【芯片封装】气密性封装的必要性详解

一、为什么要做到气密性封装？

你的手机、电脑或者汽车里，有那么一小块地方，藏着数以亿计的微型电路，它们就像城市里的街道和桥梁，负责信息的传递和处理。这些电路，就是咱们常说的集成电路芯片。但你知道吗？这些芯片其实生活在一个非常危险的环境里，每天都要面对各种看不见的水汽、灰尘、化学物质，甚至是机械冲击。水汽就是这些“敌人”中的头号大敌，芯片里的导线间距极小，小到几十纳米，一旦有水汽侵入，这些“胡同”里就可能建立起强大的电场，引发一系列连锁反应，比如金属腐蚀、短路、断路，甚至芯片直接报废。比如生活中常见的水汽侵入导致芯片损坏的案例。那是一个朋友的手机，不小心掉进了水里，虽然他立刻捞了出来，但几天后手机还是莫名其妙地坏了。送去维修，师傅说是因为水汽进了芯片，导致内部短路。这事儿让我深刻意识到，芯片的防护，真的不是小事儿。那么，怎么保护这些脆弱的芯片呢？答案就是——气密性封装，让芯片能够抵御外界环境的侵害。封装就像是给芯片盖房子，这座“房子”不仅要结实，还得能防水、防尘、防化学腐蚀。而气密性封装就能够确保芯片在一个相对稳定、安全的环境中工作。

二、气密性封装材料有哪些？

究竟什么样的材料才能做到气密性封装呢？其实，能达到气密性封装的材料并不多，主要有金属、陶瓷和玻璃。这些材料就像是一堵堵坚不可摧的墙，把水汽、灰尘等“敌人”都挡在外面。有实验数据显示，采用金属、陶瓷或玻璃封装的气密性封装，其水渗透率极低，几乎可以忽略不计。而相比之下，采用高分子树脂密封的塑料封装，水分子通常在数个小时内就能侵入，这差距简直就是天壤之别。

金属封装在分立式芯片元器件里占了大头，金属材料，比如镍、金，尤其是在军用电子封装方面，那更是应用广泛。为什么军用电子这么爱金属封装呢？就是因为它可靠，金属封装能扛得住高温、低温、震动、冲击。而且，金属封装还能散热，没有好的散热，芯片分分钟罢工。不过，金属封装也不是没有缺点。比如，它一旦封装好了，就不能再拆开修了，这就像是你把手机屏幕用502胶水粘死了，想换个电池都难。所以，金属封装更适合那些一旦封装好就很少需要维修的设备。

陶瓷封装不像金属封装那么硬核，但胜在可靠度高、密封性好。陶瓷封装利用了玻璃与陶瓷、金属引脚架材料间能形成紧密接合的特性，就像是用胶水把两块木头紧紧粘在一起，那叫一个严丝合缝。陶瓷双列式封装先把金属引脚架固定在氧化铝陶瓷基板上，再把芯片粘上去，用金线或铝线一连，最后盖上另一块陶瓷板，一加热，就密封好了。而且，陶瓷封装还能承受高温，这可不是所有封装材料都能做到的。有些芯片工作起来温度能飙到好几百度。陶瓷封装就不一样了，在高温下也能稳稳当当的。

玻璃这看似普通的材料，在电子封装里可是有着举足轻重的地位。从真空管元器件时代开始，玻璃就是电子元器件重要的密封材料。它化学稳定性好、抗氧化性强、电绝缘性好，还能根据需要调整热性质。在金属密封封装里，玻璃用来固定引脚，提供电绝缘的同时，还能形成金属与玻璃间的密封。用玻璃把金属引脚焊在了封装基板上，既牢固又可靠。而且，玻璃和陶瓷材料间通常黏着性很好，但金属与玻璃之间就不太行了。不过可以通过控制玻璃在金属表面的润湿能力，实现金属与玻璃间的稳定黏结。玻璃封装还有一个好处，就是成本相对较低。相比金属和陶瓷封装，玻璃封装在材料成本上可是要亲民多了。所以，在一些对成本比较敏感的应用领域，比如消费电子、汽车电子等，玻璃封装大受欢迎。

