高密度封装对封装材料的要求在线视频

我们再讲高密度封装

对封装基板

对材料的要求

高密度封装

注意这是高密度封装

对封装基板及材料的要求

高密度封装

什么是高密度封装

倒装芯片的

倒装芯片的封装

倒装芯片封装

采用的各种新材料

下边讲

我们里边是既然用封装

对绝缘介质的材料

按绝缘介质材料对基板

电子基板的分类

不同介质材料

介电常数

热导率 热膨胀系数

它的高低的比较

那么这就是说

所谓的高密度封装

它封装密度一高了

那么散热就要多了

高密度封装

为什么要高密度封装

用在高频上

高散热的

高封装密度的

那么对于这是什么

对于电子封装材料

提出了很高很高的要求

好 那么我们再看看

倒装芯片

倒装芯片的结构

注意我们在讲

封装的过程当中讲过了

电极面朝上的

芯片的电极面朝上的

叫做正装片

而芯片的电极面朝下的

叫做倒装片

我们看看芯片

注意 芯片这个地方在这儿

那么我们讲

集成电路第一章的时候讲过的

栅极管在上边

源 栅 漏 源 栅 漏 源 栅 漏

那么源 栅 漏

随着集成度的增加

要采取多层布线

白的是多层布线

多层布线

电极要引在

表面上来

电极面朝下的

因此给它叫做倒装片

注意 这是芯片

倒装芯片

倒装芯片要贴在

封装基板上

封装基板

通过焊球

要连接在印制电路板上

印制电路板上

跟其它的电子元器件

都贴在印制电路板上

印制电路板

形成一个系统以后

再插装在系统上去

好 我们看看倒装芯片

这是高密度封装了

高密度封装

有哪些要求

首先要散热

引脚数增加了

功能提高了

密度越来越高了

散热可能是一个

比较大的问题

用什么散热

背面要贴上热沉

金属热沉

或者陶瓷热沉

把热量散发出去

封装基板本身

也是导热性非常好的材料

从导热孔

把热量导出去

与此同时

要采用集层式的印制电路板

什么叫做集层式的印制电路板

我们后边还要单讲

那么布线

要采取铜布线

要绝缘材料

要采取低介电常数的材料

那么与此同时

就是在芯片侧的焊料凸点

注意芯

芯片侧的焊料凸点

注意芯片侧的

那个电极要做成凸点

基板侧

要做成焊料的端子

那么使凸点跟焊料端子

要连接起来

注意 在芯片侧

是做的是芯片侧的焊料凸点

或者金凸点也行

焊料凸点也行

基片侧

要做成焊料端子

通过回流焊

来连接起来

那么

这个是焊料凸点

这个是铜凸点

这是仔细的讲

连接过程当中

它里边一些材料问题

那么我再重复一遍

对于印制电路板

要采取铜布线

要采取低介电常数材料

对这个要做成焊料凸点

这上边的用热沉

特别是焊料凸点

芯片侧焊料凸点

我们知道

原来的芯片

是铝电极的

铝电极要想跟外边

实现连接

我们第一章讲过

只能通过金丝或者铝丝

通过热压焊 超声焊

或者超声热压焊

把金丝wire bonding引出线来

那现在不是了

不用金丝了

也不用铝丝了

也不用超声焊 热压焊

超声热压焊了

要把铝电极

直接给什么

基板侧的焊料凸点

给它连接在一块

注意这边是铝

这边是焊料端子

铅锡焊料

铝 当然无铅焊料

也是可以的

注意这个是铝电极

要跟铅锡焊料

或者是无铅焊料连接在一块

怎么实现这个连接

这就是一个很大的问题

怎么实现连接

它就是一个很大的问题

怎么实现连接

一定在铝电极上

要做上凸点

要形成凸点

凸点是什么

凸点必须它表面

要跟它能说上话的

把它的表面跟焊料端子

能说上话

能键合在一块的

铝肯定是不行的

那么这边是焊料

这边是铝

那怎么办

所以铝电极侧

必须要形成所谓的焊料凸点

焊料凸点关键是UBM

就是凸点下金属层

这UBM

凸点下的金属层

那么想想

从铝电极

要跟焊料端子

用焊料给它回流焊

连接在一块

而且可靠性非常高的

连接在一块

必须得再处理铝电极

