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1、集成电路封装技术及其特性分析 课题8,集成电路产业,设计、制造、封装,据估计我国集成电路的年消费将达到932亿美圆，约占世界市场的20%，其中的30%将用于电子封装，则年产值将达几千亿人民币，,现在每年全国大约需要180亿片集成电路，但我们自己制造，特别是封装的不到20%,先进封装技术的发展使得日本在电子系统、特别是日用家电消费品的小型化方面一度走在了世界之前,電子原件封裝形式縮寫,1BGA 球栅阵列封装2CSP 芯片缩放式封装3COB 板上芯片贴装4COC 瓷质基板上芯片贴装5MCM 多芯片模型贴装6LCC 无引线片式载体7CFP 陶瓷扁平封装8PQFP 塑料四边引线封装9SOJ 塑料J形线
2、封装10SOP 小外形外壳封装,11TQFP 扁平簿片方形封装12TSOP 微型簿片式封装13CBGA 陶瓷焊球阵列封装14CPGA 陶瓷针栅阵列封装15CQFP 陶瓷四边引线扁平16CERDIP 陶瓷熔封双列17PBGA 塑料焊球阵列封装18SSOP 窄间距小外型塑封19WLCSP 晶圆片级芯片规模封装20FCOB 板上倒装片,集成电路（IC）封装的作用和类型 IC封装的定义：,IC的封装是微电子器件的两个基本组成部分之一：芯片（管芯）+封装（外壳）微电子器件 chip(die)package packaging device 封装给管芯（芯片）和印制电路板（PWB）之间 提供电互连、机械支
3、撑、机械和环境保护及导热 通道。,封装的作用,电功能：传递芯片的电信号,散热功能：散发芯片内产生的热量,机械化学保护功能：保护芯片与引线,防潮,抗辐照,防电磁干扰,IC芯片,引线架,导线丝,铝膜,外引线,封装树脂,塑料基板,塑料封装DIP工艺,导电粘胶,超声键合可在较低的温度下使金属丝发生塑性变形，完成固相结合。,引线键合,成本较低,双列直插式封装结构,DIP,DIP双列直插式封装,DIP(DualInline Package)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
4、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。,PGA,背面,Pin Grid Array,平面栅阵电极封装,集成电路管脚的不断增加，可达3000个管脚，使得只在四周边设置引脚遇到很大困难,PGA插针网格阵列封装,PGA(Pin Grid Array Packag
5、e)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(Zero Insertion Force Socket)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
6、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、Pentium Pro均采用这种封装形式。,一、微电子封装技术的发展趋势,直插式,三次重大变革,表面贴装式,芯片尺寸封装,DIP,SMT,CSP,封装技术的第一次重大变革,表面贴装技术,插装技术,20世纪70年代中期,DIP,SOP：small out-line package,表面贴装（SMT）技术之一,薄型化,手机、笔记本电脑、数码摄象机的薄型化、小型化,引脚向外弯曲,1、SOP小型平面引线式封装,Surface Mount
7、 technology,2、SOJ,引脚向内弯曲,small out-line J-lead package,小型平面J 形引线式封装,3、QFP,背面,引脚向外弯曲,：quad flat package,四周平面引线式封装,QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装,QFP（Plastic Quad Flat Package）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
8、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（Plastic Flat Package）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电路板上安裝布線。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。AK-51,WI-FI等機種上用到.,QFP的实用水平，封装尺寸为40mm40mm，端子间距为0.4mm,端子数376,QFP是目前表面贴装技术的主要代表,周边端子
9、型封装QFP的最大问题是引脚端子的变形，难保证与印刷电路板的正常焊接，需要熟练的操作者，日本半导体用户掌握着高超的技能，处理微细引脚的多端子QFP得心应手,封装技术的第二次重大变革,QFP贴装技术,20世纪90年代初中期,BGA贴装技术,4、BGA,Ball Grid Array,球状栅阵电极封装,背面,焊料微球凸点,BGA球栅阵列封装,当IC的管脚数大于208 Pin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皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。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