那该怎么选呢？其实，材料选择可是个技术活，得综合考虑好多因素。比如，得看你的芯片工作在什么环境下，是高温、低温还是潮湿？得看你的芯片对散热有什么要求，是需要快速散热还是慢慢散热？还得看你的成本预算是多少，是追求极致性能还是性价比？就拿金属封装来说吧，它虽然可靠度高，但成本也高，一旦封装好了就不能再拆开修了，这对于一些需要频繁维修的设备来说，可就不太友好了。所以，在选择金属封装之前，得好好想想设备是不是真的需要这么高的可靠度？陶瓷封装虽然可靠度高、密封性好，但成本也不低。而且，陶瓷封装的工艺也比较复杂，得经过好多道工序才能完成。所以，在选择陶瓷封装之前，得看预算是不是足够支撑这么复杂的工艺？玻璃封装虽然成本低、工艺简单，但可靠度和密封性可能就不如金属和陶瓷封装了。所以，在选择玻璃封装之前，得评估设备对可靠度和密封性的要求是不是真的那么高？

三、气密性封装背后的原理

以水汽侵入芯片为例，这主要是通过扩散和渗透两种方式。扩散，就是水汽分子从高浓度区域向低浓度区域移动，就像咱们闻到的香味会从厨房飘到客厅一样。而渗透，则是水汽分子通过材料的微小孔隙或裂缝进入芯片内部。气密性封装来说能够有效地阻止水汽的扩散和渗透。金属、陶瓷和玻璃这些材料，它们的分子结构紧密，几乎没有孔隙或裂缝，所以水汽很难侵入。而且，这些材料还具有良好的化学稳定性，不会与水汽发生反应，从而进一步保护了芯片的安全。除了防止水汽侵入外，气密性封装还能防止其他有害物质的侵入，比如灰尘、化学物质等。这些有害物质一旦侵入芯片内部，同样会对芯片造成严重的损害。所以，气密性封装就像是芯片的“全能保镖”，全方位地保护着芯片的安全。

四、气密性封装的应用与实例

气密性封装的应用非常广泛，几乎涵盖了所有需要高可靠性的电子设备。比如，咱们的手机、电脑、汽车电子、航空航天设备、医疗设备等等，都离不开气密性封装。

以手机为例，现在的手机功能越来越强大，但体积却越来越小。这就要求芯片必须更加紧凑、更加高效。而气密性封装，正是实现这一目标的关键技术之一。通过气密性封装，手机芯片能够在有限的空间内实现更高的性能和更低的功耗，同时还能抵御外界环境的侵害，确保手机的稳定运行。

再比如汽车电子。汽车是一个复杂的系统，里面充满了各种电子设备和传感器。这些设备和传感器需要在恶劣的环境下工作，比如高温、低温、潮湿、震动等。而气密性封装，正是保护这些设备和传感器免受环境侵害的重要手段。通过气密性封装，汽车电子设备能够在各种恶劣环境下稳定工作，确保汽车的安全和性能。

五、气密性封装与芯片可靠性的关系

随着芯片技术的不断发展，芯片的尺寸越来越小，封装的要求也越来越高。这就要求气密性封装技术必须不断创新和改进，以满足更高的性能要求。另外，气密性封装的成本也是一个不容忽视的问题。金属、陶瓷和玻璃等材料虽然性能优异，但成本也相对较高。这就限制了气密性封装在某些领域的应用。所以，如何在保证性能的同时降低成本，是气密性封装技术未来发展的重要方向之一。

“没有气密性封装，就没有高可靠性的芯片。”可靠性是衡量芯片性能的重要指标之一。一个可靠的芯片，不仅能够在各种环境下稳定工作，而且寿命也会更长。而气密性封装，正是提高芯片可靠性的关键技术之一。通过气密性封装，芯片能够抵御外界环境的侵害，减少因水汽、灰尘、化学物质等引起的故障和损坏。这将大大提高芯片的可靠性和稳定性，延长芯片的使用寿命。而且，气密性封装还能提高芯片的抗干扰能力。在复杂的电子环境中，芯片很容易受到各种电磁干扰的影响。而气密性封装能够有效地屏蔽这些干扰信号，确保芯片的正常工作。