龙 乐 | ||||||||
(龙泉长柏路98号l栋208室，四川 成都 610100) | ||||||||
摘 要：分立器件封装也是微电子生产技术的基础和先导-本文介绍国内外半导体分立器件封装技术及产品的主要发展状况，评述了其商贸市场的发展趋势。 关键词：半导体；封装；分立器件 中图分类号：TN305．94；TN32 文献标识码： A 文章编号： 1681-1070(2005)02-12-6 1 引言 半导体分立器件是集成电路的前世今生，相对而言，它是单个无联系的、具有器件功能特性的管芯，封装在一个管壳内的电子器件，在大功率、高反压、高频高速、射频微波、低噪声、高灵敏度等很多应用场合起着举足轻重与不可替代的关键作用。一些先进的半导体生产工艺和封装技术已应用到分立器件制造中，新的封装形式日新月异，新结构、新器件源源而来，产业规模也不断扩大，成为半导体产业的一大支柱：中国目前已成为全球最大的分立器件市场，分立器件占整个半导体市场的比例达40％左右，远高于国际平均值的10％：国内电子信息产业规模1．88万亿元超过日本，成为仅次于美国位居世界第二位的国内第一大产业：有需求就有供给，整机产业决定了分立器件市场今后的走向，同时也确定分立器件生产企业须从市场角度出发，高度关注主流动向的深刻影响，在此影响下如能不断调整产品结构及产业规划，多元化和多样化通盘考虑，实施可持续发展战略，分立器件还很有希望。 2 微小尺寸封装 芯片制作技术早巳进入深亚微米时代，管芯面积大大缩减，化学机械抛光精密减薄优势显现，真正的挑战在于使用这些微小、超薄的管芯进行组装的封装技术，促进封装的技术含量与投资规模快速提升。另一方面，在相同空间增添更多功能的整机发展趋势仍未停止，应用需求封装采用更先进的技术，向高性能的微型化小尺寸封装外形演绎、目前，分立器件微小尺寸封装有更多规格版本供货，提供了更低的成本和空间优势，简化外围电路设计更自由，易连接．例如，数字晶体管的小平腿微缩表面贴封装TSFP-3的尺寸为(1．0×0．6×0．4)mm，比工业标准SOT-23还要小86％。 金属膜MELF无引线圆柱形二极管是小外形器件SOD的先驱，为统一尺寸和使用方便，也采用小外形晶体管SOT以及DPAK、D2PAK、SOD-123、DO-214AA／AB／AC、DO-216AA、SOD-882等封装类别，随整机产品结构变化继续研发新封装。具体而言，SOD-123是一种鸥翼型引线塑封二极管，其尺寸和SOT-23相同，电路板PCB占位面积和0．5W的MELF封装类似兼容，现正被SOD-123FL矮型扁平引脚封装逐步取代，并已确立其市场地位。在亚洲更流行一种微封装SMA的J引线DO-214AC，这种表面贴装一般额定在1A／W，它比DO-214AB更窄，占用较小的PCB空间。DO-216AA集低外形、低功率、小尺寸及电流处理能力于一体化，尺寸比SMA小一半，而热性能一样，最大厚度1．1mm．新型变容二极管采用尺寸只有(1．0×0．6)mm的超小型扁平封装SFP封装类型，实际安装面积大约减少40％，而且其内部电容偏差值保证达到1．8％，可减少整机生产线上的调谐工作量，高频开关二极管也采用超小型SFP封装。SOD-882为新一代小型分立无引线扁平封装，已用于众多的开关、齐纳、肖特基、变容、波段开关、PIN二极管等产品，采用非常薄的纸带包装，在标准180mm卷轴上能够提供1万只产品。 SOT-23／89／143是表面贴装SMT初行时业界的主要封装变革范例，现在这类封装已被尺寸更小巧、热特性更佳的新型SOT、薄型小外形封装TSOP、薄型微缩小外形封装TSSOP、微缩小外形封装SSOP所逐渐替换，各大厂家均有独自的创新系列产品及市场目标，例如，5或6条引脚的新型SOT-553／563封装大大缩减了PCB面积和厚度，超小型、低厚度如表1所示。