就是通过UBM

UBM凸点下金属层的

金属层要实现连接

凸点下金属层

几层 三层

注意三层

跟铝电极相接触的这一层

是用过钛这种金属

要跟什么

要跟铝实现很好的连接

为什么钛能跟铝

实现很好的连接

因为钛形成氧化钛

跟三氧化二铝

它们的形成自由能差不太多

就是说表面

是氧化铝的表面

我现在

给沉积上一层钛

钛也形成氧化膜

钛的氧化膜

跟铝的氧化膜

它形成自由能差不多

因此钛

就可以跟铝

很好的黏附在一块

把这一层

叫做黏附层

把这一层

叫做黏附层

那么跟焊料相接触

一定叫做接焊层

接焊层是什么

一定是焊料 铅锡焊料

或者是什么

无铅焊料

叫做接焊层

接焊层跟刚才说的

那个钛层之间

必须得加上一个防扩散层

防扩散层是什么

一般是用镍

防扩散 防形成金属间化合物

等等这些东西 是镍

因此凸点

在铝电极上的凸点

必须得有三层

第一层是钛

叫做黏附层

第二层就是镍

防止扩散层

第三层

接焊层

接焊层跟它差不多

接焊层

可以是金的

可以是什么

可以是焊料的

所以有三层组成的UBM

组成的凸点

形成凸点以后

才能跟印制电路板

上边的基板侧的

焊料端子联系在一块

当然了

电极的一侧的

UBM

往往是在硅圆片程度上

我就给它做好

每个电极上我都做UBM

每个电极上都做M

三层的

第一层是钛

第二层是镍

第三层是什么 金

或者是焊料

给它都做好了

都做好了以后

表面就不是铝电极了

是UBM

是什么

是凸点

是已经形成焊料凸点

或者金凸点了

把焊料凸点 金凸点

给它上边一接触

因为这边是焊锡

一回流焊就粘好了

所以说要做倒装片的封装

跟原来的

那个正装片的wire bonding

它是不一样的

不一样的要求是什么

就是对芯片的

表面铝电极必须做处理

做处理的是什么

使它形成UBM

形成一个凸点

凸点再往上边一接触

就接触好了

这是首先

我们说的倒装片的封装

必须对这个进行处理了

那么我们刚才讲了

凸点的情况

下边

我们就讲印制电路板的情况

印制电路板

这张图是按绝缘材料

对电子基板的分类

首先

它分有机锡的还有无机锡的

有机系的 是无机系的

首先看看有机系的

有纸基的板

有玻璃布的基板

有复合基板

有耐热性塑料基板

有挠性基板

有积层多层基板

这是有机系的

因为我们电子封装里边

用的基板比较多的

都是有机系的

那么无机系的是什么

有金属类的基板

有陶瓷类的基版

有其它基板

或者是玻璃基板

是硅基板

金刚石基板等等这些

早期用的是纸基的

纸基的酚醛树脂

那么现在也有用的

小孩玩具什么这些

一些一次性用的一些东西

或者价钱很便宜的这些东西

纸基的

现在用的大部分是环氧基的

那么复合基板

就是要求比较高了

耐热性

就是随着耐热

要求比较高

用的一些新的基板材料

后面我们还要单讲

那么我这张图

是在目前可看到的资料当中

是非常全的

基板材料

是用的是

已经列得非常全的了

对基板材料

当然从材料类型分

有各式各样的

有机系当中

就有各种类型

无机系当中也各种类型

但是我们要看基板材料

从性能上分

常用的基板材料

有三个最主要的特型

我们进行比较

哪几个最主要的特型

一个是介电常数

一个是热导率

一个是热膨胀系数

一个是介电常数

一个是热导率

一个是热膨胀系数

我们看看

我们平常用的比较多的

当然发热

随着密度的增加

发热比较多了

我们看它的热量

芯片的热量

背后有一个热沉传输器

另外

还可以从下边

通过印制电路板

把热量传出去

当热量比较高的时候

就要求热导率

要求比较高

热导率

另外一个问题是什么

因为我们知道电子封装

是各种材料的

一个系统集成

我们讲了

我再重复一遍

什么叫做电子封装

是通过膜技术

