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标题: 電子封裝工業重要性與曰俱增 [打印本页]

作者: 最凉 时间: 2011-5-1 09:13
标题: 電子封裝工業重要性與曰俱增
從20世紀下半葉以來，以半導體為中心的電子工業，成長驚人且表現亮眼。綜觀台灣近年的各項科技發展，電子工業與相關產業的蓬勃發展與長足進步，更是有目共睹。

在電子工業中，除了最受矚目的半導體工業外，電子構裝工業（Electronic Packaging Industry）也伴隨著電子產品輕、薄、短、小與高功能的要求而愈顯重要，更有與半導體工業平分秋色的態勢。電子構裝工業的封裝技術更推陳出新，如球柵陣列構裝（Ball Gate Array Package）、塑膠針列構裝（Plastic Pingrid Array Package）、TQFP、TSOP等。
電子構裝技術一窺究竟
電子構裝技術是指從半導體積體電路製作完成後，與其它的電子元件共同組裝於一個聯線結構之中，成為一電子產品，以達成一特定設計功能的所有製程。電子構裝主要的功能有四，分別是電能傳送（Power Distribution）、訊號傳送（Signal Distribution）、熱的散失（Heat Dissipation）與保護支持（Protection and Support）。

電子構裝又可依與積體電路的遠近，分成幾種不同的層次：第一層次的構裝（First Level Packaging），又稱為晶元層次的構裝（Chip Level Packaging），為積體電路晶片與構裝結構接合形成電子元件（Electronic Module）的製程；圖一所示的塑膠雙列式構裝（Plastic Dual-in-line Package, PDIP），其第一層次的構裝包涵了晶元接著（Die Attach）、打線接合（Wire Bond）與封膠（Encapsulation）等製程。第二層次的構裝（Second Level Packaging），則是指將經第一層次構裝與其它的電子元件組合於電路板上，形成電路卡或電路板；在第二次構裝中，最常見的考量是印刷電路板的製作及元件與電路板的連接技術，如針通孔式技術（Pin Through Hole, PTH）與表面黏著技術（Surface Mount Technology, SMT）。第三層次構裝（Third Level Packaging）與第四層次構裝（Fourth Level Packaging），是指將電路板與電路卡組合，形成次系統與系統產生作用的製程。

圖一
電子構裝過程中運用的金屬材料\
半導體晶片向外的連接，主要有覆晶（Flip Chip）、捲帶式自動接合（Tape Automatic Bonding, TAB）與打線接合（Wire Bond）等三種常見的技術，打線接合是最常被使用的方法，以圖一來看，晶片先以適當的材料，如Au-Si、Au-Sn的共晶（Eutectic）或更常用的填充食的環氧樹脂（Epoxy）黏著劑，將晶片固著於金屬導線架上（Lead Frame）；再以超聲波接合（Ultrasonic Bonding）、熱壓接合（Thermal Compression Bonding）或兩者方法合用，將細金屬線依序與晶片及導線架完成接合。在以覆晶技術接合的製程中，晶片與基材的接合依賴銲料（Solder），如圖二所示。銲料依其使用的製程與系統的其它材質，而有不一樣的成份選擇外，其所使用形態也並非一致，常見的有銲棒（Solder Bar）、銲塊（Solder Ingot）、銲線（Solder Wire）與銲膏（Solder Paste）等，在覆晶技術接合的製程中，晶片上銲點凸塊（Solder Bump）與基材上對應部份的製作最為重要。在這些製程中，金、鉑、鎳、銅、鉻薄層常被鍍在晶片與基材上，來增加黏著性及提高與銲料之間的濕潤性。

