芯片封装概述.docx

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芯片封装概述

芯片封装概述

芯片封装

一、DIP双列直插式封装

　　DIP（DualIn－linePackage）是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路（IC）均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。

采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。

当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。

DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。

DIP封装具有以下特点：

1.适合在PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便。

2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存（Cache）和早期的内存芯片也是这种封装形式。

二、PQFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

　　PQFP（PlasticQuadFlatPackage）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。

用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。

采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。

将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。

用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

　　PFP（PlasticFlatPackage）方式封装的芯片与PQFP方式基本相同。

唯一的区别是PQFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

PQFP/PFP封装具有以下特点：

1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。

2.适合高频使用。

3.操作方便，可靠性高。

4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。

Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。

三、PGA插针网格阵列封装

　　PGA（PinGridArrayPackage）芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。

根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。

安装时，将芯片插入专门的PGA插座。

为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

　　ZIF（ZeroInsertionForceSocket）是指零插拔力的插座。

把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。

然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。

而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点：

1.插拔操作更方便，可靠性高。

2.可适应更高的频率。

　　Intel系列CPU中，80486和Pentium、PentiumPro均采用这种封装形式。

四、BGA球栅阵列封装

　　随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。

这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208Pin时，传统的封装方式有其困难度。

因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA（BallGridArrayPackage）封装技术。

BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类：

1.PBGA（PlasricBGA）基板：

一般为2-4层有机材料构成的多层板。

Intel系列CPU中，PentiumII、III、IV处理器均采用这种封装形式。

2.CBGA（CeramicBGA）基板：

即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式。

Intel系列CPU中，PentiumI、II、PentiumPro处理器均采用过这种封装形式。

3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：

硬质多层基板。

4.TBGA（TapeBGA）基板：

基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA（CarityDownPBGA）基板：

指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。

BGA封装具有以下特点：

1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。

2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。

3.信号传输延迟小，适应频率大大提高。

4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。

　　BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。

1987年，***西铁城（Citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片（即BGA）。

而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。

1993年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。

同年，康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。

直到五六年前，Intel公司在电脑CPU中（即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等），以及芯片组（如i850）中开始使用BGA，这对BGA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。

目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，其全球市场规模在2000年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。

五、CSP芯片尺寸封装

　　随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP（ChipSizePackage）。

它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。

即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类：

1.LeadFrameType（传统导线架形式），代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等等。

2.RigidInterposerType（硬质内插板型），代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。

3.FlexibleInterposerType（软质内插板型），其中最有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。

其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。

4.WaferLevelPackage（晶圆尺寸封装）：

有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

CSP封装具有以下特点：

1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。

2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。

3.极大地缩短延迟时间。

　　CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。

未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线网络WLAN／GigabitEthemet、ADSL／手机芯片、蓝芽（Bluetooth）等新兴产品中。

六、MCM多芯片模块

　　为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统，从而出现MCM（MultiChipModel）多芯片模块系统。

MCM具有以下特点：

1.封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化。

2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。

3.系统可靠性大大提高。

芯片封装概述  ****

　　摘要：

本文介绍了芯片封装的演变过程，并以BGA为重点，介绍了当前较为先进的面积阵列封装。

　　关键词：

封装，组装，面积阵列封装，球栅阵列封装

引言

　　随着半导体技术的飞速发展，IC在处理速度上的高速增长，处理能力上的增强，芯片内部结构日趋复杂。

因而IC制造也遇到挑战，其封装形式的小型化与I／0端数量的增长的矛盾推动封装形式的革新。

l.封装形式的演变

1.1  双列直插式封装DIP（DualIn—linePackage）

　　传统芯片因工艺、功能等诸多因素制约，多采用DIP形式封装，甚至有些采用SIP（SingleIn—linePackage）封装。

相对于采用SMD这样组装所占面积较大，给设备小型化带来困难，且组装自动化程度较低。

64脚DIP封装的IC，安装面积为25.4mm*76.2mm，相同端数采用引脚中心距为0.64mm无引线器件进行表面安装，安装面积为12.7mm*12.7mm，仅为前者的l／12。

