集成电路封装发展Word文档下载推荐.docx

集成电路封装发展Word文档下载推荐.docx

《集成电路封装发展Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成电路封装发展Word文档下载推荐.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

Packagingtechnology

1引言

随着电子产品在个人、医疗、家庭、汽车、环境和安防系统等领域得到应用，同时在日常生活中更加普及，对新型封装技术和封装材料的需求变得愈加迫切。

从80年代中后期开始电子产品正朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化方向发展。

这种市场需求，对电路封装技术提出了相应的要求：

单位体积信息的提高（高密度化）和单位时间处理速度的提高（高速度化）。

为了满足这些要求，势必要提高电路组装的功能密度，这就为芯片封装技术的发展提供了动力。

同时由于集成电路不仅仅是单块芯片或者基本电子元件结构，集成电路的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装技术的要求也各不相同。

封装技术其实就是一种将集成电路打包的技术。

拿我们常见的内存来说，我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌。

而是内存芯片经过打包即封装后的产品。

这种打包对于芯片来说是必须的，因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能的下降。

另一方面封装后的芯片也更便于安装和运输。

由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB板（PrintCircuitBoard，印刷电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。

2封装的作用

集成电路封装不仅起到集成电路芯片内键合点与外部进行电气连接的作用，也为集成电路芯片提供了一个稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用，从而集成电路芯片能够发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性。

总之，集成电路封装质量的好坏，对集成电路总体的性能优劣关系很大。

因此，封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。

虽然IC的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大，但是IC封装的作用和功能却差别不大，封装的目的也相当的一致。

作为“芯片的保护者”，封装起到了好几个作用，归纳起来主要有两个根本的功能：

（1）保护芯片，使其免受物理损伤；

（2）重新分布I/O，获得更易于在装配中处理的引脚节距。

封装还有其他一些次要的作用，比如提供一种更易于标准化的结构，为芯片提供散热通路，使芯片避免产生α粒子造成的软错误，以及提供一种更方便于测试和老化试验的结构。

封装还能用于多个IC的互连。

可以使用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。

或者也可用封装提供的互连通路，如混合封装技术、多芯片组件（MCM）、系统级封装（SiP）以及更广泛的系统体积小型化和互连（VSMI）概念所包含的其他方法中使用的互连通路，来间接地进行互连。

随着微电子机械系统（MEMS）器件和片上实验室（lab-on-chip）器件的不断发展，封装起到了更多的作用：

如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和大气环境的要求。

人们还日益关注并积极投身于光电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。

最近几年人们对IC封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大的转变，IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。

这是因为在很多情况下，IC的性能受到IC封装的制约，因此，人们越来越注重发展IC封装技术以迎接新的挑战。

3封装形式

集成电路发展初期，其封装主要是在半导体晶体管的金属圆形外壳基础上增加外引线数而形成的。

但金属圆形外壳的引线数受结构的限制不可能无限增多，而且这种封装引线过多时也不利于集成电路的测试和安装，从而出现了扁平式封装。

而扁平式封装不易焊接，随着波峰焊技术的发展又出现了双列式封装。

由于军事技术的发展和整机小型化的需要，集成电路的封装又有了新的变化，相继产生了片式载体封装、四面引线扁平封装、针栅阵列封装、载带自动焊接封装等。

同时，为了适应集成电路发展的需要，还出现了功率型封装、混合集成电路封装以及适应某些特定环境和要求的恒温封装、抗辐照封装和光电封装。

并且各类封装逐步形成系列，引线数从几条直到上千条，已充分满足集成电路发展的需要。

4封装材料

如上所述，集成电路封装的作用之一就是对芯片进行环境保护，避免芯片与外部空气接触。

因此必须根据不同类别的集成电路的特定要求和使用场所，采取不同的加工方法和选用不同的封装材料，才能保证封装结构气密性达到规定的要求。

集成电路早期的封装材料是采用有机树脂和蜡的混合体，用充填或灌注的方法来实现封装的，显然可靠性很差。

也曾应用橡胶来进行密封，由于其耐热、耐油及电性能都不理想而被淘汰。

使用广泛、性能最为可靠的气密密封材料是玻璃-金属封装、陶瓷-金属封装和低熔玻璃-陶瓷封装。

处于大量生产和降低成本的需要，塑料模型封装已经大量涌现，它是以热固性树脂通过模具进行加热加压来完成的，其可靠性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件，但由于其耐热性较差和具有吸湿性，还不能与其他封装材料性能相当，尚属于半气密或非气密的封接材料。

