电子封装：定义、类型、制造工艺及未来趋势

电子封装：定义、类型、制造工艺及未来趋势

电子封装是电子设备中不可或缺的一部分，它不仅为电子元件提供物理保护，还确保了设备的正常运行和性能。从智能手机到航空航天设备，电子封装技术在各行各业中发挥着重要作用。本文将为您详细介绍电子封装的定义、功能、类型、制造工艺以及未来发展趋势。

什么是电子封装？

电子封装是一个术语，既可应用于电子元件封装程序，也可应用于由这些过程产生的最终产品或系统。它包括设计和制造结构和外壳，以保护电子元件、半导体设备和系统免受物理损坏、环境压力和电磁干扰，同时确保其正常工作。它还包括选择最佳的材料和设计，以确保组件的耐用性，并赋予各种功能，例如防止静电放电 (ESD) 。

如今，电子封装已成为日常生活的重要组成部分，我们每天依赖的电气组件、设备和系统（从智能手机到计算机等）都需要某种类型的封装。

电子封装的主要功能是什么？

机械支持

从最基础的层面上讲，优质的封装提供一种可靠的方法，将电子元件或设备连接到系统。例如，计算机的中央处理器 (CPU) 被牢固地连接到主电路板上，并由外壳保护，以确保其在运行期间保持原位。

电气连接

封装通常可为电子元件导电和传输信号（如直流电或射频）提供所需的连接。它支持信号传输、分配以及输入和输出 (I/O) 连接。例如，在智能手机中，封装包括印刷电路板 (PCB) 连接器，能够为充电、Wi-Fi 连接等提供支持。

针对环境因素提供保护

封装可保护电子元件免受潮湿、温度、压力、振动和化学腐蚀的影响。它可防止或减轻半导体腐蚀，延长设备在特殊环境（比如外部空间、核电站和人体植入等）中的使用寿命。在卫星中，封装可保护电子元件免受温度变化、辐射和真空条件的影响。

热管理

根据经验，设备温度每升高 10°C，使用寿命大约会减半。高效的温度管理（通常使用热沉）对于保护敏感半导体至关重要。例如，笔记本电脑使用热沉和界面材料，以防止 CPU 过热和半导体故障。

电子封装在什么情况下有用？

电子封装是组件和设备性能、安全性和使用寿命的关键推动因素。深入了解其不同的使用案例，从防范环境危险到优化功能、确保安全性和增强用户体验：

• 保护：电气组件和设备需要防止潮湿、灰尘、温度波动、高压和物理损坏。
• 优化性能：高速数据传输等目标只能通过优化、可靠和防潮的封装来实现。
• 安全：良好的封装可确保含有危险材料或产生热量的设备的安全（例如电池，防止电解液泄漏）。
• 使用寿命长：在航空航天、核反应堆或海底电缆中，很难或几乎不可能进行维修工作。优良的封装可确保持久可靠性。
• 微型化：专业封装技术可以保护紧凑型组件和设备。
• 散热：带有导电组件和材料的封装（如热沉或热界面）可以散热，防止过热。
• 电磁屏蔽：屏蔽材料可以集成到封装中，以阻断干扰信号并保护脆弱的电子元件。
• 时尚外观和用户体验：外壳和封装对于产品外观和用户整体体验至关重要，尤其是对于消费电子产品而言。

电子封装技术

电子系统封装都分哪些等级？

电子系统封装可分为多个等级。封装的等级取决于诸如应用需求、环境条件、尺寸限制和成本考虑等因素。点击下图中的加号，了解更多有关不同等级的信息。

晶圆级

半导体制造过程通常从硅晶圆的加工开始，涉及制备、清洁以及创建集成电路的后续步骤。这些步骤包括光刻和蚀刻以限定电路模式。完成这些过程之后，将晶圆切片成单独的芯片或裸芯片，然后每个芯片或裸芯片都可用于集成电路 (IC) 封装。

0 级 - 集成电路 (IC) 芯片

这种封装级别可保护单个 IC，也称为微芯片或裸芯片。它可以是非气密性或气密性，并提供与芯片的电气连接，同时保护其免受机械和热应力。气密封装可针对环境因素提供最高等级的保护，而非气密封装可为要求较低的应用场合提供经济有效的选择。

1 级 - 组件

对于组件级封装，单个组件（如 IC、晶体管、二极管和电阻器）封装在保护外壳中。这可防止物理损坏、污染和电磁干扰。气密封装可用于满足特定环境、尺寸、热管理或操作要求的定制解决方案。

2 级 - 印刷电路板 (PCB)

PCB 是大多数电子元件的支柱，为组件提供电气连接和机械支撑。在将组件安装到 PCB 上后，可以用保护外壳封装电路板。

3 级 - 模块

这一级通过将多个组件、PCB 或 IC 集成到单个基板或主板上来制造功能模块。模块级封装可简化组装和测试，并可提高各种类型模块（包括存储器模块、射频模块和功率模块）的性能和可靠性。

4 级 - 系统

系统级封装将整个系统或产品放置在保护外壳或外壳中。多个 PCB、模块和子系统可以集成到一个外壳中，以创建对消费电子产品、工业设备和其他复杂产品至关重要的系统。

晶圆级
0 级 - 集成电路 (IC) 芯片
1 级 - 组件
2 级 - 印刷电路板 (PCB)
3 级 - 模块
4 级 - 系统

电子封装都分为哪些不同类型？

从简单的塑料外壳到特殊的陶瓷或玻璃-金属封装，封装可分为多种类型。选择哪种封装取决于许多因素，包括组件类型和尺寸、应用要求、散热因素、电气特性和制造工艺。另一个关键问题是是否需要完全密封。