1.2  SMT常用封装

1.2.1  小外型封装SOP（SmallOutlinePackage）

　　SOP器件又称为SOIC（SmallOutlineIntegratedCircuit），是DIP的缩小形式，引线中心距为1.27mm，引脚形式：

欧翼型、J型、I型，常用欧翼型。

1.2.2  塑封有引线芯片载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）

　　塑封有引线芯片载体PLCC，引线中心距为1.27mm，引线呈J形，向器件下方弯曲，有矩形、方形两种。

PLCC器件组装面积小，引线强度高，不易变形，多根引线保证了良好的共面性，使焊点的一致性得以改善。

因J形引线向下弯曲，检修有些不便。

1.2.3  无引线陶瓷芯片载体LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）

　　无引线陶瓷芯片载体LCCC电极中心距有1.0mm、1.27mm两种。

因为是无引线组装，故寄生参数小，噪声、延时特性明显改善；亦因无引线，应力小，焊点易开裂。

1.2.4  方形扁平封装QFP（QuadFlatPackage）

　　方形扁平封装QFP，主要应用于ASIC（ApplicationOfSpecificIntegratedCircuit）专用集成电路。

普通引线中心距为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm，目前亦有采用0.3mmQFP。

为保证引出线良好的共面性，美国的QFP器件四个脚都有一个突出的脚，其尺寸超过引出线O.05mm。

1.3小结

　　综合上述介绍，I／O数量的增加是以牺牲引线间距为代价。

间距的缩小给芯片制造、组装工艺提出更高要求，难度亦随之增加，加之间距亦有极限，因此即使I／O数较多的QFP的发展也受到间距极限的限制，因而更新型的封装，更先进的技术就呼之欲出。

2．新型封装

2.1  球栅阵列BGA（BallGridArray）

　　正如1.3所述，缩小间距不是解决I／O数增长最有效的解决方案。

于是便有以封装底面来互连的解决办法，这便是面积阵列封装AAP（AreaArrayPackage）。

采用AAP，相同I／O数与组装面积，AAP间距明显较大，这使组装容易，芯片制造难度下降；相同的组装面积和间距，AAP可使I／O数增多；若间距、I／O数相同，AAP的组装面积明显较小，这使设备的小型化易于实现。

因此AAP成为当前封装的热点和趋势。

以结构形式划分，AAP可分为BGA和FC。

BGA又可分为PBGA、CBGA、CCGA、TBGA四类，下面分述之。

2.1.1  塑封球栅阵列PBGA（PlasticBallGridArray）

　　PBGA是最普遍的BGA封装类型，其载体为普通的印制板基材，如FR—4等。

硅片通过金属丝压焊方式连到载体的上表面，然后塑料模压成型。

有些PBGA封装结构中带有空腔，称热增强型BGA，简称EBGA。

　　下表面为呈部分或完全分布的共晶组份（37Pb／63Sn）的焊球阵列，焊球间距通常为1.0mm、1.27mm、1.5mm。

PBGA有以下特点：

其载体与PCB材料相同，故组装过程二者的热膨胀系数TCE（ThermalCoefficientOfExpansion）几乎相同，即热匹配性良好。

组装成本低。

共面性较好。

易批量组装。

电性能良好。

2.1.2  陶瓷球栅阵列CBGA（CeramicBallGridArray）

　　CBGA即是以多层陶瓷作载体，硅片采用金属丝压焊方式或采用硅片线路面朝下，以倒装片方式实现与载体的互联，然后用填充物包封，起到保护作用。

陶瓷载体下表面是90Pb／10Sn的共晶焊球阵列，焊球间距常为1.0mm和1.27mm。

CBGA具有如下特点：

优良的电性能和热特性。

密封性较好。

封装可靠性高。

共面性好。

封装密度高。

因以陶瓷作载体，对湿气不敏感。

封装成本较高。

组装过程热匹配性能差，组装工艺要求较高。

2.1.3  陶瓷柱栅阵列CCGA（CeramicCloumnGridArray）

　　CCGA是CBGA的扩展，因此在制作工艺，性能上与CBGA相似。

不同的是以90Pb／10Sn焊料柱替代了CBGA中的焊球，焊料柱的产生减小了组装过程PCB与陶瓷载体热性能失配产生的应力，但是焊料柱在组装过程中易受到机械损坏。

CCGA的典型柱距为1.27mm。

2.1.4  载带球栅阵列TBGA（TapeBallGridArray）

　　载带球栅阵列TBGA是载带自动键合TAB（TapeAutomatedBonding）技术的延伸。

TBGA的载体为铜／聚酰亚胺／铜的双金属层带（载带）。

载体上表面分布的铜导线起传输作用，下表面的铜层作地线。

硅片与载体实现互连后，将硅片包封起到保护作用。

载体上的过孔实现上下表面的导通，利用类似金属丝压焊技术在过孔焊盘上形成焊球阵列。

焊球间距有1.0mm、1.27mm、1.5mm几种。

TBGA有以下特点：

封装轻、小。

电性能良。

组装过程中热匹配性好。

潮气对其性能有影响。

2.1.5  小结

　　综合上述介绍，BGA性能明显优于QFP，有良好的电性能，高I／O数。

各类BGA的焊球、柱的组份基本是90Pb／10Sn（PBGA除外），间距基本上是1.0mm、l.27mm，因此间距还有进一步缩小的空间，这样I／O数将进一步增多，这将是BGA的发展方向——uBGA，亦称之为CSP（芯片尺寸封装），后面将简要介绍。