封装性能通常按热特性及其占据的PCB面积之比来进行评估，具体评估情况如表2所示，其热特性提高的关键是采用扁平引脚设计，而表2中的其他两种类型均为翼型引脚，SOT-553／563已投人数十种小信号的双极晶体管、开关或肖特基二极管、数字晶体管、偏压电阻晶体管的封装生产中，硅以及硅锗射频双极晶体管可采用标准的SOT封装，工作频率可达20GHz，小尺寸塑封SOT、TSFP、单／X2晶体管封装TSLP-3／6等的实际应用覆盖整个有线和无线领域。表3显示出市场上常见的贴片式分立功率器件的微型封装特点，热阻θJC与封装形式相关。近年来，功率半导体封装外包业务正迅速增长，预测到2006年功率半导体封装市场的年度复合增长率为36．6%。
3 复合化封装 严格地讲，复合化封装仍属微小尺寸封装类别，只是更多的分立器件管芯被整合进同一封装中，双管芯封装居多，封装引出脚更多也是一大特色。市场上最常见的有国内生产厂家推出的有引脚直插式封装5、6、14引脚的开关对管、互补对管、复合对管、4晶体管阵列，结构上有共发射板、共集电板、独立双PNP管、独立PNP／NPN管、独立4晶体管阵列、达林顿管等类别，在各类整机多种形式的电路中，PCB的排列紧凑而简化，焊点相应减少，应用起来十分灵活方便。 在多数情况下，6引脚封装可以容纳单、双管芯，TSOP-6的引线座增大，能容纳的单、双管芯的最大尺寸分别为(1．016×1．778)mm和(0．6096×0．7112)mm，现用于封装N和P沟器件、双N与P沟器件及互补MOSFET。微型封装Micro 8是一种薄外形8引脚封装，比SO-8小50％左右，也可封装一个或两个管芯，单管芯尺寸面积为(1．778×2．59)mm双管芯为(1．106×1．778)mm。将MOS-FET与肖特基二极管复合化封装称其为FETKY器件，这种混合封装包括一只控制及同步MOSFET与二极管，可改善电流密度，并使封装寄生电阻与封装电感减至最小：比较常见的还有把绝缘栅双极晶体管IGBT和反并联二极管封装在一起的结构，便于应用-在一个超微型SOT-666封装内结合低VCE sat晶体管及带电阻晶体管功能，推出具备集成负载转换功能的晶体管，1A、40-80V的SC-74封装的这种晶体管针对汽车与消费应用：SOT-363分为标准配置和反向配置(半偏置或全偏置)，封装中装有两只相同的双逻辑门的射频MOSFET，这种合二为一使得器件更加小型化，并降低PCB面积和成本，同时提供高功率增益、低功能以及静电放电ESD保护。 二极管以往大多采用双向(即轴向)或单向的双条腿引出线封装，复合化封装已成为其发展方向，包括变容、开关、阻尼、调制、肖特基等复合二极管系列产品，特点是超小型化、多功能化，片状化封装。在结构上分单一功能管芯(含多个)和两种管芯的功能复合二极管，外形大多数采用片状化SOT或TO封装：国际市场上已有大量二配对、三配对和四配对的复合变容二极管供货，外形为片状化或单列直插式封装，用于电视，通信、仪器等产品中；复合开关二极管内含两个并联或串联的管芯，常被多种电路选用，二极管阵列由3个以上的开关二极管管芯组成，最多的可用十余个管芯组成，外形片状化以及单列直插式封装的应用最大面广：工作电流大于5A的肖特基二极管一般采用TO-220封装，也可根据需要封装成双管芯的TO-254、MO-78，DPAK、B2-01B／C外形，采用双管芯(3X2)mm微型引脚封装的高效率小型肖特基对管，具有良好的可焊性及散热性；阻尼与调制二极管可组成多功能复合二极管，外形TO-220型封装，开关速度快，导通时损耗小： 总而言之，复合化将几只管芯封装在一起，外形很像一块集成电路，有一定程度的集成化功能，电参数等物理性能的一致性大为提高，便于在许多整机设计场合中应用。 