或者是微互联技术

将芯片与什么

与框架

与印制电路板

基板

或者塑料膜片

给它连接在一块

通过环氧树脂

给它做成一个（）的整体

实现一个系统的功能

电子封装是这么定义的

我们从这个定义可以看到

电子封装体本身

是各种材料的一个集合体

里边有半导体

有金属

有有机材料

有绝缘材料

还有电子浆料

等等它一个复合的整体

那么复合的整体

当升温 降温

计算机开机 关机

开机 关机 运行

高功率运行

低功率的运行

开机 关机的过程当中

必然的温度有变化

温度一变化

它就会热胀冷缩

如果大家伙

热膨胀系数都一样

温度一高 降低

它问题不大

如果热膨胀系数不一样

温度一升高

热膨胀系数大的

就开始膨胀

热膨胀小的系数

膨胀不如它

它肯定是发生翘曲

膨胀大的它会

翘曲过来

当温度一降温

降温很多的时候

热膨胀系数在收缩很多

一收缩很多

它就肯定是这么弯曲

就是像双金属片一样

如果里边的材料

各种各样的材料用的非常多

升温降温

它必然会产生热应力

甚至会产生疲劳

时间长了会产生裂缝

或者是什么失效

或者是开裂

等等这些东西

因此

我们对封装系统当中

它的热导率有一定的要求

对热膨胀系数

也有一定的要求

起码系统得

相容性得比较好

那么介电常数是怎么个意思

我们刚才讲了

因为我们讲随着频率的升高

那么集成参数

它就会信号有作用

比方说两条布线

两条平行的布线

我们知道平行布线当中

平行的导体当中

它会有电容

它就会有电容

那么电容的

电容量的大小 平板

两个金属平板电容量的大小

是跟什么有关系

跟介电常数有关系

关于介电常数

我们知道两条

就是说两个平板

平行平板当中

它的电容量的大小是什么

跟介电常数有关

跟它的平板的面积成正比

跟它的距离成反比

因为布线

是距离越来越近

布线

由于轻 薄 短 小

而布线越来越近

它的距离就很小了

如果面积一旦变大

那么它的电容

就比较高了

特别是介电常数一高

电容就大了

电容一大了

注意介电跟绝缘

它是两个不同的概念

介电

绝缘就是通和不通

导通

就是导电性非常好

那就是导体

要么是通

要么是断

这是一般的

对直流而言

对一般的交流而言

五六十周的这种

它也是一个导通一个

一个通和断的问题

但是随着信号频率的增高

必须考虑介电性能

所谓介电性能

就不是完全是一个

通断的概念了

它就是个介电的概念

介电的概念是什么

有电感电容

一有了电感电容那就

那就它有感抗有容抗了

所谓感抗有容抗

任何两条线

再有了电容

有了电感

信号就可以传过去

那么传过去

它受到的阻碍

就是跟电阻在某种意义上

它是等价的了

或者是什么容抗感抗

所以随着频率的升高

材料的介电性能

要求是越来越高

因为现在频率已经很高了

达多少

一般手机都是G以上

卫星通信必须得1个G以上

过去是多少K多少兆

那么电视信号多少兆

或者是什么

过去一般的手机是几百兆

但现在高了

卫星通信必须得一个G以上

现在3G 4G

甚至以后的汽车防撞系统

这些东西都是大几十个G了

信号的频率

信号的频率升高的很快

这频率一升高

感抗 电抗

因为感抗 电抗里面

都有一个Gω

它跟频率都有关系了

所以高频信号必须考虑介电性能

考虑介电性能

最主要的是介电常数

对于布线

绝缘介质来讲

介电材料也好

介电常数越低越好

我们讲的相对介电常数

相对介电常数最低的是谁

最低的是真空

是空气

但是不能都做成空气

都做成真空

都做成气泡

做成气泡 做成真空

它就没有强度了

所以

还是选一些介电常数低的材料

我们一般用的

这种介质材料

比方说环氧树脂之类的

玻璃之类的

这种材料的

大概是几左右

比方说三氧化二铝就高了

氮化铝也就比较高了

那么介电常数本身

