一種低成本專用混合微電路封裝技術(shù)

王萬(wàn)一

（華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163）

1 前言

眾所周知，集成電路的設(shè)計(jì)、制造、封裝已成為集成電路產(chǎn)業(yè)的“三駕馬車”，它們?nèi)呦嗷ゴ龠M(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展。氣密性金屬外殼封裝是一種高可靠性封裝，并已成為軍用混合微電路的標(biāo)準(zhǔn)封裝，但相對(duì)而言它的成本較高，如果是非標(biāo)準(zhǔn)金屬外殼產(chǎn)品，其成本相對(duì)就更高了。有資料報(bào)導(dǎo)，封裝成本約占集成電路總成本的20%～50%。因此，尋找一種滿足軍用混合微電路可靠性要求、價(jià)格又低廉的封裝工藝，是業(yè)內(nèi)人士所一直所追求的。

2 滴注灌封工藝

包括軍用模塊電路在內(nèi)的大多數(shù)模塊電路，都可以采用灌封工藝，這種封裝工藝能通過(guò)GB3512橡膠熱空氣老化試驗(yàn)方法和滿足GJB150.4軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法，所以灌封工藝也被認(rèn)為是一種可靠的封裝。圖1是采用灌封工藝的模塊產(chǎn)品，中間黑色的是硅膠，四周是塑料外殼。

圖1 灌封的模塊電路

灌封工藝就是將裝在塑料外殼中半成品的模塊電路，通過(guò)向外殼中注入適量的硅膠、并依據(jù)硅膠說(shuō)明書進(jìn)行固化的一種封裝形式。而混合微電路由于有集成度高、重量輕的特點(diǎn)，它是一個(gè)無(wú)框架平臺(tái)，從電路重量方面來(lái)說(shuō)不宜再增加框架進(jìn)行硅膠封裝，另外用于模塊電路封裝的硅膠，流動(dòng)性較強(qiáng)，因此也不能直接用于平臺(tái)電路的硅膠封裝，本文所述的這種封裝技術(shù)與模塊產(chǎn)品的灌封工藝有一些類似之處，但又有其自己的特點(diǎn)，因此我們稱之為滴注封裝工藝。

3 硅膠滴注封裝工藝需解決的問(wèn)題

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，適用于模塊灌封工藝的硅膠如果用于混合微電路滴注封裝會(huì)有三個(gè)基本問(wèn)題：

（1）硅膠密度、均勻性。密度大的膠點(diǎn)在滴注時(shí)能造成混合電路的鍵合絲變形，產(chǎn)生短路等致命隱患。

（2）硅膠流動(dòng)性。混合微電路為一個(gè)平臺(tái)，硅膠在混合微電路的邊緣會(huì)流掉，這不僅不能保護(hù)裸芯片、鍵合絲等，還會(huì)造成封裝環(huán)境的污染。

（3）硅膠膠泡。在點(diǎn)滴硅膠的過(guò)程中會(huì)形成膠泡，膠泡會(huì)造成封裝后的電路上硅膠密度不一致，在受到復(fù)雜的外力作用時(shí)，將損壞電路。

這三個(gè)問(wèn)題能否解決是其能否用于混合微電路封裝的關(guān)鍵。

3.1 硅膠的密度、均勻性問(wèn)題

市場(chǎng)上所售硅膠從組份而言有兩種：?jiǎn)谓M份和雙組份。從試驗(yàn)看，無(wú)論哪種硅膠，其密度、不均勻的問(wèn)題都切實(shí)存在，而且無(wú)法避免。所以我們?cè)谑褂脮r(shí)，只好將這部分剔除掉，這就是在使用過(guò)程中的二次挑選。

對(duì)于單組份的硅膠，我們先將其注入一個(gè)約10ml的容器中，并用一干凈的竹簡(jiǎn)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁喾怆娐窌r(shí)，用一干凈的竹簽蘸取適量硅膠，如果發(fā)現(xiàn)有硬塊現(xiàn)象，則棄之不用，再重新取膠，如果正常則將硅膠滴至混合微電路的表面。試驗(yàn)證明，此操作將有效解決硅膠密度、硬度不均勻所帶來(lái)的損壞鍵合絲的問(wèn)題。

對(duì)于雙組份的膠，按照其說(shuō)明書和我們的需要決定雙組份的配比比例，各取適量注入一個(gè)約10ml的容器中，并用一干凈的竹簡(jiǎn)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁喾怆娐窌r(shí)，參照上面單組份硅膠的滴注。試驗(yàn)證明，此操作也能有效解決硅膠的密度、均勻性問(wèn)題。