4 焊球阵列封装 目前，常用功率晶体管的主要封装方式有金属气密F型封装TO-3管芯金属结构，塑料封装TO-220，ISOTO-3P、ISOF-4、TO-3P等多种类型结构，微波功率晶体管有H型、Q型封装的管芯一陶瓷一金属结构，双极型功率晶体管因成本低，仍占有一席之地，功率MOSFET向低内阻、低电压应用发展。管芯与封装占用面积之比也是功率器件封装改进的重要方向，在以往的SMT封装中，如TSOP-6、SOT-23、SMA、SMB等，这一比例为20％左右，约80％的封装面积被浪费掉，无引线封装的芯片／占用面积比提高到约40％，焊球阵列BGA封装则进一步提高此比例。利用Spacer技术与沟槽栅工艺生产的管芯，跟先进的BGA封装相结合，可制造封装尺寸大为减少的BGA封装功率MOSFET，其热传导性能优异，热阻Rθjc为0．5℃／W，功率密度50W／in2，高效率电流通过能力大，在50W／in2条件下实现每相40A电流，极低寄生源极电感，(5．0×5．5)mm封装为6pH，导通电阻RDS(on)值低、P沟MOSFET在超小型(1．5×1．5×0．8)mm的BGA封装内实现高性能，比同级设备现用标准的SSOT-6或TSOP-6封装MOSFET的尺寸减少了75％，封装性能因数改善也达75％；采用倒装芯片技术封装功率MOSFET的Flip FET，在管芯工艺上巧妙地把源和漏都做在同一个表面上，同时使管芯具有特别强的表面保护能力，有利于采用BGA方式包装与焊接，并将所有的凸点都设置到封装单面，芯片与占用面积之比几乎达100％，这一新型封装降低了热阻，消除了其他类型封装所存在的寄生参数，增加了产品的附加值，保持产品性能优势。 5 直接FET封装 市场上已有采用多种先进封装的功率MOS-FET供货，流行形式有DPAK、SO-8、Power Pak、LFPAK、直接(Direct)FET等，表4示出其中数种性能比较-直接FET封装结构是专门为低电压大电流功率MOSFET而研发的，其PCB占用面积与SO-8封装相当，厚度仅为0．7mm，远小于SO-8的1．75mm、管芯被包裹在一个铜质罐形壳帽中，封装底部特别设计的带有栅极与源栅焊盘，可直接连接到PCB上；漏极在上，与铜壳盖帽相连，铜壳盖帽也焊在PCB上。专有钝化系统的新型互联技术可省去引线框架、引线键合，铜壳即是散热器的外壳，从而达到双面散热冷却的作用，电和热的通道都十分舒畅，使功率密度加倍，革新了器件的热管理。现已开发出十余款直接FET封装的产品上市，接人电路后的测试结果表明，一个直接FET结构在不带顶部冷却的情况下，可轻易取代两个并联的SO-8封装，有时能替代两个并联的Power Pak，在大电流DC／DC变换器中，可以更低的系统成本和缩减PCB尺寸，大幅度提升功率密度。
IGBT兼具功率MOSFET和双极型功率晶体管的特点，现已开发出第5代技术的产品，在600V以上中等电压范围内成为主流功率器件，从模块化封装转向分立单管封装，做成塑封器件，应用于空调器、洗衣机、微波炉、电饭煲、电磁灶等白色家电中。600V／8A、10A、15A非穿通型IGBT采用D2Pak以及TO-220全绝缘封装，绝缘能力保证不低于2kV，薄型硅非穿通技术有效降低了关断能耗，设有“方形”反向偏压安全工作区及10μs短路能力。1000V／60A的IGBT采用专有的沟道和非穿通技术生产，TO-264封装，达到甚至超越IPC／JEDEC(电子器件工程师联合协会)的J-STD-020B标准要求，具有出色的开关、传导及耐雪崩陆能。 