摘 要：简述了电子封装的类型，详细综述了金属封装材料、陶瓷封装材料和塑料封装材料的发展，详细综述了单列直插式封装(SIP)、双列直插式封装(DIP)、有引线塑料芯片载体(PLCC)、四方型扁平封装(QFP)、球栅阵列封装(BGA)和芯片级封装(CSP)等封装形式的概念、性能和优缺点。此外，还指出了电子封装的发展历程中面临的各种标准的统一问题。
关键词：封装类型 封装材料 封装形式 封装标准
中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-084-03
1 电子封装的类型
电子封装是指对电路芯片进行包装，保护电路芯片，使其免受外界环境的影响的封装。依据成型工艺来划分①，电子封装划分为预成型封装(pre-mold)和后成型封装(post-mold)。依据使用的封装装材料来划分，电子封装分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装。依据封装外型来划分②，划分为单列直插式封装(SIP，single in-line package)、双列直插式封装(DIP，dual in-line package)、有引线塑料芯片载体(PLCC，plastic-leaded chip carrier)、塑料四方型扁平封装 (PQFP，plastic quad flat package)、小外形封装(SOP，small-outline package)、薄小外形封装(TSOP，thin small-outline package)、塑料针栅阵列(PPGA，plastic pin grid array)、塑料球栅阵列(PBGA，plastic ball grid array)、芯片级封装（CSP ,chip scale package)等。如果按第一级与第二级连接方式来划分，就划分为插孔式(或通孔式)(PTH，pin-through-hole)和表面贴装式SMT(surface-mount-technology)。
2 封装材料的发展
2.1 金属封装③
金属封装是将分立器件或集成电路置于一个金属容器中，用镍作封盖，并镀上金属，是半导体器件封装的最初的形式，适合于低I/O引脚数的封装。在散热方面，很多封装也都用金属作为散热片或者热沉。金属材料多数作为壳体、底座和引线使用。
金属材料是作为芯片和基板的支撑和保护的，而芯片和基板材料都比较固定，如芯片材料一般是Si，GaAs；陶瓷材料一般是Al2O3，BeO，AlN。它们的热膨胀系数(CTE)在3?0-6K-1～7?0-6K-1。这就要求金属材料要具有以下特征：(1)与芯片和基板相匹配的热膨胀系数。(2)好的热导率。(3)加工性能要好，易于成批量生产。
2.1.1 传统封装金属
常用芯片、基板及金属封装材料的性能如表１。
铜的热导率高达400 W(m-3K-1)，是散热非常理想的封装壳体，但是它的热膨胀系数也高达17.3?0-6K-1，产生的热应力很大，此外，铜的退火后机械性能差，容易永久变形，所以阻碍了其使用。
表1 常用芯片、基板及金属封装材料的性能
铝的热膨胀系数非常高，也和铜面临同样的问题，与芯片和基板存在严重得热失配，阻碍了其广泛的使用。
钢的热膨胀系数也高，热失配也严重。不锈钢热导率为32.9 W(m-3K-1)，比较低。它们应用范围小，主要在要求不高的，耐腐蚀的环境下使用。
可伐的热膨胀系数与芯片，基板的热膨胀系数匹配非常好，适合在传热要求比较低情况下使用。其低的热导率阻碍了其广泛的使用。
W和Mo与芯片，基板的热膨胀系数非常接近，热匹配都非常好，热导率也非常高，导热性能好。但是W的加工性能差，工艺复杂，可靠性差；Mo的重结晶后非常脆。此外，W，Mo的价格昂贵，这些阻碍了其发展。