IC 封装

IC 封装可为各个微芯片提供物理保护、电气连接和温度管理功能。IC 封装可细分为表面贴装（例如四方扁平封装、球栅阵列、芯片级封装、裸芯片封装等）针栅阵列和通孔封装，如晶体管外形 (TO) 封装。

印刷电路板 (PCB) 和多芯片模块 (MCM) 封装

PCB 封装可封装一个或多个 PCB，在其上连接和互连集成电路及其他电子元件。在传统 PCB 上，所有组件都已单独封装。相比之下， 多芯片封装将多个封装和非封装的 集成电路或裸芯片集成到一个模块中。整个多芯片模块通常封装在一个附加的保护包装中。气密性多芯片模块外壳用于那些暴露于潮湿、灰尘、气体和其他环境因素等压力因素的情况。当注重成本效益且应用要求较低时，可使用非气密性多芯片模块。

光电子封装

光电子行业使用众多封装解决方案，每种解决方案都专为特定的光电子用例而设计。例如晶体管（TO-can）封装和激光器的光学窗口和透镜、用于 LED 的封装、光纤连接器，以及用于光学组件的定制封装，例如微机电系统 (MEMS) 反射镜。

MEMS 和传感器封装

保护性外壳有助于确保 MEMS 和传感器的完整性和功能性。根据行业的不同，可使用定制封装、传感器外壳和专用外壳。

晶圆级封装 (WLP)

传统的半导体封装涉及在封装前将晶圆切片成单独的芯片。相比之下，使用 晶圆级封装（WLP） 时，首先处理整个晶圆。这包括创建互连和应用保护层。只有完成此封装步骤之后，晶圆才被切割或切成单个装置。晶圆级封装的优势包括电子设备的微型化、成本效益和性能。晶圆级封装（WLP） 选项包括扇出型 WLP、扇入型 WLP、硅通孔技术、3D 集成电路、硅中介层和系统封装 (SiP)。使用肖特 Primoceler 全玻璃解决方案可实现高度可靠的气密性 WLP。

连接器、接头和贯穿件

连接器、接头和贯穿件有助于在电子系统中进行连接。根据环境、使用寿命和成本考虑因素，可使用非气密或气密版本。连接器可建立电气或机械连接，使电缆、电线或带有公头和母头部件的设备能够反复连接和断开。接头类似于插座，可在组件或设备与 PCB 之间建立连接。它们具有各种引脚配置，可以表面安装或穿孔安装。贯穿件通过屏障或外壳传输动力和信号，同时保持密封，防止泄漏并防止灰尘、湿气、气体或其他侵入

电池外壳

外壳、包装和电池盖可保护电池免受物理损坏和环境因素的影响，同时实现安全可靠的运行。

电子封装是如何制造的？

电子封装由一系列制造工艺制造而来，旨在封装和保护集成电路 (IC) 和其他组件。同时，它们需要提供电气连接并确保适当的散热。制造工艺在以下方面有所不同：

• 传统 IC 封装：将芯片直接放置在引线框架上，无需腔体。导电环氧树脂材料、共晶键合或焊接，用于将电子元件安装到相应的载体上。然后，使用打线或翻转芯片工艺将封闭的电子元件连接到导体上。最后一步是使用封装或包覆成型，以确保芯片和封装材料之间没有残留气体。

• 空腔型封装：某些外壳，尤其是用于光学部件或微机电系统 (MEMS) 的外壳，可能需要一个腔体来固定或安装电子元件和光学元件。安装贯穿件，用来导通电信号和电源动力通过机箱。封装内的环境可为室内空气、干燥空气、惰性气体或真空。一旦获得期望的内部环境，就封闭或密封腔体。

电子封装的可靠性

让我们来解决有关电子设计可靠性的问题。您将了解气密包装和密封是什么及其必要性。了解电子芯片和模块封装的各种保护等级。

电子封装的未来趋势

是什么推动了电子封装的发展？

许多因素都会影响材料、设计和制造工艺的开发，以满足电子行业不断变化的需求。创新的重要驱动因素包括小型化 、可靠性和能效。尽管行业不断需要提高功能和性能，但同时也要求降低成本。

谈到特定趋势，其中一个是将尽可能多的功能直接集成到半导体芯片上。例如，系统芯片 (SoC) 和系统封装 (SiP) 方法正在用于将各种组件和功能集成到移动或物联网应用的单个芯片上。

当将多个功能集成到一个芯片上时，只需要封装一个设备，而不是封装许多单独的组件。这简化了整体封装过程，同时提高了性能，降低了功耗，缩小了整体外形系数。

还有在晶圆级别执行更多的封装过程，这样可以同时封装处理多个芯片。这可优化生产效率和总体成本效益。它还进一步减少了对传统封装的需求。

电子封装如何满足微型化要求？

微型化是当今推动电子封装技术发展的最重要趋势之一。无论是新型医疗设备还是最新的可穿戴技术，对更小、更轻、更节能的组件的需求都在推动着打破极限。

随着设备不断缩小，行业正在开发新方法来创造轻盈小巧的封装，同时保持卓越的保护。其中包括芯片堆叠和 3D 封装，它们可优化智能手机内部空间的使用。随着电子元件越来越小，它们也变得可以无缝集成到织物和柔性基材中。由此实现了许多全新的功能，例如检测生命体征和提高运动表现。随着这些先进技术的发展，需要新型的生物相容性的微型化封装解决方案来保护和集成这些电子元件。消费电子产品领域更广泛的环保运动也越来越重视使用可持续材料。

结论

电子封装不仅对保护电子元件和设备至关重要，而且还可确保其功能和性能。电子封装还包括热管理、电子连接、干扰抑制和结构支持，可确保设备高效、可靠且适用于各种行业。随着电子产品越来越多地融入日常生活，封装解决方案将继续适应提高性能、紧凑性和可持续发展的需求。