随着芯片技术的成熟和芯片成品率的迅速提高，处于后部的封装成本占整个集成电路成本的比重也愈来愈大，封装技术的变化和发展日新月异，令人目不暇接。

5集成电路封装类型

5.1DIP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。

5.2SIP单列直插式封装

单列直插式封装（SIP），引脚从封装一个侧面引出，排列成一条直线。

通常，它们是通孔式的，管脚插入印刷电路板的金属孔内。

当装配到印刷基板上时封装呈侧立状。

这种形式的一种变化是锯齿型单列式封装（ZIP），它的管脚仍是从封装体的一边伸出，但排列成锯齿型。

这样，在一个给定的长度范围内，提高了管脚密度。

引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从2至23，多数为定制产品。

封装的形状各异。

也有的把形状与ZIP相同的封装称为SIP。

5.3SOP表面焊接式封装

SOP（SmallOut-LinePackage小外形封装）是一种很常见的元器件形式。

表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状（L字形）。

材料有塑料和陶瓷两种。

1968~1969年菲利浦公司就开发出小外形封装（SOP）.以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。

5.4QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP（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QFP方式基本相同。

唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

QFP/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。

5.5PGA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。

5.6BGA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：

a.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。

b.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。

c.信号传输延迟小，适应频率大大提高。

d.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，日本西铁城（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年已经达到12亿块，2005年市场需求比2000年有了约70%的增长幅度。

总之，由于CPU和其他超大型集成电路在不断发展，集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展。

6封装的发展历程

半导体器件有许多封装型式，从DIP、SOP、QPF、PGA、BGA到CSP再到SIP，技术指标一代比一代先进，这些都是前人根据当时的组装技术和市场需求而研制的。

总体说来，它大概有三次重大的革新：

第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，极大地提高了印刷电路板上的组装密度；

第二次是在上世纪90年代球型矩正封装的出现，它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；

晶片级封装、系统封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装减到最小。

每一种封装都有其独特的地方，即其优点和不足之处，而所用的封装材料，封装设备，封装技术根据其需要而有所不同。

驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。

电子产品是由半导体器件（集成电路和分立器件）、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。

所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米”的美称。

半导体组装技术（Assemblytechnology）的提高主要体现在它的封装型式（Package）不断发展。

通常所指的组装（Assembly）可定义为：

利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片（chip）和框架（Lead-Frame）或基板（Substrate）或塑料薄片（Film）或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。

它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。

从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。

7集成电路封装技术发展的主流方向

电子工程的发展方向，是由一个组件（如IC）的开发，进入到集结多个组件（如多个IC组合成系统）的阶段，再随着产品效能与轻薄短小的需求带动下，迈向整合的阶段。

在此发展方向的引导下，便形成了现今电子产业上相关的两大主流：

系统单芯片（Systemonchip;

SoC）与系统化封装（Systeminapackage;

SiP）。

有发展的精神来看，SoC与SiP是极为相似的；

两者均希望将一个包含逻辑组件、内存组件，甚至包含被动组件的系统整合在一个单位中。

然而就发展方向来说，两者却是大大的不同：

SoC是站在设计的角度出发，目的是将一个系统所需的组件整合于一个芯片上；

而SiP则是由封装的立场发展，将不同功能的芯片整合于一个电子封装中。

在未来电子产品在体积、处理速度或电气特性各方面的需求考量下，SoC确为未来电子产品设计的关键和方向。

但SoC发展至今，除了面临诸如技术瓶颈高、CMOS、DRAM、GaAs、SiGe等不同制程整合不易、生产良率低等技术挑战尚待克服外，现阶段SoC生产成本高，以及其所需研发时间过长等因素，都造成SoC的发展面临瓶颈，也造就SiP的发展方向再次受到广泛的讨论与看好。

