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集成电路封装
集成電路封裝
集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。
说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。
从电子元器件(如晶体管)的密度这个角度上来说,IC代表了电子学的尖端。
但是IC又是一个起始点,是一种基本结构单元,是组成我们生活中大多数电子系统的基础。
同样,IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构,IC的种类千差万别(模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等),因而对于封装的需求和要求也各不相同。
本文对IC封装技术做了全面的回顾,以粗线条的方式介绍了制造这些不可缺少的封装结构时用到的各种材料和工艺。
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。
作用和要求
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。
集成电路封装还必须充分地适应电子整机的需要和发展。
由于各类电子设备、仪器仪表的功能不用,其总体结构和组装要求也往往不尽相同。
因此,集成电路封装必须多种多样,才足以满足各种整机的需要。
集成电路封装是伴随集成电路的发展而前进的。
随着宇航、航空、机械、轻工、化工等各个行业的不断发展,整机也向着多功能、小型化方向变化。
这样,就要求集成电路的集成度越来越高,功能越来越复杂。
相应地要求集成电路封装密度越来越大,引线数越来越多,而体积越来越小,重量越来越轻,更新换代越来越快,封装结构的合理性和科学性将直接影响集成电路的质量。
因此,对于集成电路的制造者和使用者,除了掌握各类集成电路的性能参数和识别引线排列外,还要对集成电路各种封装的外形尺寸、公差配合、结构特点和封装材料等知识有一个系统的认识和了解。
以便使集成电路制造者不因选用封装不当儿降低集成电路性能;也使集成电路使用者在采用集成电路进行征集设计和组装时,合理进行平面布局、空间占用,做到选型恰当、应用合理。
变革
1、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。
2、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。
集成电路早起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。
目前使用广泛、性能最为可靠的气密密封材料是玻璃-金属封接、陶瓷-金属封装和低熔玻璃-陶瓷封接。
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,还不能与其他封接材料性能相当,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,后部封接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。
标准依据
我国集成电路封装外形尺寸,是根据国际电工委员会(IEC)第191号标准制定的,同时还参考了美国电子器件联合工程协会(JEDEC)及半导体设备和材料国际组织(SEMI)的有关标准。
根据目前我过集成电路技术和生产情况,已有半导体集成电路的13类封装外形尺寸及膜集成电路和混合集成电路的14类封装外形尺寸列入了国家标准。
随着技术的发展和生产的需要,将逐步增加新的内容和项目,以便不断地补充和完善。
发展趋势
在较长一段时期内,集成电路封装几乎没有多大变化,6~64根引线的扁平和双列式封装,基本上可以满足所有集成电路的需要。
对于较高功率的集成电路,则普遍采用金属圆形和菱形封装。
但是随着集成电路的迅速发展,多于64,甚至多达几百条引线的集成电路愈来愈多。
如日本40亿次运算速度的巨型计算机用一块ECL.复合电路,就采用了462条引线的PGA。
过去的封装形式不仅引线数已逐渐不能满足需要,而且也因结构上的局限而往往影响器件的电性能。
同时,整机制造也正在努力增加印制线路板的组装密度、减小整机尺寸来提高整机性能,这也迫使集成电路去研制新的封装结构,新的封装材料来适应这一新的形势。
