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(hù)作用，可靠性問(wèn)題目前還沒(méi)有充分保證，同時(shí)也無(wú)法維修，因而目前只運(yùn)用在可靠性要求不高的產(chǎn)品中，例如數(shù)字鐘表、玩具、計(jì)算器、低成本數(shù)碼產(chǎn)品等方面。但隨著技術(shù)進(jìn)步，COB可靠性也逐步提高，現(xiàn)在已擴(kuò)展到電話卡、存儲(chǔ)卡、各種智能卡、打印機(jī)模塊、存儲(chǔ)器以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中，因而在某些應(yīng)用領(lǐng)域COB有取代SMT之勢(shì)。

      由于COB技術(shù)兼有封裝與組裝技術(shù)要素，介于1級(jí)封裝和2級(jí)封裝之間，因此又稱為1.5級(jí)封裝。

4 封裝/組裝交融——微組裝簡(jiǎn)介

4.1 MPT與MAT

      微組裝概念早在20世紀(jì)80年代就產(chǎn)生了，當(dāng)時(shí)是作為表面貼裝技術(shù)之后一個(gè)新的技術(shù)分代提出的，一直沒(méi)有明確的界定。微組裝有兩個(gè)英文縮寫(xiě)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(méi)有嚴(yán)格的界限。

4.2 微組裝技術(shù)的概念

      有關(guān)“微組裝技術(shù)”目前有三種說(shuō)法：

    （1）微組裝是組裝技術(shù)的一個(gè)類型

      這種說(shuō)法把組裝技術(shù)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(diǎn)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(shí)際上當(dāng)0603、0402（公制）片式元件應(yīng)用之后，元件間距已經(jīng)小于0.3 mm，但人們并沒(méi)有認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入微組裝技術(shù)領(lǐng)域。

     （2）微組裝技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是高密度組裝技術(shù)

      隨著多芯片模塊（MCM）技術(shù)、倒裝芯片（FC）和多層陶瓷基板技術(shù)發(fā)展，在高密度多層互連電路板上，運(yùn)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(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品，這種高密度組裝技術(shù)就是微組裝技術(shù)。

      這種說(shuō)法對(duì)于“高密度組裝”的概念超出了前面“基板單位面積上焊點(diǎn)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(shuō)法。

     （3）微組裝技術(shù)是SMT發(fā)展的高級(jí)階段

      這種說(shuō)法認(rèn)為微組裝技術(shù)是SMT發(fā)展到微尺寸組裝的高級(jí)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(chǔ)技術(shù)、不能采用常規(guī)SMT工藝完成組裝的高密度組裝技術(shù)。包括COB、MCM、SiP 、3D封裝/組裝等一級(jí)二級(jí)封裝混合的技術(shù)集成，也就是除了半導(dǎo)體裸芯片制造工藝以外的微電子產(chǎn)品制造技術(shù)，也可以說(shuō)是SMT之后的新一代組裝技術(shù)。

      如果我們希望以一個(gè)統(tǒng)一術(shù)語(yǔ)涵蓋當(dāng)前眾多封裝/組裝新概念、新技術(shù)，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(shuō)法無(wú)疑是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

      術(shù)語(yǔ)和概念對(duì)于學(xué)術(shù)是重要的，討論一個(gè)問(wèn)題，首先需要界定問(wèn)題的范圍和屬性，以及討論時(shí)的“共同語(yǔ)言”。對(duì)于產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域則不是重點(diǎn)，技術(shù)術(shù)語(yǔ)可能多年不明確、不嚴(yán)謹(jǐn)，可能各行其是，導(dǎo)致技術(shù)交流有些麻煩，但不妨礙技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

      對(duì)于產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域，關(guān)鍵是看實(shí)際效果，對(duì)于現(xiàn)代高技術(shù)而言，無(wú)論如何，技術(shù)的交叉和融合是大勢(shì)所趨，拋棄技術(shù)高低貴賤之分，打破行業(yè)壁壘，在技術(shù)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(fù)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(shù)聯(lián)系密不可分，因而解決組裝技術(shù)問(wèn)題和考慮組裝技術(shù)發(fā)展時(shí)，思路不能僅僅局限于傳統(tǒng)“行業(yè)”技術(shù)范圍，而要以綜合化、系統(tǒng)化的思路去研究和拓展技術(shù)思維。

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