集成電路封裝-材料、方法與工藝 課件 第六章-氣密性封裝

集成電路芯片氣密性封裝工藝氣密性封裝是指完全能夠防止污染物（液體或固體）的侵入和腐蝕的封裝。由于芯片導線的間距極小，在導體間很容易建立起一個強大的電場，若水汽侵入，會使金屬間發生電解反應而腐蝕溶解。金屬、陶瓷、玻璃、塑料都可以作封裝材料，而金屬、陶瓷、玻璃對水汽的滲透率比絕大多數塑料材料低幾個數量級。因此，氣密性封裝元件通常由金屬、陶瓷以及玻璃進行包封。1.金屬封裝2.陶瓷封裝3.玻璃封裝金屬封裝金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上的一種電子封裝形式。金屬封裝的信號和電源引線大多采用金屬-玻璃密封工藝或者玻璃-金屬密封工藝。金屬具有優良的水分子滲透阻絕能力、可靠度、密封性，以及可以提供良好的熱傳導和電屏蔽。這種封裝方法廣泛應用于電子元件、傳感器、激光器和其他需要高可靠性和環境耐受性的設備中。金屬材料主要應用于對可靠性有較高要求的場景，如軍用電子封裝。金屬封裝的形式包括：（1）平臺插入式金屬封裝；（2）腔體插入式金屬封裝；（3）扁平式金屬封裝；（4）圓形金屬封裝，等。金屬封裝由蝶型管座和蓋板組成采用平行縫焊的方法對管座和蓋板進行封接也可采用激光焊封接1234扁平式金屬封裝由圓形的管座和拱形管帽組成結構與平臺插入式封裝相近適用的管帽封接方法也幾乎相同圓形金屬封裝由平臺式的管座和拱形管帽組成一般用儲能焊的方法進行封接也可采用錫焊或激光焊封接平臺插入式金屬封裝由腔體式的管座和蓋板組成一般用平行縫焊的方法對管座和蓋板進行封接腔體插入式金屬封裝金屬封裝的形式金屬封裝材料如前所述，成熟的金屬封裝材料應具有以下性質：（1）封裝密封性良好；（2）可提供良好熱傳導通道和電屏蔽途徑；（3）材料接合特性合機械特性優于其他材料；（4）金屬緩沖層、合金化工藝技術成熟。例如，Kovar（科瓦鐵鎳鈷）合金由于與玻璃的優良結合特性而為金屬封裝最常用的罐體和引腳材料。Kovar合金的缺點為熱傳導性質不佳，這一缺點可以通過將鉬金屬作為金屬封裝的緩沖金屬層而獲得改善。銅主要應用于高熱傳導及高導電需求的金屬封裝，但它有強度不足的缺點，故通過添加少量的鋁或銀以改善其機械特性。鋁合金材料主要應用于微波混合電路及航空用電子的金屬封裝，但因其強度不足及高熱膨脹系數的缺點使其不合適應用于大規模混合電路的封裝。陶瓷封裝陶瓷雙列式封裝針格式封裝或晶粒承載器的密封結構陶瓷封裝陶瓷封裝氣密性是通過玻璃與陶瓷及某些金屬合金引腳間形成的緊密接合特性實現的。陶瓷封裝通常將IC芯片粘接固定在一個載有引腳架或厚膜金屬導線的陶瓷基板孔洞中，完成芯片與引腳或厚膜金屬鍵合點之間的電路互連后，再將另一片陶瓷或金屬封蓋用玻璃、金錫或鉛錫焊料與基板密封黏結而完成。陶瓷封裝材料陶瓷封裝材料主要具有以下幾點優勢：（1）機械性能良好，熱沖擊試驗和溫度循環試驗后幾乎不產生損傷；（2）熱學性能好，熱導率較高、熱膨脹系數小；（3）耐濕性好，不易產生微裂紋；（4）絕緣性能和氣密性良好，防止半導體元件內部芯片在外部雜質及濕氣影響下腐蝕破壞；（5）避光性能好，能夠有效遮蔽可見光且可很好地將紅外線反射，還能滿足光學相關產品的低反射要求。玻璃封裝玻璃封裝玻璃是電子元器件的重要密封材料，同樣具有良好的特性：絕緣性、抗氧化性、結構致密以及穩定性。玻璃是重要的固定、粘接物質，能提供金屬等材料間的密封。玻璃的理化性質可由組分進行調控，不同的封裝場景所需的玻璃類型也不盡相同。玻璃可以用于金屬封裝中，用來把針狀的引腳固定在基座的鉆孔上，提高電絕緣，形成金屬和玻璃間的復合封裝結構。然而，金屬和玻璃之間的粘附性不佳，因而控制玻璃在金屬表面的潤濕能力是形成穩定粘接的最重要的技術。理論而言，當金屬中溶解的低價金屬氧化物達到飽和時，其潤濕能力最佳。因此金屬氧化物的溶解為形成金屬與玻璃間密封結合的關鍵步驟。此外，玻璃與金屬在匹配密封中必須有非常近甚至相同的熱膨脹系數，而且金屬與其氧化物之間必須有相當致密的結合。玻璃與金屬間壓縮密封玻璃與金屬間的壓縮密封則無需金屬氧化物的輔助，這種方法需要選擇熱膨脹系數低于金屬的玻璃材料進行黏結。在密封完成冷卻時，金屬將有較大的收縮而壓迫玻璃造成密封。壓縮密封所得的強度以及密封性均高于匹配密封，但其接面的熱穩定性遜于匹配密封。玻璃與陶瓷間封裝玻璃用于陶瓷封裝中，提供氧化鋁陶瓷、金屬引腳間的密封粘黏。玻璃和陶瓷材料間通常具有相當良好的黏著性，在陶瓷雙列式封裝的開發過程中，密封材料的選擇為工藝的瓶頸。隨著PbO-B2O3-SiO2-Al2O3-ZnO玻璃被開發，足以提供氧化鋁陶瓷和金屬引腳之間的密封黏結，這一瓶頸問題才