因此,集成电路封装的发展趋势大体有以下几个方面:
1.表面安装式封装将成为集成电路封装主流
集成电路的表面安装结构是适应整机系统的需要而发展起来的,主要是因为电子设备的小型化和轻量化,要求组装整机的电子元器件外形结构成为片式,使其能平贴在预先印有焊料膏的印制线路板焊盘上,通过再流焊工艺将其焊接牢固。
这种作法不仅能够缩小电子设备的体积,减轻重量,而且这些元器件的引线很短,可以提高组装速度和产品性能,并使组装能够柔性自动化。
表面安装式封装一般指片式载体封装、小外形双列封装和四面引出扁平封装等形式,这类封装的出现,无疑是集成电路封装技术的一大进步。
2.集成电路封装将具有更多引线、更小体积和更高封装密度
随着超大规模和特大规模集成电路的问世,集成电路芯片变得越来越大,其面积可达7mm×7mm,封装引出端可在数百个以上,并要求高速度、超高频、低功耗、抗辐照,这就要求封装必须具有低应力、高纯度、高导热和小的引线电阻、分布电容和寄生电感,以适应更多引线、更小体积和更高封装密度的要求。
要想缩小封装体积,增加引线数量.唯一的办法就是缩小封装的引线间距。
一个40线的双列式封装要比68线的H式载体封装的表面积大20%,其主要区别就是引线目距由2.54mm改变自1.27mm或1.00cmm。
不难想像,如果引线间距进而改变为0.80mm,O.65mm甚至050mm,则封装的表面积还会太大地缩小。
但是为了缩小引线间距,这势必带来了一系列新的目题,如印线精密制造就必须用光致腐蚀的蚀刻工艺来代替机械模具的冲制加工,并必须解决引线间距缩小所引起的引线间绝缘电阻的降低和分步电容的增大等各个方面研究课题。
集成电路芯片面积增大,通常其相应封装面积也在加大,这就对热耗散问题提出了新的挑战。
这个问题是一个综台性的,它不仅与芯片功率、封装材料、封装结构的表面积和最高结温有关,还与环境温度和冷玲方式等有关,这就必须在材料的选择、结构的设计和冷却的手段等方面作出新的努力。
3.塑料封装仍然是集成自路的主要封装形式
塑料模塑封装具有成本低、工艺简单和便于自动化生产等优点,虽然在军用集成电路标准中明文规定,封装结构整体不得使用任何有机聚合物材料,但是目前在集成电路总量中,仍有85%以上采用塑料封装。
塑料封装与其他封装相比,其缺点主要是它属于非气密或半气密封装,所以抗潮湿性能差,易受离子污染;同时热稳定性也不好,对电磁波不能屏蔽等,因而对于高可靠的集成电路不宜选用这种封装形式。
但是近几年来,塑料封装的模塑材料、引线框架和生产工艺已经不断完善和改进,可靠性也已大大提高,相信在这个基础上,所占封装比例还会继续增大。
4.直接粘结式封装将取得更大发展
集成电路的封装经过插入式、表面安装式的变革以后,一种新的封装结构—直接粘结式已经经过研制、试用达到了具有商品化的价值,并且取得了更大的发展,据国际上预测,直接粘结式封装在集成电路中所占比重将从1990年的8%上升至2000年的22%,这一迅速上升的势头,说明了直接粘结式封装的优点和潜力。
所谓直接粘结式封装就是将集成电路芯片直接粘结在印制线路板或覆有金属引线的塑料薄膜的条带上,通过倒装压焊等组装工艺,然后用有机树脂点滴形加以覆盖。
当前比较典型的封装结构有芯片板式封装(COB)、载带自动焊接封装(TAB)和倒装芯片封转(FLIPCHIP)等树种,而其中COB封装和TAB封装已经大量使用于音乐、语音、钟表程控和照相机快门等直接电路。
直接粘结式封装其所以能够迅速发展,最重要的因素是它能适用于多引线、小间距、低成本的大规模自动化或半自动化生产,并且简化了封装结构和组装工艺。
例如COB封装不再使用过去的封装所必需的金属外引线;TAB封装采用倒装压焊而不再使用组装工艺必须的内引线键合。
这样,一方面减少了键合的工作量,另一方面因减少引线的压焊点数而提高了集成电路的可靠性。
在我国COB封装已经大量生产,而TAB封装尚处于开发阶段,相信在今后的集成电路中,这类封装会占据一定的地位和取得更大的发展。
5.功率集成电路封装小型化已成为可能
功率集成电路的封装结构,受封装材料的导热性能影响,造成封装体积较大而与其他集成电路不相匹配,已成为人们关注的问题之一,而关键所在是如何采用新的封装材料。
功率集成电路所用的封装材料,不仅要求其导热性能好,而且也要求线膨胀系数低,并具备良好的电气性能和机械性能。
随着科学的进步,一些新的材料已经开始应用到集成电路方面来,如导热性能接近氧化铍(BeO)线膨胀系数接近硅(Si)的新陶瓷材料—氮化铝(AlN),将成为功率集成电路封装结构的主体材料,从而大大地缩小了体积和改善了电路的性能,相信将来还会有更多的新材料参与到这一领域中来,使功率集成电路能进一步缩小体积。
