集成电路封装技术.ppt

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1、1,集成电路封装技术清华大学 微电子所贾松良 Tel:62781852 Fax:62771130 Email:2005年6月12日,2,目录一、中国将成为世界半导体封装业的重要基地二、IC封装的作用和类型三、IC封装的发展趋势四、IC封装的基本工艺五、几种新颖封装BGA、CSP、WLP六、封装的选择和设计七、微电子封装缩略词,3,一、中国将成为世界半导体封装业的重要基地之一 1.世界半导体工业仍在高速发展,4,2.中国是目前世界上半导体工业发展最快的国家之一。近几年的产值平均年增长率在30以上，世界10。,5,3.中国国内半导体元器件的市场很大 中国已成为除美、日外，世界第三大电子信息产品 制

2、造国，2010年后为第二。据美国半导体行业协会（SIA）预测：中国电子产品的生产值将从2002年的1300亿美元上升到2006年的2520亿美元，四年内将翻一番！元器件采购值四年内将增长约三倍：从2002年的350亿美元上升到2006年的1000亿美元,6,4.中国是半导体器件的消费“大国”，生产“小国”。半导体器件生产发展的市场余地很大。2000年中国消耗的半导体占世界半导体市场份额的6.9%,生产的半导体只占世界产值的1.2%;2004年占3.7；2002年中国消耗的半导体占世界半导体市场份额的14.4%,生产的半导体只占世界产值的1.8%。中国所消费的半导体产品中85%依靠进口。广阔的市

3、场、就地生产、降低成本、抢占中国市场，及 2000年6月18号文件提供的优惠政策是吸引外资、快速 发展中国半导体产业的主要因素。,7,5.封装测试业已成为中国最大的半导体产业：2003年：封装测试业产值占70 晶圆制造业产值占17 设计业产值占13,8,6.2002年全球排名前十位的半导体公司大都将在中国建立封装测试厂,9,世界上一些著名封装厂也都来大陆建厂：日月光（上海）矽品科技（SPIL）（苏州）飞索（苏州）Amkor（安考）（上海）最近在成都将建三个大型封装测试厂 Intel、中芯国际，友尼森（Unisem）,10,8.2004年大陆前十名产值的封装测试厂,11,9.中国将进入世界半导体

4、封装产业的第四或第二位,世界半导体封装业产值分布和产值名次排序,12,由上表可知：半导体封装产业主要在东亚和东南亚。半导体封装产值最大的是日本和马来西亚。2001年中国封装产值排在第七位，到2006年有可能进入并列第四位。,13,二、集成电路（IC）封装的作用和类型 1IC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、机械支撑、机械和环境保护及导热 通道。,14,2.封装的分级 零级封装：芯片上的互连；一级封装：器件级

5、封装；二级封装：PCB(PWB)级封装；三级封装：分机柜内母板的组装；四级封装：分机柜。我们这里讨论的封装是指“一级封装”，即IC器件的封装。,15,图1 常规组合的电路封装,16,3.封装的基本功能：,信号分配：电源分配：热耗散：使结温处于控制范围之内 防护：对器件的芯片和互连进行机械、电磁、化学等方面的防护,17,18,图2 封装的四种主要功能,19,4.IC封装的主要类型：IC的封装按照器件使用时的组装方式可分为：通孔插装式 PTH（Pin through hole）表面安装式 SMT（Suface mount technology）目前表面安装式封装已占IC封装总量的 80%以上。,2

6、0,按主要使用材料来分，有,裸芯片 金属封装 陶瓷封装 1 2%塑料封装 92%,21,历史的发展过程：最早是金属封装，然后是陶瓷封装，最后是塑料封装。性能分：金属和陶瓷封装是气密封装，塑料封装是非气密或准气密封装；金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条件”，如军用、宇航等，而塑封只能用于“不太严酷”的环境；金属、陶瓷封装是“空封”，封装不与芯片表面接触，塑封是“实封”；金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路（HIC），部分军品及需空封器件。,22,按引线形状 无引线：焊点、焊盘 有引线：,23,24,图3 一级封装的类型,25,IC封装的生命周期,图4 上世纪末集成电路封装的生命周期,26,目

7、前世界上产量较多的几类封装 SOP 5557%PDIP 14%QFP(PLCC)12%BGA 45%,27,三、IC封装的发展趋势 1 IC封装产量仍以平均45年一个增长周期在增长。2000年是增长率最高的一年（+15%以上）。2001年和2002年的增长率都较小。半导体工业可能以“三年养五年”！,28,图5 集成电路封装产量和年增长率发展趋势,29,2.技术发展趋势 芯片封装工艺：从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片 划片成小管芯。再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后 就成器件。芯片与封装的互连：从引线键合（WB）向倒装焊（FC）转变。微电子封装和PCB板之间的互连：已由通孔插