2.2  倒装芯片FC（F1ipChip）

　　倒装芯片FC即是将芯片的有源面通过分布于上面的焊球与PCB实现直接互连，从而取代金属丝压焊的连接方式。

因此连接长度减小，电路时延也小，电性能较好，可提供较多I／O数且芯片外形尺寸小。

2.3芯片尺寸封装CSP（ChipScalePackage）

　　芯片尺寸封装规约为：

封装尺寸为芯片本身尺寸大小的l——1.2倍。

正如前文所述，某种意义上而言，CSP是BGA的微小化。

CSP尺寸小，I／O数高导致间距缩小，给组装工艺带来挑战。

2.4  其它

　　多芯片模块MCM（Multi—chipModule）是将多个芯片封装在一起，从而完成某特定功能的多芯片封装。

其种类有：

MCM—C、MCM—L、MCM—D。

发展的，越来越微小的间距，无法实现封装，因而直接将裸芯片安装到PCB板上。

3．结语

　　芯片封装的发展是适应微组装技术FPT（FinePitchTechnology）的发展而发展。

朝轻、薄、小化，高I／O数，外形尺寸小，引线或焊球间距小的方向发展。

随着技术的发展，性能将进一步提高，价格将会下降。

这样电子组装的新时代将来临，整机性能将明显改善。

IC封装术语

1、BGA（ballgridarray）

球形触点陈列，表面贴装型封装之一。

在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以

代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。

也称为凸

点陈列载体（PAC）。

引脚可超过200，是多引脚LSI用的一种封装。

封装本体也可做得比QFP（四侧引脚扁平封装）小。

例如，引脚中心距为1.5mm的360引脚

BGA仅为31mm见方；而引脚中心距为0.5mm的304引脚QFP为40mm见方。

而且BGA不

用担心QFP那样的引脚变形问题。

该封装是美国Motorola公司开发的，首先在便携式电话等设备中被采用，今后在美国有可

能在个人计算机中普及。

最初，BGA的引脚（凸点）中心距为1.5mm，引脚数为225。

现在也有

一些LSI厂家正在开发500引脚的BGA。

BGA的问题是回流焊后的外观检查。

现在尚不清楚是否有效的外观检查方法。

有的认为，

由于焊接的中心距较大，连接可以看作是稳定的，只能通过功能检查来处理。

美国Motorola公司把用模压树脂密封的封装称为OMPAC，而把灌封方法密封的封装称为

GPAC（见OMPAC和GPAC）。

2、BQFP（quadflatpackagewithbumper）

带缓冲垫的四侧引脚扁平封装。

QFP封装之一，在封装本体的四个角设置突起（缓冲垫）以

防止在运送过程中引脚发生弯曲变形。

美国半导体厂家主要在微处理器和ASIC等电路中采用

此封装。

引脚中心距0.635mm，引脚数从84到196左右（见QFP）。

3、碰焊PGA（buttjointpingridarray）

表面贴装型PGA的别称（见表面贴装型PGA）。

4、C－（ceramic）

表示陶瓷封装的记号。

例如，CDIP表示的是陶瓷DIP。

是在实际中经常使用的记号。

5、Cerdip

用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装，用于ECLRAM，DSP（数字信号处理器）等电路。