跟它的晶体结构的对称性有关系

那么一出现了极性

极性跟外部的电路一响应

它就

介电常数就高上来了

我们再说说热导率

一般也是问同学们

热导率跟什么有关系

热导跟电导是同一个机制

都是自由电子

不能推广

必须得分开

对金属来讲

热导机制跟电导机制是相似的

都是靠的自由电子

都是靠的自由电子的碰撞

因此对金属材料来讲

电导率高的

热导率也高

哪些电导率高

最好它是银 铜 金 铝这些

电导率高

一般用的导体都是这几种

热导率也高

这是对金属而言的

因为它是个自由电子

碰撞

造成的热导导热

但是对无机非金属材料来讲

就不能用这种机制来解释

为什么不能用这种机制来解释

它没有自由电子

那么对于陶瓷材料

它的导热机制是什么

导热机制是声子导热

也就是晶格震荡

通过晶格振荡把热量传出去

那么从这种意义上讲

热导率比较好的材料

陶瓷材料选哪些

选那些原子系数低的

那些材料而组成的

热导率就比较好

那么哪些比较好

氧化铍 氮化铝

下边是三氧化二铝

那个就比较好

那么比方说氧化铍

那是最好的金刚石了

那么氧化铍 氮化铝

它的热导率

如果用瓦每米K来表示

一般是到170

甚至好的

理论上到300左右

那么

三氧化二铝

就低多了

低几个数量级左右

但是二氧化二铝有

什么96瓷 94瓷 96瓷 98瓷等等这些东西

随着三氧二铝的纯度的提高

它的热导率比较好

但是充其量到30

20到30瓦每米K左右

下边到二氧化硅

就又低一个数量级

2到3了

到玻璃什么的

就又低一个数量级了

到有机材料

它可能到0.1到1左右

0.1左右瓦米

所以

这就差几个数量级

最好的金刚石到2000

我刚才讲了氧化铍 氮化铝

到2000到3000

到三氧化二铝

20到30

到二氧化硅

是2到3

到一般的

玻璃材料

是1左右

再往上有机材料得0.1左右

一个数量级两个数量级

三数量级 像台阶这样

这么降低下来

那热导对电子行业

整个的广义上电子行业

提出的要求

是越来越高

比方说发光二极管

LED 固体照明

由于它热量非常集中

要把热量导出来

它基板

氮化铝的基板

用金属基板等等这些

要求也越来越高

我们在固体照明那一部分

我们再详细讲

下边热膨胀系数

热膨胀系数跟什么有关系

跟键的强度有关系

原子结合键的强度有关系

如果键的强度越高

热膨胀系数越小

键的强度越低

热膨胀系数越大

主要是跟键的强度有关系

比方说都是金刚石结构

金刚石是金刚石结构

锗是金刚石结构

硅也是金刚石结构

那么谁的热膨胀系数小

当然是金刚石的热膨胀系数小

次之是硅

锗热膨胀系数大

为什么说

因为金刚石碳原子之间的

离的非常近

键非常强

因此在温度提高

降低的时候

它变化不是很大

随着键的距离增加了

键强逐渐弱了

键一弱

温度一高

它振幅就大了

因此热膨胀系数就比较高了

从这个意义上讲

我们可以初步的判断一下

凡是键强度的

对金属来讲熔点高的

热膨胀系数就小

熔点低的 热膨胀系数就大

比如来讲钨

热膨胀系数就小

铁热膨胀系数居中

铝热膨胀系数最大

凡是键强度大的

热膨胀系数就小

凡是键强度比较弱的

热膨胀系数就比较大

从这个意义上讲

有机材料热膨胀系数就是高

那么我们从这个意义上讲

可以问同学们思考一个问题

硅 半导体硅

二氧化硅和环氧树脂

哪个热膨胀系数高

很显然谁的热膨胀系数最大

环氧树脂的热膨胀系数最大

谁的热膨胀系数最小

二氧化硅的热膨胀系数最小

硅处在二者的中间

那么我们说从这个原理

我们就讲一下

为什么环氧塑封料当中

环氧塑封料是由哪些组成的

环氧塑封料EMC

注意

前两节我讲过了

环氧塑封料EMC

由什么所组成的

最主要的是二氧化硅

百分之七八十

20%左右的什么

环氧树脂

