文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了集成電路金屬殼、塑料和陶瓷封裝技術的材料和工藝。

集成電路傳統封裝技術主要依據材料與管腳形態劃分：材料上采用金屬、塑料或陶瓷管殼實現基礎封裝；管腳結構則分為表面貼裝式（SMT）與插孔式（PIH）兩類。其核心工藝在于通過引線框架或管座內部電極，將芯片上60-115微米的微型焊點間距，逐級扇出擴展至電路板適配的300-1250微米（SMT）或2500微米（PIH）管腳間距，最終形成模塊化封裝結構。

這一過程精準平衡了芯片集成度與電路板裝配需求，是半導體器件從晶圓到系統應用的關鍵過渡環節，本文分述如下：

金屬殼封裝

塑料封裝

陶瓷封裝

金屬殼封裝

金屬殼封裝作為半導體器件封裝的經典技術體系，其工藝演進與材料創新始終與電子產業發展同頻共振。早期在小規模集成電路時代占據主導地位的金屬封裝技術，當前仍以高可靠性和氣密性優勢，在分立半導體器件及特殊應用場景中保持不可替代性。

典型工藝采用Fe-Ni-Co系可伐合金（Kovar）作為基材，通過精密沖壓成型形成管殼主體結構，并在底部引線接觸區域實施微孔加工。關鍵工序在于通過可控氧化處理在金屬表面生成致密過渡層，繼而采用硼酸鹽玻璃絕緣介質與引線框架實現低溫共燒封裝——該過程通過500℃梯度加熱實現金屬-玻璃系統的界面融合，形成滿足MIL-STD-883標準的氣密性屏障。

值得注意的是，盡管現代封裝技術已向塑封和陶瓷封裝主導的方向演進，金屬殼封裝在航空航天、汽車電子等高可靠領域仍持續優化。近期行業動態顯示，新型低膨脹系數合金材料（如Fe-Ni42）的引入，有效解決了傳統可伐合金與硅基器件的熱失配問題；同時，激光輔助玻璃燒結技術的突破，將封裝溫度從傳統工藝的500℃降至380℃以下，顯著降低了熱應力對芯片的影響。這種工藝改良不僅延續了金屬封裝的密封特性，更通過材料升級與工藝創新，在先進封裝時代重新定義了其應用邊界，為功率器件、光電子集成等前沿領域提供了兼具傳統優勢與創新特性的解決方案。

塑料封裝

塑料封裝作為半導體器件封裝的主流技術，其工藝核心在于通過環氧樹脂聚合物將引線鍵合后的芯片與引線框架進行精密包封。自20世紀60年代商用化以來，該技術憑借成本低、重量輕、加工靈活等優勢，在消費電子、工業控制及汽車電子等領域占據主導地位。典型工藝流程中，已完成引線鍵合的芯片-引線框架組件以條帶形式在專用軌道上傳送，經模塑法或密封法實現環氧樹脂的交聯固化，加工溫度可達250℃。

其管腳成型技術兼容插孔式（PIH）與表面貼裝式（SMT）兩種形態，PIH型管腳通過穿孔焊接實現電路板級裝配。

而SMT型管腳則以鷗翼、J型等結構實現表面貼裝，后者因支持更高I/O密度（如四邊形扁平封裝節距達300μm）而成為現代高密度封裝的首選。

材料性能方面，傳統環氧樹脂雖具備優異絕緣性與加工性，但導熱系數僅0.2W·m?1·K?1，難以滿足高功率器件散熱需求。近期研究通過引入納米填料（如氮化硼、碳納米管）及結構優化（如三維導熱網絡構建），使復合材料導熱系數突破1.49W·m?1·K?1，同時平衡介電性能與力學性能。

工藝革新層面，國內設備廠商已突破500MPa級超高壓成型技術，適配第三代半導體（SiC、GaN）封裝需求。全自動塑封機精度達±2μm，支持球柵陣列等高密度封裝，并集成AI缺陷識別與自適應工藝參數調整功能，設備綜合效率提升至85%。

封裝形態演進方面，薄型小外形封裝、四邊形扁平封裝等傳統形式仍占主流，但新型封裝如無引線芯片載體通過邊緣包封設計，支持表面貼裝直接焊接或插座式裝配，兼顧高密度與可維護性。

同時，3D打印技術正突破傳統制造局限，如微納3D打印系統實現200nm級微結構打印，可直接在微型印刷電路板上構建高導電性互連，縮短信號傳輸路徑。清華大學團隊則通過光化學鍵合技術，實現150納米分辨率的半導體量子點3D打印，加速原型驗證周期。

行業趨勢顯示，塑料封裝正朝高密度、高性能、綠色化方向發展。表面貼裝技術因應5G、物聯網需求，向更高速（貼裝速度達24萬片/小時）、更精密（0201元件貼裝）演進，并與半導體封裝工藝深度融合。同時，環保法規推動無鉛焊料、可回收材料的應用，促使產業鏈上下游加強環保合規管理，構建從原材料采購到廢棄處理的全生命周期環保體系。

陶瓷封裝

陶瓷封裝作為半導體器件封裝領域的高性能解決方案，其技術體系以氧化鋁、氮化鋁等無機非金屬材料為核心，通過精密成型與燒結工藝構建具有優異氣密性與熱穩定性的封裝結構。該技術主要分為耐熔陶瓷封裝與薄層陶瓷封裝兩大類別，分別適配不同應用場景的性能需求與成本考量。

耐熔陶瓷封裝以高溫共燒結陶瓷（HTCC）技術為代表，其工藝流程始于三氧化二鋁粉末與玻璃粉、有機介質的混合制漿，經流延成型獲得厚度約0.0254mm的陶瓷生坯帶。通過干法處理后，采用薄膜沉積、光刻與蝕刻技術在單層生坯帶上構建金屬布線圖形或垂直互連通孔，隨后將多層生坯帶精確對齊并層壓，最終在1600℃高溫下實現共燒結，形成致密的三維陶瓷基體。

若將燒結溫度調整至850~1050℃區間，則演變為低溫共燒結陶瓷（LTCC）技術，該變體通過引入低熔點玻璃相，在降低工藝能耗的同時保留了多層布線能力。耐熔陶瓷封裝的核心優勢在于其接近零的吸水率與優異的高頻特性，但高收縮率導致的尺寸公差控制難題，以及氧化鋁基材較高的相對介電常數（約9.8~10.2），使其在超高頻（如毫米波）應用中面臨寄生電容增加的挑戰。典型封裝形式為針柵陣列（PGA），采用2.54mm節距的銅管腳構建插孔式裝配結構，廣泛應用于高性能微處理器等需要高I/O密度與氣密性保護的場景。

薄層陶瓷封裝則采用雙片式結構，通過低溫玻璃密封技術實現成本優化。其工藝特點在于將引線鍵合后的芯片-引線框架組件夾置于兩片預成型的陶瓷薄片之間，經低溫燒結形成密封腔體。

此類封裝又稱陶瓷雙列直插封裝（CERDIP），其材料成本較HTCC降低約30%，同時保留了陶瓷封裝的核心優勢。結構上，CERDIP通過邊緣包封設計實現表面貼裝兼容性，適用于存儲器等中等密度I/O需求的應用場景。