另外,采用氟利昂小型制冷系统对功率集成电路进行强制冷却,以降低其表面环境温度来解决封装的功耗,已在一些大型计算机中得到实现。
这样在改变封装结构的外形设计、使用新的封装材料的同时,再改善外部冷却条件,那么集成电路的热性能就可取得更大的改善。
IC封装
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。
在日本,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。
在日本,按照EIAJ(日本电子机械工业)会标准规定,将DICP命名为DTP。
15、DIP(dualtapecarrierpackage)
同上。
日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。
是高速和高频IC用封装,也称为陶瓷QFN或QFN-C(见QFN)。
25、LGA(landgridarray)
触点陈列封装。
即在底面制作有阵列状态坦电极触点的封装。
装配时插入插座即可。
现已实用的有227触点(1.27mm中心距)和447触点(2.54mm中心距)的陶瓷LGA,应用于高速逻辑LSI电路。
LGA与QFP相比,能够以比较小的封装容纳更多的输入输出引脚。
另外,由于引线的阻抗小,对于高速LSI是很适用的。
但由于插座制作复杂,成本高,现在基本上不怎么使用。
预计今后对其需求会有所增加。
26、LOC(leadonchip)
芯片上引线封装。
LSI封装技术之一,引线框架的前端处于芯片上方的一种结构,芯片的中心附近制作有凸焊点,用引线缝合进行电气连接。
与原来把引线框架布置在芯片侧面附近的结构相比,在相同大小的封装中容纳的芯片达1mm左右宽度。
27、LQFP(lowprofilequadflatpackage)
薄型QFP。
指封装本体厚度为1.4mm的QFP,是日本电子机械工业会根据制定的新QFP外形规格所用的名称。
28、L-QUAD
陶瓷QFP之一。
封装基板用氮化铝,基导热率比氧化铝高7~8倍,具有较好的散热性。
封装的框架用氧化铝,芯片用灌封法密封,从而抑制了成本。
是为逻辑LSI开发的一种封装,在自然空冷条件下可容许W3的功率。
现已开发出了208引脚(0.5mm中心距)和160引脚(0.65mm中心距)的LSI逻辑用封装,并于1993年10月开始投入批量生产。
29、MCM(multi-chipmodule)
多芯片组件。
将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装。
根据基板材料可分为MCM-L,MCM-C和MCM-D三大类。
MCM-L是使用通常的玻璃环氧树脂多层印刷基板的组件。
布线密度不怎么高,成本较低。
MCM-C是用厚膜技术形成多层布线,以陶瓷(氧化铝或玻璃陶瓷)作为基板的组件,与使用多层陶瓷基板的厚膜混合IC类似。
两者无明显差别。
布线密度高于MCM-L。
MCM-D是用薄膜技术形成多层布线,以陶瓷(氧化铝或氮化铝)或Si、Al作为基板的组件。
布线密谋在三种组件中是最高的,但成本也高。
30、MFP(miniflatpackage)
小形扁平封装。
塑料SOP或SSOP的别称(见SOP和SSOP)。
部分半导体厂家采用的名称。
31、MQFP(metricquadflatpackage)
按照JEDEC(美国联合电子设备委员会)标准对QFP进行的一种分类。
指引脚中心距为0.65mm、本体厚度为3.8mm~2.0mm的标准QFP(见QFP)。
32、MQUAD(metalquad)
美国Olin公司开发的一种QFP封装。
基板与封盖均采用铝材,用粘合剂密封。
在自然空冷条件下可容许2.5W~2.8W的功率。
日本新光电气工业公司于1993年获得特许开始生产。
33、MSP(minisquarepackage)
QFI的别称(见QFI),在开发初期多称为MSP。
QFI是日本电子机械工业会规定的名称。
34、OPMAC(overmoldedpadarraycarrier)
模压树脂密封凸点陈列载体。
美国Motorola公司对模压树脂密封BGA采用的名称(见BGA)。
35、P-(plastic)
表示塑料封装的记号。
如PD
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