2.1.2 新型的金属基复合材料
传统的金属封装材料都存在不同程度的缺陷，难以满足现代封装的要求。为了适应封装的需求，发展了新型的金属基复合材料。
金属基复合材料有很多种，作为封装的主要有铜基复合材料④和铝基复合材料。
铜基复合材料可克服铜退火后的机械性能变差的缺点。
为了满足封装需要，在铜里面掺入其它杂质构成铜基复合材料，提高铜的退火后的机械特性，或者让复合材料的热膨胀系数与芯片和基板的热膨胀系数匹配，或者提高热导率，以满足高散热要求等。如在铜里面掺入0.3%的Al2O3后得到Glidcop，Glidcop与50%的可伐构成的复合材料的屈服强度为760MPa，在一定程度上满足了需要。再如，在铜中掺入合金Invar(Fe-36Ni)，热膨胀系数就改变了，为0.4?0-6K-1，但是热导率损失严重，仅为11 W(m-3K-1)。同时，这种材料在烧结的过程中，铜和Invar相互扩散，这就对复合材料的导热、导电和热膨胀系数都有一定的影响。
铝与SiC按一定比例制成的铝基复合材料是应用最广泛的铝基复合材料，因为其在工艺、成本、毒性和密度方面综合起来看，都是比较满意的。
高硅铝合金材料的应用比较广泛，因为其膨胀系数低，密度低，在航空领域应用尤其突出。
金属封装的优点是气密性好，不受外界环境因素的影响。它的缺点是价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件日益快速发展的需要。现在，金属封装所占的市场份额已越来越小。少量产品用于特殊性能要求的军事或航空航天技术中。
集成电路集成度的不断提高，散热要求的不断升级，给金属封装材料提出来更高的要求。要求金属封装材料继续向金属基复合材料发展，要求金属基复合材料要与芯片、基板的热膨胀系数更加匹配，热导率更高，加工更容易，价格更便宜。
2.2 陶瓷封装
陶瓷封装，像金属封装一样，是气密性封装，是继金属封装后发展起来的另一种封装形式。陶瓷封装材料密度一般比金属封装材料的密度要低，价格也相对便宜。
陶瓷封装经过不断的改进，性能越来越好，尤其是陶瓷流延技术的改进，使得陶瓷封装在功能方面的灵活性有了较大的发展。
多层陶瓷封装外壳的发展重点是可靠性好、柔性大、开发成本低。
陶瓷封装优点有气密性好，热膨胀系数小、机械强度高、耐湿性好和热导率高，可实现多信号、地和电源层结构，并能对复杂的器件进行一体化封装。
陶瓷封装缺点是烧结精度差、价格贵，主要应用在一些特殊的场合。
多层陶瓷封装外壳的发展重点是可靠性好、柔性大、开发成本低。
陶瓷封装材料主要有Al2O3、BeO和AlN等。它们的主要性能如表1。
Al2O3陶瓷是目前应用最广泛的陶瓷封装材料，占据陶瓷基片材料的90%。其价格低廉、耐热冲击性和电绝缘性较好、化学稳定性好、制作和加工技术成熟。
BeO陶瓷虽然具有较高的热导率，但是其毒性和高生产成本是致命的，是阻碍其生产和应用的主要原因。
AlN陶瓷具有良好的热导率，热膨胀系数与芯片材料更匹配，材质坚硬，能制成很薄的材料，满足不同的应用。但是AlN陶瓷的成本高，制备工艺复杂，故至今未能进行大规模的应用。
2.3 塑料封装
相对而言，塑料封装发展迅猛，已占据了90%(封装数量)以上的封装市场份额⑤，且还在不断上升。在80年代以来，随着塑料封装技术和芯片钝化层技术的进步，芯片钝化层质量有了根本的提高，使其因潮气侵入而引起电子器件失效的能力已大大减低了，因此，塑料封装的地位越来越高。
塑料封装主要是热固性塑料，包括有机硅类聚酯类、酚醛类和环氧类，其中以环氧树脂应用最为广泛。
塑料封装具有绝缘性能好、价格低、质量轻等优点，性价比最诱人。
塑料封装的缺点气密性差，对湿度敏感，容易膨胀爆裂。
3 封装形式的发展
3.1 SIP