3.2 硅膠流動(dòng)性強(qiáng)的問(wèn)題

硅膠流動(dòng)性強(qiáng)主要與膠本身或者雙組份配比有關(guān)，比如加的稀釋劑偏多。

試驗(yàn)證明，硅膠流動(dòng)性強(qiáng)的問(wèn)題是可以通過(guò)硅膠選型及改變組份配比比例解決的。

3.3 膠泡的問(wèn)題

在模塊電路灌封時(shí)，如果硅膠用量大或者灌封速度快，就會(huì)產(chǎn)生膠泡，我們?cè)诔跗诘幕旌衔㈦娐返巫r(shí)，也有同樣現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)將配比好的硅膠，放入一合適溫度的真空容器中放置一段時(shí)間后再用來(lái)對(duì)混合微電路滴注，同時(shí)控制好滴膠速度，是可以解決膠泡問(wèn)題的。

4 硅膠選型

4.1 硅膠特性的基本要求

顯然，如果能用于滴注封裝工藝，此種硅膠應(yīng)具備以下性能：

（1）與半導(dǎo)體芯片、鍵合絲等有良好的溫度匹配性和附著能力；

（2）在全溫度范圍（-55℃～125℃）內(nèi)、在溫度突變時(shí)性能穩(wěn)定；

（3）防水、防潮；

（4）至少十年的產(chǎn)品壽命；

（5）好的絕緣能力；

（6）密度均勻；

（7）較好流動(dòng)性；

（8）固化條件盡可能簡(jiǎn)單、時(shí)間短；

（9）固化后有彈性，對(duì)外力有緩沖作用；

（10）有較好的散熱能力；

（11）與環(huán)氧膠接觸不會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用；

（12）環(huán)保。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)市場(chǎng)上用于模塊灌封的硅膠產(chǎn)品種類，我們從中選用適合滴注封裝工藝的不同公司的3種硅膠產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 硅膠對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

雖然C型硅膠仍有不理想之處，但在幾種硅膠之中算是綜合性能比較完美的，在后來(lái)的小批量生產(chǎn)中，一致選用C型硅膠。它具備4.1節(jié)中所述的性能，另外它能在常溫貯存、常溫24h固化也是我們所看重的。

5 滴注封裝工藝及滴注膠的特點(diǎn)

5.1 依需要配比

從使用經(jīng)驗(yàn)看，我們推薦用雙組份硅膠，可以根據(jù)需要選擇合適的組份配比比例，控制膠的固體時(shí)間、稠度、膠的彈性等。

5.2 能滿足全溫度范圍

本產(chǎn)品用于戰(zhàn)車上，因此可適用于苛刻的工作環(huán)境。本產(chǎn)品工作極限溫度低溫-45℃、高溫85℃，貯存極限溫度低溫-55℃、高溫125℃。

5.3 可返工

封裝后最終測(cè)試不合格的電路，如果確認(rèn)是某個(gè)半導(dǎo)體裸芯片或電容出現(xiàn)故障，可進(jìn)行局部返工，然后再進(jìn)行滴注封裝。

5.4 封裝后的外形美觀

封裝后的外形美觀成為產(chǎn)品一大靚點(diǎn)，用戶滿意，外觀又有彈性，可以減緩機(jī)械沖擊并能夠?qū)﹄娐吩黾颖Ｗo(hù)。

5.5 滴注封裝工藝適用產(chǎn)品

滴注封裝工藝能夠保護(hù)半導(dǎo)體裸芯片等不被損壞，因此它可適用于大部分混合微電路的封裝。這種膠由于有較好的散熱性，它對(duì)于小功率電路的封裝也是適用的（本產(chǎn)品功率約10W）。

當(dāng)然，滴注封裝適合所有模塊電路的封裝。

6 后記

此種封裝工藝經(jīng)小批量產(chǎn)品使用7年后，市面上出現(xiàn)了一種新型的硅膠，在溫度（-100℃～260℃）范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，散熱性能更好，經(jīng)樣品試用，原來(lái)C型膠的不足之處，新型硅膠均得以提高或解決，且更能滿足局部返工的要求，限于保密要求，此產(chǎn)品封裝后的圖片在此省略，從工藝封裝、批生產(chǎn)加工使用、最終用戶的使用效果看，此種硅膠及滴注封裝工藝用途更廣并可滿足產(chǎn)品中試生產(chǎn)要求。

此種滴注封裝工藝凝聚了本單位所有參與者的勞動(dòng)成果，借此機(jī)會(huì)，向所有參與人員表示誠(chéng)摯的感謝。