7 无铅封装 各国电子产品无铅化法令执行在即，日本全部采用绿色封装半导体，美国启动使用绿色环保半导体的步伐，欧盟对绿色半导体的使用规定是到2006年7月必须采用，在国内一些整机大厂商开始提出无铅封装产品要求。面对无铅化与绿色组装的要求，无铅封装已成各分立器件厂家的卖点和争取订单的砝码，从元器件前沿源头杜绝污染，支持无铅绿色环保生产。 分立器件的引脚采用锡铅镀层，或凸点制作为铅锡焊球，有的为90铅／10锡，以适应PCB连接。无铅焊料是无铅封装的前提和关键，无铅焊料中锡—银—铜系最为流行，表5示出典型无铅焊料再流焊工艺：随着无铅焊料进程，国外很多厂家不仅推出100％无铅封装小信号分立器件系列，超薄超小无铅封装分立器件，全绿色封装等，而且将无铅化向功率分立器件、玻璃和陶瓷产品转移，提供功率产品的无铅封装，包括高功率模块、专用或标准功率模块、功率类型的MOSFET、双极晶体管、射频晶体管、肖特基二极管、可控硅、智能模块等-在一整套100％无铅塑封小信号分立器件系列产品中，用100％纯锡塑工艺取代锡铅镀技术，并与铅基型号完全前向和后向兼容，具备同样的尺寸与电气／机械特性，满足业界标准的无铅方案升级：无铅焊球凸点已投入批量生产，推出一整套无铅化产品?无铅封装功率产品多以锡银或锡铜二元合金的电镀层引脚推出，产品达到或超过IPC／JEDEC共同标准J-STD-020B要求。无铅封装的研发与使用牵涉到材料的选择和工艺修改，无铅封装和限量使用有害物质后产品的可靠性不低于原有水平，涉及工艺方面问题多，技术难度大，国内无铅封装处于初始阶段，日、美、欧大厂商的无铅封装量产将形成严峻的挑战。
国内分立器件厂家对行业的发展一直高度关注，由产品经济转入市场经济，生产形势呈上升状态，发展现状如表6所示。
市场增长为优势企业提供做大做强的发展空间，国内厂家的生产能力显著增强，是中低档分立器件生产大国，产品具有国际竞争力。从分立器件行业销售总额比重来看，长三角地区占43．3％，京津环渤海湾地区占24．9%，珠三角地区占19．3％，其他地区为12．5％，其中长三角地区企业占全国封装业的80％，产值近70％，长三角的经济主要面向国内市场。新潮集团长电科技形成年产100亿只分立器件能力，在TO-92系列产品基础上，拓展贴片式封装器件，上市后募集资金用于组建片式晶体管30亿只／年封装，片式功率MOSFET器件封装、片式器件封装检测生产线全自动化技改等项目，产品上档次，产业上规模跨越式发展。 封装具有人力资源、资金需求大，技术门槛相对不高，封装测试在整个产业链中比较容易进人的特点-许多跨国公司都将封装测试工厂设置在劳动力成本较低的地方，鉴于市场和成本等原因，国内今后可能成为分立器件的主要产销地。据专家预测，到2007年，国内分立器件的市场规模将达到2330亿只，543亿元。 美国半导体行业协会SIA最近发布2004年中市场报告，对于2004年至2007年间的分立器件市场作了最新的预测如表8所示，包括功率晶体管与射频晶体管在内，2003年为实际值；其他为预测值：尽管对某些数据不同的组织与公司之间仍有一些分歧，但普遍认为市场前景看好，分立器件的封装为适应市场需求正加快变革。
分立器件封装技术传承变换，旺盛的市场需求引发小空间内的大创新，要全面仔细分类详述封装类型及产品远非本文所涉，只是试图窥一斑而知全豹，在全球半导体市场大回暖的环境中，领略感受分立器件封装的瞬息万变和发展趋势，以及行业所面临的挑战，风雨绸缪，转变观念，多角度形成发展分立器件的共识。 | ||||||||
本文摘自《电子与封装》 | ||||||||
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