SIP是单列直插式封装，一般是通孔式的，从封装体的一边引出管脚，引脚只有一排，管脚插入印刷电路板的金属孔内，封装的形式多样。SIP的引脚数从2到23不等。
SIP具有设计周期短、开发成本低、灵活性高等特点，更适用在低成本、小面积、高速高频的电子产品中。
SIP的吸引人之处在于它们占据最少的电路板空间，且在高频器件中占有独特的优势，在高频器件中得到广泛的应用，但是，封闭式的电路板限制了SIP的高度和应用。
3.2 DIP
双列直插式封装DIP封装的管脚从封装体的两端直线式引出，是插装 型封装之一。DIP封装材料有陶瓷和塑料两种，其外形通常是长方形的，管脚从长的一边伸出。绝大部分的DIP是通孔式，少部分是表面贴装式，主要应用在存贮器LSI，标准逻辑IC，微机电路等。对DIP来说，其管脚数通常在6至64(6，8、14、16、18、20、22、24、28、40、48、52和64)之间，封装宽度通常是15.2mm，其中，24至40管脚数的器件最常用于逻辑器件和处理器，而14至20管脚的多用于记忆器件。当器件的管脚数超过48时，芯片面积/封装面积一般都在1:1.9，说明，封装效率很低，DIP结构变得不实用并且浪费电路板空间。
3.3 PLCC
PLCC是指带有引线的塑料芯片载体，引脚从四个侧面引出，是表面贴装型封装之一，对高引脚数器件来说，是较好的选择。其它一些缩写字可以区分是否有引脚或焊盘的互连，或是塑料封装还是陶瓷封装体。诸如LLC(lead chip carrier)有引脚，LLCC(leadless chip carrier)无引脚。PLCC的管脚间距是0.050英寸，与DIP管脚间距2.54mm相比，其优势是显而易见的。PLCC的引脚形状为J型，不容易变形，但外观检测困难，引脚数通常在18至84之间(18、20、28、32、44、52、68和84)。
3.4 QFP
四方扁平封装(QFP)其实是微细间距、薄体LCC，引脚从四个侧面引出。引脚呈欧翅型，管脚间距比PLCC的0.050英寸还要细。QFP可以是塑料封装，可以是金属封装，可以是陶瓷封装。塑料QFP通常称为PQFP，PQFP有二种工业标准，PQFP角上有凸缘的封装，以便在运输和处理过程中保护引脚，其引脚间距是相同的，都为0.025英寸；另一种就是PQFP没有凸缘，其引脚间距有1.0mm，0.8mm和0.65mm三种。同一模块尺寸可以有不同的引脚数目，这意味着同一模具、同一切筋打弯工具可用于一系列引脚数的封装。引脚经常被弯曲，常见于28mm以上的器件。PQFP最常见的引脚数是84、100、132、164和196。为了提高其有效互连面积，在正方形结构中，并非所有模块下的通孔均可以插入，必须有一些芯片的连接要转换到模块外形的外面。长方形结构可以使短边引脚数少于64个、引脚间距不大于0.025英寸(1mm)的引脚都插入模块底下的通孔中。
3.5 BGA
球栅阵列封装BGA是20世纪90年代开始应用，现主要应用于高端器件的封装，发展空间还相当大。
BGA封装技术是在模块底部或上表面焊有按阵列形式分布的许多球状凸点，通过焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种封装技术。
BGA具有很多优点：成品率高、寄生参数减小、可靠性高、传输延迟小、散热性能好、芯片面积/封装面积为1:1.14，更接近1，封装效率高。BGA缺点就是功耗大。
广义的BGA封装还包括矩栅阵列(LGA)和柱栅阵列(CGA)。BGA目前主要应用于高性能、高密度领域，如PC芯片组、ASIC、DSP、PLD等。BGA的节距有1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.65mm、0.5mm。其发展趋势是细节距、高I/O数。
