陶瓷封装技术及三大主要封装材料介绍

集成电路密度和功能的提高推动电子封装的发展。随着现代微电子技术的创新，电子设 备向着微型化、集成化、高效率和高可靠性等方向发展，电子系统总体的集成度提高，功率密度也同步升高。电子元件长期在高温环境下运转会导致其性能恶化，甚至器件被破坏。因此，有效的电子封装需要不断提高封装材料的性能，并将电子线路布线合理化，使得电子元件在不受环境影响的同时，实现良好的散热，帮助电子系统保持良好的稳定性。

电子封装一般可按封装结构、封装形式和材料组成分类。从封装结构来看，主要包括了 基板布线、层间介质和密封材料基板，基板分为刚性板和柔性板，层间介质分为有机聚合物） 和无机（氧化硅、氮化硅和玻璃）两种起到保护电路、隔离绝缘和防止信号失真等作用。密封材料当前主要为环氧树脂，占整个电子密封材料的 97%以上，环氧树脂成本低、产量大、 工艺简单。从封装形式来看，可分为气密封装和实体封装。气密封装是指腔体内在管芯周围 有一定气体空间与外界隔离，实体封装指管芯周围与封装腔体形成整个实体。从材料组成分来看，主要分为金属基、陶瓷基和塑料基封装材料。

电子封装基本分类，数据来源：《电子封装材料的研究现状及趋势》

陶瓷封装在高致密封装中具有较大发展潜力。陶瓷封装属于气密性封装，主要材料有 Al2O3、AIN、BeO 和莫来石，具有耐湿性好、机械强度高、热膨胀系数小和热导率高等优 点。金属封装的主要材料包括 Cu、Al、Mo、W、W/Cu 和 Mo/Cu 合金等，具有较高的机械强度、散热性能优良等优点。塑料封装主要使用的材料为热固性塑料，包括酚醛类、聚酯类、 环氧类和有机硅类，具有价格低、质量轻、绝缘性能好等优点。此外，电子封装还常用四大 复合材料，分别为聚合基复合材料（PMC）、金属基复合材料（MMC）、碳/碳复合材料（CCC） 和陶瓷基复合材料（CMC）。

三大主要封装材料

对于集成电路等半导体器件来说，封装基板需要满足以下六点要求：

（1）高热导率，器件产生的热量需要通过封装材料传播出去，导热良好的材料可使芯片免受热破坏；

（2）与芯 片材料热膨胀系数匹配，由于芯片一般直接贴装于封装基板上，两者热膨胀系数匹配会降低芯片热应力，提高器件可靠性；

（3）耐热性好，满足功率器件高温使用需求，具有良好的热稳定性；

（4）绝缘性好；

（5）机械强度高，满足器件加工、封装与应用过程的强度要求；

（6）价格适宜，适合大规模生产及应用。

六大优势促使陶瓷封装成为主流电子封装。陶瓷基封装材料作为一种常见的封装材料， 相对于塑料封装和金属封装的优势在于：

（1）低介电常数，高频性能好；

（2）绝缘性好、可靠性高；

（3）强度高，热稳定性好；

（4）热膨胀系数低，热导率高；

（5）气密性好，化学性 能稳定；

（6）耐湿性好，不易产生微裂现象。 典型电子封装材料性能对比

封装工艺形式多样，适配各类应用需求。我们以光模块的封装为例，TOSA 和 ROSA 的主要封装工艺包括 TO 同轴封装、蝶形封装、COB 封装和 BOX 封装。TO 同轴封装多为 圆柱形，具有体积小、成本低、工艺简单的特点，适用于短距离传输，但也存在散热困难等缺点。蝶形封装主要为长方体，设计结构复杂，壳体面积大，散热良好，适用于长距离传输。COB 即板上芯片封装，将芯片附在 PCB 板上，实现小型化、轻型化和低成本等，BOX封装 属于一种蝶形封装，用于多通道并行。此外，其余常见的封装方式包括双列直插封装（DIP）、 无引线芯片载体（LCC）等等。

TO 同轴封装激光器示意图

蝶形封装激光器示意图

COB 封装收发器示意图

BOX 封装接收器示意图

他常见封装方式简介

封装方式	简称	简介
晶体管外形封装	TO封装	插装型封装之一，由一个TO管座和一个TO管帽组成。TO管座作为封装元件的底座并为其提供电源，而管帽则可以实现平稳的光信号传输。这两个元件形成了保护敏感元器件的密封封装。
双列直插式封装	DIP	插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，可以直接焊在有DIP结构的芯片插座上，或焊在有相同焊孔数的焊位中。其特点是可以很方便地实现PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性，封装材料有塑料和陶瓷两种。
插针网格阵列封装	PGA	插装型封装之一,其底面的垂直引脚呈陈列状排列。封装基材基本上都采用多层陶瓷基板。用于高速大规模逻辑LSI电路。一般有CPGA(陶瓷针栅阵列封装)以及PPGA(塑料针栅阵列封装)两种。
小外形封装	SOP	是一种表面贴装式封装，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状。常见的封装材料有:塑料、陶瓷、玻璃、金属等,目前已发展出TSOP、VSOP等多种形式。
带引脚芯片载体	LCC	表面贴装型封装之一，引脚从封装的四个侧面引出，是高速和高频IC用封装，按材料的不同又细分为PLCC(塑料封装)、CLCC(陶瓷封装)。
球栅阵列封装	BGA	表面贴装型封装之一,在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚,在印刷基板的正面装配LSI芯片,然后用模压树脂或灌封方法进行密封又可以细分为PBGA、CBGA等
芯片级封装	CSP	CSP封装可以让芯片面积与封装面积接近1:1的理想情况，与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍，具有体积小、输入/输出端数多以及电气性能好等优点。
板上芯片封装	COB	是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片交接贴装在印刷线路板上，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，并用树脂覆盖以确保可靠性。COB是最简单的裸芯片贴装技术,但封装密度较差。

审核编辑：郭婷