圖二
電子構裝技術的要角 - 高分子材料
高分子材料可應用電子構裝技術的以下三個層面：
印刷電路板
組合電子元件的印刷電路板，大都採用複合材料積層板，鍍上一層銅箔再經蝕刻程序得到要求的印刷電路板。複合材料是將強化纖維（如玻璃纖維、碳纖維或有機纖維……等）以樹脂（熱固性樹脂或熱塑性樹脂）結合而成的一種結構材料。複合材料不但有優異的機械強度，同時亦有極佳的尺寸安定性。目前印刷電路板材料以採用玻璃纖維最為普遍，因熱固性樹脂在尺寸安定性及耐熱性上較熱塑性樹脂為佳，故樹脂材料以採用熱固性樹脂為主，其中又以採用環氧樹脂最為普遍。應用高剛性的纖維及高耐熱性樹脂作為印刷電路板製作材料，是目前及未來發展的方向。
半導體封裝材料
使用高分子樹脂作為電子元件及晶元（Chip）的封裝材料，因高分子材料與被封裝基材在本質上的差異，有下列特性：
1.       低應力化：當電子元件或晶元利用高分子樹脂作為封裝材料時，由於封裝前後樹脂特性的變化，以致於元件在定位上因而發生偏移，而使封裝成品失敗。以高分子封裝材料中，最普遍的是熱固性環氧樹脂，其硬化前為具有流動性黏稠流體或半膠化的膠體，硬化後則形成交聯網目的固體。樹脂與晶元的熱膨脹係數有極大的差異，因而在樹脂硬化後，冷卻收縮過程因熱膨脹的差異，在樹脂與晶元兩者間可能產生內應力，導致樹脂龜裂、晶元破裂、黏著分離或元件接著腳偏移或斷裂等。為了降低封裝樹脂與晶片間的內應力，於樹脂配方中皆添加相當量具低熱膨脹係數的填充物（Filler），如二氧化矽粉、氧化鋁粉、氮化硼粉、石墨纖維或其他無機化合物粉粒……等。
2.       高熱傳導性：隨著電子元件高密集化，使用過程元件產生的熱量隨之增加，這些必須迅速移出系統之外，以免系統內部因熱量持續累積而溫度上升，進而使系統失效或部份元件被破壞。為有效傳送熱量，最便捷的方法就是改進封裝樹脂的熱傳導性。一般是在封裝樹脂配方中添加熱傳導性良好的填充物，如石墨纖維或氧化鋁粉等。
3.       高耐熱性：因電子元件應用領域的擴展及使用環境的變化，樹脂的耐熱性要求亦相對提高。高分子樹脂中添加無機化合物的填充物，對其耐熱性的提升有一定的幫助。但基於樹脂本身耐熱性的限制，根本之道乃應在於提升封裝樹脂的耐熱性才是。聚亞醯胺樹脂（Polyimide）因具有良好的耐熱性，其熱裂解溫度較環氧樹脂高約100℃以上。
4.       耐濕性及耐腐蝕性：在可靠度的要求下，濕氣問題常是使電子元件失效的另一項主因，電子構裝中濕氣的來源可能來自於封裝製程的環境、應用時由外界擴散進入或因樹脂及積層板所吸附的水份。濕氣進入封裝體可能造成接著面破壞，同時濕氣亦可能與封裝樹脂中離子性不純物起化學作用而腐蝕鋁質電極線路。
5.       電氣性：如果封裝過程不良，產生空隙的存在，不但會吸附濕氣且進而可能引發電路腐蝕，使元件在接受電壓時會發生電暈現象，使電場集中在空隙前端，引起內部放電而造成絕緣破壞。
導電性接著材料
半導體晶片中電子元件與線路之連接，傳統上以錫銲接為主。但隨晶片的小型化及功能的增加，晶片中電子元件與線路接腳數目也會增加，而且愈趨微細。以導電接著劑取代銲鍚，用於表面構裝的技術乃因應而生。導電接著劑俗稱導電膠，在使用時不須銲劑，省卻助銲、銲接、清洗的步驟，沒有CFC的污染。導電接著劑屬於導電高分子材料之一種，而導電高分子又可分為本質型導電高分子或填充型導電高分子，本質型導電高分子主要特性為含有共軛雙鍵的主鏈結構，利用其

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