带有

玻璃窗口的Cerdip用于紫外线擦除型EPROM以及内部带有EPROM的微机电路等。

引脚中心

距2.54mm，引脚数从8到42。

在曰本，此封装表示为DIP－G（G即玻璃密封的意思）。

6、Cerquad

表面贴装型封装之一，即用下密封的陶瓷QFP，用于封装DSP等的逻辑LSI电路。

带有窗

口的Cerquad用于封装EPROM电路。

散热性比塑料QFP好，在自然空冷条件下可容许1.5～

2W的功率。

但封装成本比塑料QFP高3～5倍。

引脚中心距有1.27mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、

0.4mm等多种规格。

引脚数从32到368。

7、CLCC（ceramicleadedchipcarrier）

带引脚的陶瓷芯片载体，表面贴装型封装之一，引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形。

带有窗口的用于封装紫外线擦除型EPROM以及带有EPROM的微机电路等。

此封装也称为

QFJ、QFJ－G（见QFJ）。

8、COB（chiponboard）

板上芯片封装，是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片交接贴装在印刷线路板上，芯片与基

板的电气连接用引线缝合方法实现，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，并用树脂覆

盖以确保可靠性。

虽然COB是最简单的裸芯片贴装技术，但它的封装密度远不如TAB和倒片

焊技术。

9、DFP（dualflatpackage）

双侧引脚扁平封装。

是SOP的别称（见SOP）。

以前曾有此称法，现在已基本上不用。

10、DIC（dualin-lineceramicpackage）

陶瓷DIP（含玻璃密封）的别称（见DIP）.

11、DIL（dualin-line）

DIP的别称（见DIP）。

欧洲半导体厂家多用此名称。

12、DIP（dualin-linepackage）

双列直插式封装。

插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。

DIP是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。

引脚中心距2.54mm，引脚数从6到64。

封装宽度通常为15.2mm。

有的把宽度为7.52mm

和10.16mm的封装分别称为skinnyDIP和slimDIP（窄体型DIP）。

但多数情况下并不加区分，

只简单地统称为DIP。

另外，用低熔点玻璃密封的陶瓷DIP也称为cerdip（见cerdip）。

13、DSO（dualsmallout-lint）

双侧引脚小外形封装。

SOP的别称（见SOP）。

部分半导体厂家采用此名称。

14、DICP（dualtapecarrierpackage）

双侧引脚带载封装。

TCP（带载封装）之一。

引脚制作在绝缘带上并从封装两侧引出。

由于利

用的是TAB（自动带载焊接）技术，封装外形非常薄。

常用于液晶显示驱动LSI，但多数为定制品。

另外，0.5mm厚的存储器LSI簿形封装正处于开发阶段。

在曰本，按照EIAJ（曰本电子机械工

业）会标准规定，将DICP命名为DTP。

15、DIP（dualtapecarrierpackage）

同上。

曰本电子机械工业会标准对DTCP的命名（见DTCP）。

16、FP（flatpackage）

扁平封装。

表面贴装型封装之一。

QFP或SOP（见QFP和SOP）的别称。

部分半导体厂家采

用此名称。

17、flip-chip

倒焊芯片。

裸芯片封装技术之一，在LSI芯片的电极区制作好金属凸点，然后把金属凸点

与印刷基板上的电极区进行压焊连接。

封装的占有面积基本上与芯片尺寸相同。

是所有封装技

术中体积最小、最薄的一种。

但如果基板的热膨胀系数与LSI芯片不同，就会在接合处产生反应，从而影响连接的可靠

性。

因此必须用树脂来加固LSI芯片，并使用热膨胀系数基本相同的基板材料。

18、FQFP（finepitchquadflatpackage）

小引脚中心距QFP。

通常指引脚中心距小于0.65mm的QFP（见QFP）。

部分导导体厂家采

用此名称。

19、CPAC（globetoppadarraycarrier）

美国Motorola公司对BGA的别称（见BGA）。

20、CQFP（quadfiatpackagewithguardring）

带保护环的四侧引脚扁平封装。

塑料QFP之一，引脚用树脂保护环掩蔽，以防止弯曲变形。

在把LSI组装在印刷基板上之前，从保护环处切断引脚并使其成为海鸥翼状（L形状）。

这种封装

在美国Motorola公司已批量生产。

引脚中心距0.5mm，引脚数最多为208左右。

21、H-（withheatsink）

表示带散热器的标记。

例如，HSOP表示带散热器的SOP。

22、pingridarray（surfacemounttype）

表面贴装型PGA。

通常PGA为插装型封装，引脚长约3.4mm。

表面贴装型PGA在封装的

底面有陈列状的引脚，其长度从1.5mm到2.0mm。

贴装采用与印刷基板碰焊的方法，因而也称

为碰焊PGA。

因为引脚中心距只有1.27mm，比插装型PGA小一半，所以封装本体可制作得不

怎么大，而引脚数比插装型多（250～528），是大规模逻辑LSI用的封装。

封装的基材有多层陶

瓷基板和玻璃环氧树脂印刷基数。

以多层陶瓷基材制作封装已经实用化。

23、JLCC（J-leadedchipcarrier）

J形引脚芯片载体。

指带窗口CLCC和带窗口的陶瓷QFJ的别称（见CLCC和QFJ）。

部分半

导体厂家采用的名称。

24、LCC（Leadlesschipcarrier）

无引脚芯片载体。

指陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装。

是高

速和