基于半導體分立器件的封裝結構優(yōu)化研究

彭 強

（汕尾職業(yè)技術學院，廣東 汕尾 516600）

近年來在半導體分立器件產業(yè)，中國封裝測試企業(yè)發(fā)展得較為快速和穩(wěn)定，目前已經在國際市場占有舉足輕重的地位，隨著電子整機、消費類電子產品等市場的持續(xù)升溫，在大功率、高反壓、高頻高速等電子器件應用場合，市場對傳統(tǒng)的分立器件也提出更高的集成要求。為滿足封裝需求的趨勢變化，隨著電子科學技術的快速發(fā)展，優(yōu)化半導體分立器件的封裝結構，已作為研究課題刻不容緩地被提了出來。為了解決這個問題，該文結合多年工作實踐的體會，從以下幾個方面進行深入探討[1]。

1 半導體分立器件封裝結構

半導體分立器件的封裝結構，包括2 個方面的內容。1）半導體分立器件的封裝。2）半導體分立器件的外殼封裝[2]。

1.1 半導體分立器件的內涵與特征

半導體分立器件是指具有單獨基本功能，且基本功能不能再細分的電子器件。它包括半導體三極管、半導體晶體二極管。半導體分立器件按其封裝形式可分為分立和集成兩大類。半導體分立器件包括晶體管、閘流管、二極管及光電子器件；集成電路包括混合集成電路和單片集成電路。隨著電子產品技術的快速發(fā)展，半導體分立器件的發(fā)展，正在朝著小型化、片式化的方向發(fā)展。其特征表現(xiàn)為4 點。1）體積越來越小。2）重量越來越輕。3）技術越來越先進。4）功率密度越來越高，就功率而言由過去的小、中、大功率，發(fā)展到當下幾千伏、一千多安倍的電力電子器件；就頻率而言，由過去的低、中、高頻，發(fā)展到現(xiàn)在的微波器件。

1.2 半導體分立器件的封裝類型與方式

半導體分立器件的封裝類型有2 類。1） 二維即2D 封裝。2）三維即3D 封裝。無論是二維封裝，還是三維封裝，都是多個芯片器件封裝在一個管殼內的分立器件。其中：二維封裝的芯片U1 和芯片U2 之間至少要相距0.8 mm 以上，如圖1 所示；三維封裝的芯片器件為堆疊式封裝，其芯片分別焊接在頂部和底部，如圖2 所示。

半導體分立器件外殼封裝結構方式有塑封、金屬封和陶瓷封3 種。塑封半導體分立器件，根據(jù)GB/T12560—1999《半導體器件分立器件分規(guī)范》（中華人民共和國國家標準）的要求，可適用于非氣密性封裝器件；對有明確密封要求的半導體分立器件的封裝，必須按照國家《半導體分立器件總規(guī)范》的要求，使用金屬、陶瓷或玻璃進行封裝。

圖1 分立器件二維封裝圖

圖2 分立器件堆疊封裝圖

2 半導體分立器件不同封裝方式的類比分析

綜上所述，目前，半導體分立器件封裝結構所用的材料，分別為塑料和金屬陶瓷2 種。首先就塑封來講，塑封半導體分立器件具有成本低、體積小的優(yōu)點，但缺點也很明顯，那就是濕氣容易侵入，散熱性能較差，這也是長期以來，半導體分立器件很少使用塑封結構的主要原因之一。其次，就陶瓷、金屬分立器件的封裝結構而言，其不但具有密封性能好的優(yōu)點，而且還具有耐熱的功能等等。具體情況詳見表1。

表1 半導體分立器件塑封結構與金屬陶瓷封裝結構優(yōu)缺點比較分析一覽表

3 半導體分立器件封裝結構的優(yōu)化

半導體分立器件的塑封裝結構和金屬陶瓷封裝結構，各有其特點，各自的優(yōu)缺點也很明顯。但二者并非為互為排斥的對象，它們各自都有優(yōu)化的空間。

3.1 半導體分立器件塑封裝結構的優(yōu)化

半導體分立器件的塑封裝結構，具有廣闊的應用前景。它所存在的諸如密封性不好、存在易燃的可能性等問題，只要在應用過程中加強對塑密封材料進行質量把控，半導體分立器件塑封裝結構的這些缺點是可以避免的。其主要措施有3 種。1）采取高科技手段，對塑密封材料進行超聲檢測。塑封材料密封性能不好的主要原因，在于材料本身容易出現(xiàn)空洞、裂紋和分層的缺點，如果我們在塑封材料出廠之前和器件封裝之后，采用超聲檢測的辦法進行二次查找，就會有效控制密封性能存在的問題。2）對塑封材料進行阻燃性能試驗。由于塑封材料本身存在易燃的特性，從塑封分立器件的安全性出發(fā)，必須要做內部易燃性阻燃試驗和外部易燃性阻燃試驗。所謂內部易燃性阻然試驗，就是指由于半導體分立器件功率、電流過大，引起器件發(fā)熱量達到塑封材料燃燒值而被阻斷的一種試驗；所謂外部易燃性阻燃試驗，就是指在分立器件的塑封外部，進行燃燒的一種阻燃試驗。如果這2種燃燒試驗均被阻隔，說明塑封材料的阻燃質量是符合國家要求的。3）進行高壓蒸煮試驗，以提升塑封器件的抗潮濕能力；進行X 射線照相，以檢測分立器件塑封管殼內的缺陷；進行溫度循環(huán)試驗，以對塑封器件的溫度作出適當調整。

3.2 半導體分立器件金屬陶瓷封裝結構的優(yōu)化

半導體分立器件金屬陶瓷封裝結構的主要缺陷，是封裝內部空間的設計問題。因此，優(yōu)化封裝結構，該文認為可從封裝結構的高度、工藝流程2 個方面進行改進。

3.2.1 在分立器件封裝結構的高度問題方面

根據(jù)框架本身的厚度、焊點的常規(guī)高度、芯片的常規(guī)厚度，測算半導體分立器件金屬陶瓷封裝結構的設計高度在900 um，是可以滿足焊線的弧高要求的。

3.2.2 分立器件封裝結構的工藝流程的改進

在分立器件封裝結構的工藝流程方面，主要從2 點加以改進。1）不改變劈刀側界面空間的情況下，將鋁線鋼嘴劈刀的v 斷面改為梯形，并降低梯形之上的寬度，以進行點膠或焊接等二次利用。2）進行鋁線焊點二次粘片的封裝結構。即：首先芯片U1 用鉛錫線工藝粘片，然后對芯片U2 的焊點間距進行調整，并完成粘附，實現(xiàn)金線或銅線的球焊焊接。

4 結論

半導體分立器件封裝結構和工藝優(yōu)化結果表明，無論是塑封裝還是金屬陶瓷封裝，都有各自的優(yōu)點和缺點。在現(xiàn)代科學技術快速發(fā)展的背景下，對分立器件的封裝結構進行優(yōu)化都是正常現(xiàn)象。隨著時間的推移，科技的深入發(fā)展，半導體分立器件封裝結構的優(yōu)化空間必然會繼續(xù)存在，相信該文所探討的器件封裝結構的優(yōu)化只是開始。