主要是这两种材料

其他的什么

加上一些什么什么

什么脱模剂

什么增塑剂等等这些

都是添加了

主要是这两种

那么我们看看

为什么环氧塑封料里边

要加上二氧化硅

要加二氧化硅为什么

大家可以想想

为什么要加二氧化硅

光用环氧树脂行不行

环氧塑封料里边

我广用环氧树脂行不行

环氧树脂跟芯片一浇铸

浇铸在一块行不行

不行的

为什么不行

这里二者的热膨胀系数差别太大

差别太大是什么意思

因为一受热环氧树脂就膨胀

一膨胀 那硅芯片它不膨胀

一收缩它又过来了

形成双金属片

那么环氧树脂比较多

那芯片比较薄

那温度提到一定程度

芯片就会裂了

那么为了解决这个问题

我往里边加上二氧化硅

注意二氧化硅

它的热膨胀系数比硅还要小

那么注意环氧塑封料

环氧树脂加二氧化硅混在一块

这二者的结合

注意

一个比硅大

是环氧树脂 比硅大

一个倒是比硅小

二氧化硅比硅小

一大一小一平均

加权平均

我可以调整的跟硅芯片的

热膨胀系数不相上下

这样不相上下

温度升高也好降低也好

升高也好降低也高

双金属片效应就减弱了

就不会产生很大的热应力

这样

就解决了热应力的问题

因此往里边加二氧化硅

当然加二氧化硅远不止

我们刚才讲的热膨胀系数

匹配的问题

热膨胀系数匹配是原因之一

除了这个以外

它还有什么作用

它是可以增加散热

可以防潮

因为环氧树脂

它容易吸潮

一吸潮 特别是环氧树脂里边

有一些个氯离子在这里边

它会形成电池

我加上环氧树脂

我加上二氧化硅

二氧化硅它不吸潮

它增加它的可靠性

增加可靠性

增加热导 增加可靠性

热膨胀系数匹配

然后还有一个机械保护

还有机械保护

因为环氧树脂非常软

加上二氧化硅

它组成一个刚性的东西

它可以机械保护

而且它的绝缘性能也非常好

二氧化硅的绝缘性能也非常好

因此

环氧塑封料里边

必须得加二氧化硅

二氧化硅它有哪些作用

要记住

热膨胀系数匹配

要绝缘要防潮要机械保护

等等这些

必须得往里加二氧化硅

所以从这个意义上讲

我们举了三种性能

哪三种性能

一个是介电常数

一个是热导率

一个是什么

热膨胀系数

热膨胀系数我们讲了很多了

热导 我们增加热导率

如果是高功率器件

一些个高功率器件

要想把热量导出来

在基板上那选材的时候

要高热导的

大家伙想到了我用金属

在有些情况下金属是不合适的

因为有绝缘问题

有其他问题

我们必须得考虑其他的

高热导材料

高热导材料是哪些

我们刚才讲的

什么氮化铝

什么碳化硅

氧化铍

当然氧化铍它有毒了

是不好用

有时候用三氧化二铝

当然有时候我们做成复合材料

也可以增加它的热导率

当然我们刚才讲的

环氧塑封料本身就是个复合材料

为什么它本身是个复合材料

它是以颗粒增强到

或者是什么东西

它复合材料

这个复合材料

一提复合材料

往往我们讲到的是

机械性能的复合

实际上不然

我们在电子元器件当中

好多是功能的复合

不光是机械性能的复合

其他

热的复合 热功能的复合

等等这些

还有介电常数

介电常数

注意介电常数

我们不是说是越低越好

有的情况下我们用高电

要高K 低K

我们在布线

在印制电路板当中

在布线当中

我们用的是低介电常数

要求它越低越好

在有些情况下

有高K的

高介电常数的

哪些用高介电常数

在芯片里面存储器

存储器要想存储信号

要增加它的电容量

在减少面积

在减少面积的情况下

要想增加电容的电容量

采取的办法是什么

高介电常数的

利用什么

那个介电中采取什么

钛酸钡类型的这种

钙钛矿类型的这种

它介电常数很高

到多少 几千上万

那么几千上万

意思说就把电容器的面积

可以小到一千倍一万倍

这当然我们在集成电路里边

在电子封装里边

注意有的时候

用的高K的 有的用的低K的

就看用途来选择不同的材料