3D封裝與LED封裝技術(shù)

3D封裝

由于電子整機(jī)和系統(tǒng)在航空、航天、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域?qū)π⌒突?、輕型化、薄型化等高密度組裝要求的不斷提高，在MCM的基礎(chǔ)上，對于有限的面積，電子組裝必然在二維組裝的基礎(chǔ)上向z方向發(fā)展，這就是所謂的三維(3D)封裝技術(shù)，這是今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組裝的有效手段。實(shí)現(xiàn)3D封裝主要有三種方法。一種是埋置型，即將元器件埋置在基板多層布線內(nèi)或埋置、制作在基板內(nèi)部。電阻和電容一般可隨多層布線用厚、薄膜法埋置于多層基板中，而IC芯片一般要緊貼基板。還可以在基板上先開槽，將IC芯片嵌入，用環(huán)氧樹脂固定后與基板平面平齊，然后實(shí)施多層布線，最上層再安裝IC芯片，從而實(shí)現(xiàn)3D封裝。第二種方法是有源基板型，這是用硅圓片IC(WSI)作基板時(shí)，先將WSI用一般半導(dǎo)體IC制作方法作一次元器件集成化，這就成了有源基板。然后再實(shí)施多層布線，頂層仍安裝各種其他lC芯片或其他元器件，實(shí)現(xiàn)3D封裝。這一方法是人們最終追求并力求實(shí)現(xiàn)的一種3D封裝技術(shù)。第三種方法是疊層法，即將兩個(gè)或多個(gè)裸芯片或封裝芯片在垂直芯片方向上互連成為簡單的3D封裝。更多的是將各個(gè)已單面或雙面組裝的MCM疊裝在一起，再進(jìn)行上下多層互連，就可實(shí)現(xiàn)3D封裝。其上下均可加熱沉，這種3D結(jié)構(gòu)又稱為3D.MCM。由于3D的組裝密度高，功耗大，基板多為導(dǎo)熱性好的高導(dǎo)熱基板，如硅、氮化鋁和金剛石薄膜等。還可以把多個(gè)硅圓片層疊在一起，形成3D封裝。先進(jìn)的疊層式3D封裝技術(shù)近幾年來，先進(jìn)的封裝技術(shù)已在IC制造行業(yè)開始出現(xiàn)，如多芯片模塊(MCM)就是將多個(gè)IC芯片按功能組合進(jìn)行封裝，特別是三維(3D)封裝首先突破傳統(tǒng)的平面封裝的概念，組裝效率高達(dá)200%以上。它使單個(gè)封裝體內(nèi)可以堆疊多個(gè)芯片，實(shí)現(xiàn)了存儲容量的倍增，業(yè)界稱之為疊層式3D封裝;其次，它將芯片直接互連，互連線長度顯著縮短，信號傳輸?shù)酶烨宜芨蓴_更小;再則，它將多個(gè)不同功能芯片堆疊在一起，使單個(gè)封裝體實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而形成系統(tǒng)芯片封裝新思路;最后，采用3D封裝的芯片還有功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，這使電子信息產(chǎn)品的尺寸和重量減小數(shù)十倍。正是由于3D封裝擁有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，加上多媒體及無線通信設(shè)備的使用需求，才使這一新型的封裝方式擁有廣闊的發(fā)展空間。最常見的裸芯片疊層3D封裝先將生長凸點(diǎn)的合格芯片倒扣并焊接在薄膜基板上，這種薄膜基板的材質(zhì)為陶瓷或環(huán)氧玻璃，其上有導(dǎo)體布線，內(nèi)部也有互連焊點(diǎn)，兩側(cè)還有外部互連焊點(diǎn)，然后再將多個(gè)薄膜基板進(jìn)行疊裝互連。裸芯片疊層的工藝過程為：第一步，在芯片上生長凸點(diǎn)并進(jìn)行倒扣焊接。如果采用金凸點(diǎn)，則由金絲成球的方式形成凸點(diǎn)，在250～400 ℃下，加壓力使芯片與基板互連;若用鉛錫凸點(diǎn)，則采用 Pb95Sn5(重量比)的凸點(diǎn)，這樣的凸點(diǎn)具有較高的熔點(diǎn)，而不致在下道工藝過程中熔化。具體方法，先在低于凸點(diǎn)熔點(diǎn)的溫度(180～250 ℃)下進(jìn)行芯片和基板焊接，在這一溫度下它們靠金屬擴(kuò)散來焊接;然后加熱到250～400 ℃，在這一溫度下焊料球熔化，焊接完畢。第一步的溫度是經(jīng)過成品率試驗(yàn)得到的，當(dāng)?shù)陀?50 ℃時(shí)斷路現(xiàn)象增加;而當(dāng)高于300 ℃時(shí)，則相鄰焊點(diǎn)的短路現(xiàn)象增多。第二步，在芯片與基板之間0.05 mm的縫隙內(nèi)填入環(huán)氧樹脂膠，即進(jìn)行下填料。第三步，將生長有凸點(diǎn)的基板疊裝在一起，該基板上的凸點(diǎn)是焊料凸點(diǎn)，其成分為Pb/Sn或Sn/Ag，熔點(diǎn)定在200～240 ℃。這最后一步是將基板疊裝后，再在230～250 ℃的溫度下進(jìn)行焊接。MCM疊層的工藝流程與裸芯片疊層的工藝流程基本一致。除上述邊緣導(dǎo)體焊接采用互連方式外，疊層3D封裝還有多種互連方式，例如引線鍵合疊層芯片就是一種采用引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)疊層互連的，該方法的適用范圍比較廣。此外，疊層互連工藝還有疊層載帶、折疊柔性電路等方式。疊層載帶是用載帶自動(dòng)鍵合(TAB)實(shí)現(xiàn)IC互連，可進(jìn)而分為印刷電路板(PCB)疊層TAB和引線框架TAB。折疊柔性電路方式是先將裸芯片安裝在柔性材料上，然后將其折疊，從而形成三維疊層的封裝形式。

LED封裝

LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護(hù)管芯正常工作、輸出可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。LED的核心發(fā)光部分是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)管芯。當(dāng)注入PN結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會發(fā)出可見光、紫外線光或者紅外線光。但PN結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)方向發(fā)射有相同的幾率。因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)和幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點(diǎn)與金絲鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過發(fā)射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護(hù)管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(zhì)(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角;管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過多光的損失。選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂做過渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性、絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材料和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應(yīng)的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2 -0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)PN結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱時(shí)保持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要。以往采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會隨著電流的增大而增加。目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1A級，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)。全新的LED封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善了熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。