分立器件封装及其主流类型

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分立器件封装及其主流类型龙乐(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)02-12-61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%。随着微小尺寸封装技术不断发展,许多厂商加速商品化生产占据更小PCB面积的半导体分立器件。与此同时,充分应用微小尺寸封装的后发优势,研发在一个封装外壳中密封双/多只分立器件管芯的复合化、阵列化的产品纷纷上市,进一步提高PCB面积效率:另外,还可将有关控制、外围电路芯片及某些无源元件也组合在一起,发展成多芯片模块。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Micro8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VCEsat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FlipFET,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、PowerPak、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PowerPak,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。6IGBT封装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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