文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了集成電路金屬殼、塑料和陶瓷封裝技術(shù)的材料和工藝。

集成電路傳統(tǒng)封裝技術(shù)主要依據(jù)材料與管腳形態(tài)劃分：材料上采用金屬、塑料或陶瓷管殼實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)封裝；管腳結(jié)構(gòu)則分為表面貼裝式（SMT）與插孔式（PIH）兩類。其核心工藝在于通過引線框架或管座內(nèi)部電極，將芯片上60-115微米的微型焊點(diǎn)間距，逐級扇出擴(kuò)展至電路板適配的300-1250微米（SMT）或2500微米（PIH）管腳間距，最終形成模塊化封裝結(jié)構(gòu)。

這一過程精準(zhǔn)平衡了芯片集成度與電路板裝配需求，是半導(dǎo)體器件從晶圓到系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵過渡環(huán)節(jié)，本文分述如下：

金屬殼封裝

塑料封裝

陶瓷封裝

金屬殼封裝

金屬殼封裝作為半導(dǎo)體器件封裝的經(jīng)典技術(shù)體系，其工藝演進(jìn)與材料創(chuàng)新始終與電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展同頻共振。早期在小規(guī)模集成電路時代占據(jù)主導(dǎo)地位的金屬封裝技術(shù)，當(dāng)前仍以高可靠性和氣密性優(yōu)勢，在分立半導(dǎo)體器件及特殊應(yīng)用場景中保持不可替代性。

典型工藝采用Fe-Ni-Co系可伐合金（Kovar）作為基材，通過精密沖壓成型形成管殼主體結(jié)構(gòu)，并在底部引線接觸區(qū)域?qū)嵤┪⒖准庸ぁｊP(guān)鍵工序在于通過可控氧化處理在金屬表面生成致密過渡層，繼而采用硼酸鹽玻璃絕緣介質(zhì)與引線框架實(shí)現(xiàn)低溫共燒封裝——該過程通過500℃梯度加熱實(shí)現(xiàn)金屬-玻璃系統(tǒng)的界面融合，形成滿足MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)的氣密性屏障。

值得注意的是，盡管現(xiàn)代封裝技術(shù)已向塑封和陶瓷封裝主導(dǎo)的方向演進(jìn)，金屬殼封裝在航空航天、汽車電子等高可靠領(lǐng)域仍持續(xù)優(yōu)化。近期行業(yè)動態(tài)顯示，新型低膨脹系數(shù)合金材料（如Fe-Ni42）的引入，有效解決了傳統(tǒng)可伐合金與硅基器件的熱失配問題；同時，激光輔助玻璃燒結(jié)技術(shù)的突破，將封裝溫度從傳統(tǒng)工藝的500℃降至380℃以下，顯著降低了熱應(yīng)力對芯片的影響。這種工藝改良不僅延續(xù)了金屬封裝的密封特性，更通過材料升級與工藝創(chuàng)新，在先進(jìn)封裝時代重新定義了其應(yīng)用邊界，為功率器件、光電子集成等前沿領(lǐng)域提供了兼具傳統(tǒng)優(yōu)勢與創(chuàng)新特性的解決方案。

塑料封裝

塑料封裝作為半導(dǎo)體器件封裝的主流技術(shù)，其工藝核心在于通過環(huán)氧樹脂聚合物將引線鍵合后的芯片與引線框架進(jìn)行精密包封。自20世紀(jì)60年代商用化以來，該技術(shù)憑借成本低、重量輕、加工靈活等優(yōu)勢，在消費(fèi)電子、工業(yè)控制及汽車電子等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。典型工藝流程中，已完成引線鍵合的芯片-引線框架組件以條帶形式在專用軌道上傳送，經(jīng)模塑法或密封法實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的交聯(lián)固化，加工溫度可達(dá)250℃。

其管腳成型技術(shù)兼容插孔式（PIH）與表面貼裝式（SMT）兩種形態(tài)，PIH型管腳通過穿孔焊接實(shí)現(xiàn)電路板級裝配。

而SMT型管腳則以鷗翼、J型等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面貼裝，后者因支持更高I/O密度（如四邊形扁平封裝節(jié)距達(dá)300μm）而成為現(xiàn)代高密度封裝的首選。

材料性能方面，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂雖具備優(yōu)異絕緣性與加工性，但導(dǎo)熱系數(shù)僅0.2W·m?1·K?1，難以滿足高功率器件散熱需求。近期研究通過引入納米填料（如氮化硼、碳納米管）及結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建），使復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)突破1.49W·m?1·K?1，同時平衡介電性能與力學(xué)性能。