SiP（systeminapackage，封装内系统，或称系统封装）是指将不同种类的元件，通过不同技术，混载于同一封装之内，由此构成系统集成封装形式。

该定义是经过不断演变，逐渐形成的，开始是在单芯片封装中加入无源元件，再到单个封装中加入多个芯片、叠层芯片以及无源器件，最后封装构成一个体系，即SiP。

该定义还包括，SiP应以功能块亚系统形式做成制品，即应具备亚系统的所有组成部分和功能。

微电子封装对集成电路（IC）产品的体积、性能、可靠性质量、成本等都有重要影响，IC成本的40％是用于封装的，而IC失效率中超过25％的失效因素源自封装。

实际上，封装已成为研发高性能电子系统的关键环节及制约因素，全球领先的整合器件制造商IDM在高密度、高可靠封装技术方面秣马厉兵，封装被列入重点研发计划正处于如火如茶之中。

另外，支持发展速度的硅IC应用所需的无源元件的用量也越来越大，其典型值超过1：

10，在一些移动终端（手机、笔记本电脑、个人数字助理PDA、数码相机等）产品中，无源元件和有源器件（芯片为主）之比约为50：

1，甚至可达100：

1，其成本占元器件总额的三分之一左右，无源元件以电阻器和电容器为主，一部典型的GSM手机内含500多个无源元件，占电路板面积的50％，而且有30-50％的焊点与此有关。

著名的摩尔定律仍长期有效，芯片功能发展强劲，凸现出无源元件的集成化发展缓慢，IC的各种封装布线设计及制作技术同样适用于无源元件集成，并可将小型化、集成化的无源元件封装在统一的封装结构中。

为此，很多IDM和封装承包商积极推出新一代SIP（Systeminapackage，系统封装或称其为封装内系统）技术及其产品，期望以此弥补SOC（Systemonachip，片上系统）芯片的某些缺陷，推进在一个封装内的无源元件集成化，促进新世纪进入一个各类元器件的大集成时代。

7.1关于SIP的内涵概念

封装就是将具有一定功能的芯片（die，芯粒或称籽芯、管芯），置入密封在与其相适应的一个外壳壳体中，形成一个完善的整体，为芯片提供保护，并保障信号和功率的输入与输出，同时，将芯片工作时产生的热量散发到外部环境，确保器件能在所要求的外界环境及工作条件下稳定可靠地运行，尽管封装形成千差万别，且不断发展，但其生产过程大致可分为晶圆切片、芯片置放装架、内引线键合（电气互连）、密封等几十个阶段。

国内外IDM和封装业界对究竟什么是SIP的内涵概念颇有争议，从不同角度作了很多探索，至今看法不一，各执一词，目前尚未统一成十分严格的表征，其技术方案相继被披露出来。

简言之，SIP技术的研发者和评价者大致有以下多种对SIP内涵概念的表述：

•SIP是基于SOC的一种新封装技术，将一个或多个裸芯片及可能的无源元件构成的高性能模块装载在一个封装外壳内，包括将这些芯片层叠在一起，且具备一个系统的功能。

•SIP将多个IC和无源元件封装在高性能基板上，可方便地兼容不同制造技术的芯片，从而使封装由单芯片级进人系统集成级。

•SIP是在基板上挖凹槽，芯片镶嵌其中，可降低封装体厚度，电阻、电容、电感等生成于基板上方，最后用高分子材料包封。

常用的基板材料为FR-4、LCP（LiquidCrystalPolymer）。

低温共烧多层陶瓷LTCC、QspreyMetalAl/SiC颗粒增强金属基复合材料等。

•SIP在一个封装中密封多个芯片，通常采用物理的方法将两个或多个芯片重叠起来，或在同一封装衬底上将叠层一个挨一个连接起来，使之具有新的功能。

•SIP可实现系统集成，将多个IC以及所需的分立器件和无源元件集成在一个封装内，包括多个堆叠在一起的芯片，