8、装(PTH)为主转为表面安装（SMT）为主。,30,封装密度正愈来愈高 封装密度的提高体现在下列三方面：硅片的封装效率=硅芯片面积/封装所占印制板面积=Sd/Sp不断提高（见表1）；封装的高度不断降低（见表2）；引线节距不断缩小（见表3）；引线布置从封装的两侧发展到封装的四周，到封装的底面。这样使单位封装体积的硅密度和引线密度都大大提高。国际上IC封装的发展趋势如表4所示。,31,图6 单芯片封装向多芯片封装的演变,32,表1硅片封装效率的提高,33,表2封装厚度的变化,34,表3引线节距缩小的趋势,35,图7 引线节距的发展趋势,36,图8 封装厚度比较,37,除非裸芯片，很难使封装体厚度t

9、p小于0.5mm。tp=上包封体（高于引线拱高）+芯片厚度（0.2 0.3 mm）+下包封体（包括芯片焊盘+芯片粘接层厚度）包封体：防潮、防尘、防辐射等环境保护，机械保护,38,39,晶体管封装外形也可用于IC封装：SOT 23-6L,SOT 23-8L。最小的8引线封装 US8，内装3个缓冲反相器。其大小为宽长高 2.03.11.0mm，相当于一粒大米！,40,各类封装在封装总量中所占的比例和IC封装引出端的分 布如表4、表5所示。表4.各类封装在封装总量中所占的份额（%）,41,表5.集成电路封装引出端数的分布范围,42,四、集成电路的基本组（封）装工艺 不同的封装使用的封装工艺是不同的：

10、金属封装 陶瓷封装 塑料封装：引线框架式封装 PCB基板 PBGA：WB（引线键合）FC（倒装芯片）载带：TAB（载带自动焊）圆片级封装 WLP DIP、SOP、QFP、PLCC等主要都是塑料封装。,43,1.模塑封装的优缺点 目前IC产品中模塑封装约占95%，因为它有许多优点。优点：材料品种少：引线框架+模塑料等 成本低廉，加工简便：一次模塑成型 只气密封装的 生产效率高，适合于自动化大生产：1/3 1/5 一次注模成型即可封几百个、上千个 重量轻、体积小，有利于小型化和SMT,44,45,）,2模塑封装的主要工艺流程,46,图10 塑料封装工艺框图,47,主要材料：主要设备：芯片减薄机划片

11、机、粘片机、压焊机引线框架条注塑机（油压机、高频预热机）金丝电镀线（外引线镀Sn）包封模切筋、打弯、成形机芯片粘接剂打印、包装设备,48,管芯键合、粘片（DB）（1）金基或锡基焊料烧接（2）金硅、银硅直接共晶粘接（400410）（3）掺银或不掺银有机粘接剂（4）掺银玻璃浆料,49,引线键合（WB）93%以上是用Au丝球形楔形键合 金丝键合（球焊楔焊）过程示意图焊点形状：芯片上采用“球焊”底座引线上采用“楔形焊”Au-Al间接触面、可靠性 焊接温度引线方向向上,50,（a）球焊,51,（b）楔形焊,图11金丝球焊和楔形焊引线键合过程示意图,52,引线键合后形貌图（非平面、窄节距、大跨度）,53,

12、五、几类新颖封装（BGA、CSP、WLP）1BGA焊球陈列封装定义 BGA：Ball Grid Array的缩写符号，焊球阵列 一种IC的封装，其外引线为焊球或焊凸点，它们成阵列分布于封装的底平面上（见图14）。,54,2BGA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。,55,56,IBM的S

13、RAM芯片（FC-PBGA）,57,(a),58,(b),59,(c),60,(d),61,62,模塑压力机,63,64,65,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）。,

14、66,2.CSP分类 主要按基板材料来分：有机基板（PCB）、陶瓷基板、载带基板、金属引线框架等 同一类基板，又可分：芯片面向上，WB（引线键合）内互连；芯片面向下FC（倒装芯片）内互连,67,68,几种典型的芯片尺寸封装,69,图18 CSP的主要类型,70,主要产品为塑封有机基板,71,72,73,图18 几类芯片尺寸封装结构示意图,74,3.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.

