1.2 电子制造过程
1.2.1 电子产品制造过程分级
电子产品制造过程如图1-4所示,可分为零级封装(晶片级的连接)、一级封装(单晶片或多个晶片组件或元件)、二级封装(印制电路板级的封装)和三级封装(整机的组装)。通常把零级和一级封装称为电子封装(技术),而把二级和三级封装称为电子组装(技术)。由于导线和导电带与晶片间键合焊接技术的大量应用,一级和二级封装技术之间的界限已经模糊了。
图1-4 电子产品制造过程图
1.零级封装
零级封装就是芯片内部连接,通常称之为半导体制造,即利用微细加工技术将各单元器件按一定的规律制作在一块微小的半导体片上进而形成半导体芯片的过程,也称为集成电路制造。
2.一级封装
一级封装就是集成电路元件的封装,通常所说的封装指的就是一级封装,也叫做半导体制造后工程。
一级封装不但要提供芯片保护,同时还要在一定的成本上满足不断增加的性能、可靠性、散热、功率分配等功能。电子封装的设计和制造对系统应用正变得越来越重要,电子封装的设计和制造从一开始就需要从系统入手以获得最佳的性能价格比。
随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求,对电子电路性能不断地提出新的要求,元件进一步向小型化、多层化、多引脚、大容量、耐高压、重量轻和高性能方向发展。
3.二级封装
二级封装就是将元器件安装在印制电路板上的过程,即通常所说的组装。组装技术主要包括通孔组装技术(Through HoleTechnology,简称THT)和表面贴装技术(Surface Mounting Technology,简称SMT)。从组装工艺技术的角度分析,SMT和THT的根本区别是“贴”和“插”。二者的差别还体现在基板、元器件、组件形态、焊点形态和组装工艺方法等方面。
THT采用有引线元器件,通过把元器件引线插入PCB上预先钻好的安装孔中,暂时固定后在基板的另一面采用波峰焊接等软钎焊技术进行焊接,形成可靠的焊点,建立长期的机械和电气连接,元器件主体和焊点分布在基板两侧。
采用SMT时,表面组装元件/器件(SMC/SMD)无长引线,而设计有焊接端子(外电极或短引线),在PCB或其他电路基板上设计了相应于元器件焊接端子的平面图形(焊盘图形)。SMT是利用粘接剂或焊膏的黏性将SMC/SMD上的焊接端子对准基板上的焊盘图形,把SMC/SMD贴到电路基板的表面上,通过再流焊等焊接方法进行焊接,使元器件端子和电路焊盘之间建立牢固可靠的机械与电气连接,元器件主体和焊点分布在基板同侧。
之所以出现“插”和“贴”这两种截然不同的电路模块组装技术,是由于采用了外形结构和引脚形式完全不同的两种类型的电子器件。为此,可以说电路模块组装技术的发展主要受元器件类型所支配。PCB级电路模块或陶瓷基板组件的功能主要来源于电子元器件和互连导体组成的电路,而组装方式的变革使得PCB级电路模块或陶瓷基板组件的功能和性能的大幅度提高、体积大幅度减小成为可能。
SMT具有以下一些优点。
(1)组装密度高,电子产品体积小、重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右。一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40% 60%,重量减轻60% 80%。
(2)可靠性高,抗振能力强。
(3)焊点缺陷率低。
(4)高频特性好。
(5)抗电磁和射频干扰能力强。
(6)易于实现自动化,提高生产效率,降低成本达30% 50%。
4.三级封装
三级封装就是将组装好的板卡合成一个整机系统的过程,即实现最终到达用户手中可以使用的产品。
1.2.2 电子制造业的技术核心
当今电子设备的性能受到传统封装和互连技术的制约,系统延迟通常来自于片延迟和封装延迟,尤其是高端系统80%以上的系统延迟是由于封装延迟造成的。由此可以看出,电子封装技术的重要性。
为了达到系统延迟的最小化,芯片封装应更接近,间距更小。因此,半导体元器件向多引脚、轻重量、小尺寸、高速度方向发展,如图1-5所示。
制造设备需求方面,半导体制程发展快速,线宽也不断朝物理、化学、光学的极限方向前进。
图1-5 电子元器件发展趋势
半导体专用设备制造商的定位已不再仅仅是提供硬件设备,而且还要能提供软件支持,包括工艺菜单、工艺控制及工艺集成等,半导体专用设备工业的重要地位日益增强。正是基于产业链中的技术定位,使得全球电子产业的利润更多地集中在了上游材料与设备制造领域。这也是为何全球产业向中国转移,而电子材料与设备制造的领先级企业仍集中于美国和日本的主要原因。
因此,对于电子制造业而言,随着制造技术的进步,制造工艺的自动化程度越来越高,越来越多的核心电子制造技术固化在设备中,而新材料的不断出现,使得产品能够不断突破原有材料的物理性能限制,实现向更高性能的迈进。因此,设备与材料产业的发展是构成电子制造业技术进步的核心。