10、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.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。WI-FI上使用,IC芯片,引线架,导线丝,内引线,封装树脂,焊料微球凸点,BGA,基板,回流焊,回流焊:通过掩膜预先将适量的焊料置于印制板上需要钎焊的地方，然后将需要装载的元件贴装在印制板相应的电极上，再利用各种加热方式对整个印制板进行加热，使焊料熔化，实现元件电极与对应预涂焊点的互联,印制板,回流炉,焊料微球凸点,B、球状电极的不会变形,印制板,C、熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效果，实装可靠性高，返修率几乎为零,A、与QFP相比，可进
11、一步小型化、多端子化，400端子以上不太困难。,球栅阵列型封装BGA的优点,D、实装操作简单，对操作人员的要求不高,2BGA的分类：（按基板和封装外形）多层陶瓷基板（CBGA）：带盖板密封型，或点胶密封，倒装焊裸芯片，非密封型；有机基板BGA：多层PCB基板、模塑包封BGAPBGA，多层载带基板、金属盖板BGATBGA；金属基板BGA：MBGA，采用表面阳极氧化铝基板，单层或双层薄膜金属实现封装内互连。各种BGA剖面结构见附、图14。各种小型或超小型BGA则属CSP。,IBM的SRAM芯片（FC-PBGA）,图18 几类芯片尺寸封装结构示意图,BGA是目前高密度表面贴装技术的主要代表,日本厂家
12、把主要精力投向QFP端子间距精细化方面，但是未能实现0.3mm间距的多端子QFP，因为日本厂家认为BGA实装后，对中央部分的焊接部位不能观察。,美国公司的实际应用证明，BGA即使不检测焊点的质量，也比经过检测的QFP合格率高两个数量级,美国康柏公司1991年率先在微机中的ASIC采用了255针脚的PBGA，从而超过IBM公司，确保了世界第一的微机市场占有份额。,封装技术的第三次重大变革,芯片尺寸封装技术,BGA贴装技术,20世纪90年代中期,20世纪90年代，日本开发了一种接近于芯片尺寸的超小型封装，这种封装被称为chip size package，将美国风行一时的BGA推向CSP,将成为高密
13、度电子封装技术的主流趋势,尺寸芯片封装,CSP,chip size package,裸芯片封装,尺寸芯片封装概念,双列直插式封装（DIP）的裸芯片面积与封装面积之比为1:80,表面贴装技术SMT中的QFP为1:7，CSP小于1:1.2,尺寸芯片封装原理,芯片尺寸封装CSP CSP：Chip Scale Package，芯片尺寸封装。1.定义：IC封装所占PCB面积1.2倍（或1.5倍或2倍）芯片面积的多种封装形式的统称。它是由现有的多种封装形式派生的、外形尺寸 相当于或稍大于芯片的、各种小型封装的总称。它不是以结构形式来定义的封装。各类BGA、MiniBGA、FBGA（节距0.5mm）都可属于
14、CSP。外引脚都在封装体的下面，但可为：焊球、焊凸点、焊盘、框架引线，品种形式已有50种以上。（详见“芯片尺寸封装”一书）。,尺寸芯片封装CSP分类,1、平面栅阵端子型CSP,裸芯片,焊料微球凸点,2、周边端子型CSP,图18 CSP的主要类型,3.JEDEC中的CSP标准 已有14个，比BGA（8个）多，名称上采用了“窄节距”“焊球阵列”FBGA，薄型、超薄型、小尺寸、窄节距 BGA和薄、超小型“无引线封装”SON（4个）。焊点节距范围为：0.40，0.50，0.65，0.75，0.80，1.00 mm。CSP与BGA的根本区别在于封装面积和芯片面积之比 SP/Sd1.2，而不在于节距0.5
15、mm。正方形和矩形分立为两类：（S-，R-）焊球直径有：0.17，0.30，0.40，0.45，0.50 mm。焊盘尺寸有：0.400.70，0.300.50，0.350.70 mm2，多数取0.300.50 mm2。封装总体高度有：0.5，0.8，0.9，0.95，1.00，1.20，1.70 mm等，多数取1.20 mm。,IC芯片,引线架,导线丝,内引线,封装树脂,焊料微球凸点,IC芯片,CSP,BGA,基板,CSP芯片尺寸封装工艺,1、导电丝焊接组装技术,2、倒扣组装技术,1、导电丝焊接组装技术,芯片,芯片,印制板,粘胶,超声热压焊引线,金属布线,铝膜,模塑树脂,2、倒扣组装技术,在裸
16、芯片上的电极上形成焊料凸点，通过钎焊将芯片以电极面朝下的倒状方式实装在多层布线板上，由于不需要从芯片向四周引出I/O端子，可布置更多的端子，互联线的长度大大缩短，减小了RC延迟，可靠性提高,Flip ship,回流焊,树脂下填充,4、CSP发展新趋势,1、MCM组装,2、三维封装,1、MCM组装,Multi chip module,芯片,封装体,芯片,封装外壳,印制板,单芯片封装电路板,多芯片封装电路板,可大幅度减小封体积,将多个裸芯片不加封装，直接装载于同一印制板上并封装于同一壳体内，与一般单芯片封装的SMT相比，面积减小了36倍，重量减轻了3倍以上，由于减小了引线长度故可明显改善信号延迟、降低高频损耗,IC芯片,内引线,封装树脂,印制板,绝缘胶,焊料微球,2、三维封装,(a),(b),(c),(d),各种封装类型示意图,THE END Thanks,