15、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0.5mm。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。,75,4.WLP圆片级封装 1.概述：因为圆片级封装的芯片面积和封装面积之比Sd/Sp1，所以也称为圆片级CSP，WL-CSP。主要特征为：管芯的外引出端制作及包封（如果

16、有 的话）全在完成前工序后的硅圆片上完成，然后再分割 成独立的器件。目前已有这类独立的封装厂。它不同于通常的后封装生产：圆片分割成芯片（管芯）再封装。因为是圆片级加工，故封装加工效率提高，封装厚度（tsi+t焊点）减小，封装所占PCB面积S芯片。,76,加工成本高：因为设备贵，设备类似与前工序，需溅射、蒸发、光刻等设备。现在正在开发低成本的WLP。引出端材料成分有：PbSn、AuSn、Au、In。引出端形状有：球、凸点、焊柱、焊盘。因为引出端只能在芯片内扩展，因此主要是用于 低到中等引出端数器件。采用窄节距凸点时，引出端数也可多达500以上。,77,78,79,六、集成电路外壳的选择（一）基本

17、选择原则 1.根据器件产品的基本属性，外壳性能应符合器件产品的要求。产品的市场应用分类：,80,性能要求：安装方式：引脚的形式和布置位置。引出端数。几何尺寸：外形（形状，尺寸），内腔尺寸。电性能：Imax，C，L，R串，R绝缘；电连接；电源/地分配，信号I/O分配，可焊性（芯片，内外引线）等,81,82,热性能：热阻RT，最大耗散功率Pcm，最高工作结温Tjm。耐温度范围（工作温度，贮存温度），耐热冲击，温度循环的等级。环境和可靠性试验等级 气密性，振动，冲击，离心 老炼筛选：双85（85/85%RH）。性能基本符合要求，并有一定冗余和较高的成品率。2.经济效益高：性能/价格比高；时效好。性能

18、效益间需折衷考虑!,83,各类封装的价格比（1999年）,84,（二）具体选择原则：1.产品等级：军品，气密封装：应选陶瓷或金属外壳。民品，非气密封装：选塑料封装（或准气密性）军品要符合我国国军标GJB 548A要求 或美军标MIL-STD 883E要求。对军品外壳有一系列严格的试验程序，其价格是民品的 210倍，需特殊设计，不能简单从民品中挑选。,85,工作温度范围,86,87,引脚分布：注意有关标准：一般No.1引出端附近有标记。V、V、G（地）有些传统分布。,88,Rent定律：（60年代中，IBM公司提出！）在一定的逻辑系统中（一块随机逻辑PCB，或一块独立的逻辑IC），其I/O端点数

19、n与该系统（或PCB，或单块逻辑电路）所包含的辑门逻 数g存在下列关系：n=a gb 其中a、b为与所用元件、产品和系统设计有关的常数，通常a1、b1，Bell实验室的研究表明，符合他们的Rent定律为：n=4.5 g0.5（1981年前后）Unisys的门阵列逻辑电路为：n=2.2 g0.6,89,电源（包括：“地”端）引出端数也与电路技术有关，Bell的样品为：m(电源的引出端数)n/4n/5对于电源引出端数m还要考虑：引线上的直流压降，噪声容限（尤其对高速电路），即要考虑R串、L串、C的作用。N=m+n Rent定律只是对逻辑系统，与模拟电路无关。,90,4.封装内腔的选择：同一引出端数

20、的外壳，可以具有不同大小的内腔。同样引出端数的陶瓷外壳，外形的长度、厚度和腔深可都不相同。内腔的长、宽和外形宽度通常有三种：以适应MSI、LSI、VLSI芯片不同的要求。（见表5.33和表5.34SEMI 标准资料：GDIP和CDIP尺寸举例）内腔的选择：主要决定于芯片大小。（1）芯片尺寸LWH（三维）应稍小于内腔尺寸（三维）（2）芯片边缘与内腔壁之间要留有适当的余量；,91,92,微电子封装技术复习题姓名成绩 2005.6.14 1.列出当前用量最大的4种IC封装的：英文缩写符号；中文名称；各自的外引脚形状。2.画出PBGA的基本横截面结构图，并列出PBGA封装的 主要生产流程。3.在选用IC封装时应考虑那些因素？4.试简述当前微电子封装技术的主要发展趋势。5.有一个5万门的逻辑门阵列电路，假定其信号I/0引线数和 电源/地线之比为5：1。试用Rent定律估算此电路所需之 封装引线数，（假定a=1.5，b=0.5）。,