工藝革新層面，國內(nèi)設(shè)備廠商已突破500MPa級超高壓成型技術(shù)，適配第三代半導(dǎo)體（SiC、GaN）封裝需求。全自動塑封機(jī)精度達(dá)±2μm，支持球柵陣列等高密度封裝，并集成AI缺陷識別與自適應(yīng)工藝參數(shù)調(diào)整功能，設(shè)備綜合效率提升至85%。

封裝形態(tài)演進(jìn)方面，薄型小外形封裝、四邊形扁平封裝等傳統(tǒng)形式仍占主流，但新型封裝如無引線芯片載體通過邊緣包封設(shè)計，支持表面貼裝直接焊接或插座式裝配，兼顧高密度與可維護(hù)性。

同時，3D打印技術(shù)正突破傳統(tǒng)制造局限，如微納3D打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)200nm級微結(jié)構(gòu)打印，可直接在微型印刷電路板上構(gòu)建高導(dǎo)電性互連，縮短信號傳輸路徑。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)則通過光化學(xué)鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)150納米分辨率的半導(dǎo)體量子點(diǎn)3D打印，加速原型驗(yàn)證周期。

行業(yè)趨勢顯示，塑料封裝正朝高密度、高性能、綠色化方向發(fā)展。表面貼裝技術(shù)因應(yīng)5G、物聯(lián)網(wǎng)需求，向更高速（貼裝速度達(dá)24萬片/小時）、更精密（0201元件貼裝）演進(jìn)，并與半導(dǎo)體封裝工藝深度融合。同時，環(huán)保法規(guī)推動無鉛焊料、可回收材料的應(yīng)用，促使產(chǎn)業(yè)鏈上下游加強(qiáng)環(huán)保合規(guī)管理，構(gòu)建從原材料采購到廢棄處理的全生命周期環(huán)保體系。

陶瓷封裝

陶瓷封裝作為半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域的高性能解決方案，其技術(shù)體系以氧化鋁、氮化鋁等無機(jī)非金屬材料為核心，通過精密成型與燒結(jié)工藝構(gòu)建具有優(yōu)異氣密性與熱穩(wěn)定性的封裝結(jié)構(gòu)。該技術(shù)主要分為耐熔陶瓷封裝與薄層陶瓷封裝兩大類別，分別適配不同應(yīng)用場景的性能需求與成本考量。

耐熔陶瓷封裝以高溫共燒結(jié)陶瓷（HTCC）技術(shù)為代表，其工藝流程始于三氧化二鋁粉末與玻璃粉、有機(jī)介質(zhì)的混合制漿，經(jīng)流延成型獲得厚度約0.0254mm的陶瓷生坯帶。通過干法處理后，采用薄膜沉積、光刻與蝕刻技術(shù)在單層生坯帶上構(gòu)建金屬布線圖形或垂直互連通孔，隨后將多層生坯帶精確對齊并層壓，最終在1600℃高溫下實(shí)現(xiàn)共燒結(jié)，形成致密的三維陶瓷基體。

若將燒結(jié)溫度調(diào)整至850~1050℃區(qū)間，則演變?yōu)榈蜏毓矡Y(jié)陶瓷（LTCC）技術(shù)，該變體通過引入低熔點(diǎn)玻璃相，在降低工藝能耗的同時保留了多層布線能力。耐熔陶瓷封裝的核心優(yōu)勢在于其接近零的吸水率與優(yōu)異的高頻特性，但高收縮率導(dǎo)致的尺寸公差控制難題，以及氧化鋁基材較高的相對介電常數(shù)（約9.8~10.2），使其在超高頻（如毫米波）應(yīng)用中面臨寄生電容增加的挑戰(zhàn)。典型封裝形式為針柵陣列（PGA），采用2.54mm節(jié)距的銅管腳構(gòu)建插孔式裝配結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于高性能微處理器等需要高I/O密度與氣密性保護(hù)的場景。

薄層陶瓷封裝則采用雙片式結(jié)構(gòu)，通過低溫玻璃密封技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。其工藝特點(diǎn)在于將引線鍵合后的芯片-引線框架組件夾置于兩片預(yù)成型的陶瓷薄片之間，經(jīng)低溫?zé)Y(jié)形成密封腔體。

此類封裝又稱陶瓷雙列直插封裝（CERDIP），其材料成本較HTCC降低約30%，同時保留了陶瓷封裝的核心優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)上，CERDIP通過邊緣包封設(shè)計實(shí)現(xiàn)表面貼裝兼容性，適用于存儲器等中等密度I/O需求的應(yīng)用場景。