3.6 CSP
芯片级封装CSP⑥是芯片尺寸与封装尺寸相当的封装形式，其芯片面积/封装面积超过1:1.15。与BGA相比，同等面积下，CSP封装存储容量是BAG的3倍。
CSP有引线框架CSP、硬质基片CSP、柔性基片CSP、圆片级CSP和叠层CSP五种。
CSP的特点是：电气性能好、可靠性高、热效应良好、体积相当较小。
CSP主要应用于高性能的存储器中，并逐步向ASIC、DSP、网络等领域进军。
圆片级封装WLP(Wafer Level Package)将是CSP发展的主流。
4 封装面临的问题
封装在全国和全世界发展来看，发展不平衡，标准也不同，工艺也有差异，导致现状封装面临了一系列的问题。为了加速封装产业的发展，推动微电子产业的加速，对封装的问题必须进行讨论，并统一标准。封装主要要统一如下问题：统一的名词术语标准⑦、机械尺寸标准、测试方法标准、考核鉴定标准等。
4.1 名词术语的统一
名词术语太多，每个企业都有自己的标准，其他企业与其交流的时候，理解就会遇到不一致的情况，不便于交流和发展。如SOP，有的认为是Small Outline Package(小外形封装)，有的人认为是System on Package(系统封装)。BGA就有“焊球阵列”、“球栅阵列”、“ 焊球格状阵列”、“焊球网格阵列”等。WLP的名称有“圆片级封装”、“晶片级封装”、“晶圆级封装”等。所以封装名词术语急待统一。
4.2 外形尺寸标准的统一
截止到2000年，JEDEC已注册的BGA共分为7类，其中CBGA的尺寸就有102种，PBGA为150种，还有TBGA若干种。
现在封装加工的自动化程度高、速度快，如引线键合速度已达到每秒14线，封装关键尺寸的不统一、工艺就容易出问题，一旦失控都将导致大量的废品，或生产效率下降。所以封装工艺，封装尺寸必须统一，封装产业才能可靠，高速的运转。
4.3 封装测试方法标准的统一
在BGA封装测试中，翘曲、共面性、球直径等测试方法都是百花齐放。在JEDEC和SEMI封装测试中，也有一系列封装测试方法，如机械尺寸测试、引线电阻、电容、电感、热阻的测试等。
4.4 封装性能考核鉴定标准的统一
对CSP性能的考核，尚没有统一的标准。如温度循环，有的是?65℃~+150℃，600次循环；有的?65℃~＋125℃，300次循环。有的在150℃高温贮存，有的在125℃做高温贮存。
所以，封装的考核标准问题也要统一，以便加速封装产业的发展。
5 结论
伴随着集成电路的封装，封装技术的发展正在日新月异的变化，封装种类繁多，为了加速封装产业的发展，开发新型的封装材料，封装形式日益重要，同时，统一封装标准更是当务之急。
(基金项目：贵州大学2010年实验室建设项目基金（黔科计 [2010]4006）；贵州大学研究生创新基金（校研理工2011003）)
注释：
① 方明,王爱琴,谢敬佩,等.电子封装材料的研究现状及发展[J].材料处理技术,2011,40(3):84-85.
② 杨会娟,王志法.电子封装材料的研究现状及发展[J].材料导报,2004,18(6):87-90.
③ 聂存珠,赵乃勤.金属基电子封装复合材料的研究进展[J].金属热处理,2003,28(6):1-5.
④ 蔡辉,王亚平,宋晓平,等.铜基封装材料的研究进展[J].材料导报,2009,23(8):24-27.
⑤ 张蜀平,郑宏.电子封装技术的新进展[J].电子与封装,2004,4(1).
⑥ 王振宇,成立,高平,等.先进的芯片尺寸封装(CSP)技术及其发展前景[J].封装测试技术,2003,28(12):40-42.
⑦ 贾松良.微电子封装的发展及封装标准[J].信息技术与应用,2003,(3):37.