《集成电路封装技术》PPT课件.ppt

集成电路封装技术及其集成电路封装技术及其特性分析特性分析 课题课题8集成电路产业集成电路产业设计、制造、封装设计、制造、封装 据估计我国集成电路的年消费将达到据估计我国集成电路的年消费将达到932亿美亿美圆，约占世界市场的圆，约占世界市场的20%，其中的，其中的30%将用于电将用于电子封装，则年产值将达几千亿人民币，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现在每年全国大约需要180亿片集成电路，但亿片集成电路，但我们自己制造，特别是封装的不到我们自己制造，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、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世界之前電子原件封裝形式縮寫1 1BGA BGA 球栅阵列封装球栅阵列封装2 2CSP CSP 芯片缩放式封装芯片缩放式封装3 3COB COB 板上芯片贴装板上芯片贴装4 4COC COC 瓷质基板上芯片贴瓷质基板上芯片贴装装5 5MCM MCM 多芯片模型贴装多芯片模型贴装6 6LCC LCC 无引线片式载体无引线片式载体7 7CFP CFP 陶瓷扁平封装陶瓷扁平封装8 8PQFP PQFP 塑料四边引线封塑料四边引线封装装9 9SOJ SOJ 塑料塑料J J形线封装形线封装1010SOP SOP 小外形外壳封装小外形外壳封装1111TQFP TQFP 扁平簿片方形封装扁平簿片方形封装1212TSOP TSOP 微型簿片式封装微型簿片式封装1313CBGA CBGA 陶瓷焊球阵列封装陶瓷焊球阵列封装1414CPGA CPGA 陶瓷针栅阵列封装陶瓷针栅阵列封装1515CQFP CQFP 陶瓷四边引线扁平陶瓷四边引线扁平1616CERDIP CERDIP 陶瓷熔封双列陶瓷熔封双列1717PBGA PBGA 塑料焊球阵列封装塑料焊球阵列封装1818SSOP SSOP 窄间距小外型塑封窄间距小外型塑封1919WLCSP WLCSP 晶圆片级芯片规模晶圆片级芯片规模封装封装2020FCOB FCOB 板上倒装片板上倒装片集成集成电电路（路（ICIC）封装的作用和）封装的作用和类类型型 IC封装的定义：ICIC的封装是微的封装是微电电子器件的两个基本子器件的两个基本组组成部分之一：成部分之一：芯片（管芯）芯片（管芯）+封装（外壳）封装（外壳）微电子微电子器件器件 chip (die)package packaging chip (die)package packaging devicedevice 封装给管芯（芯片）和印制电路板（封装给管芯（芯片）和印制电路板（PWBPWB）之间）之间 提供电互连、机械支撑、机械和环境保护及导热提供电互连、机械支撑、机械和环境保护及导热 通道。通道。封装的作用封装的作用电功能：传递芯片的电信号电功能：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：保护芯片与引线机械化学保护功能：保护芯片与引线防潮防潮抗辐照抗辐照防电磁干扰防电磁干扰IC芯片芯片引线架引线架导线丝导线丝铝膜铝膜外引线外引线封装树脂封装树脂塑料基板塑料基板塑料封装塑料封装DIP工艺工艺导电粘胶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，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。完成固相结合。引线键合引线键合成本较低成本较低双列直插式封装结构双列直插式封装结构DIPDIPDIP双列直插式封装双列直插式封装 DIP(DualInDIP(DualInline line Package)Package)是是指指采采用用双双列列直直插插形形式式封封装装的的集集成成电电路路芯芯片片，绝绝大大多多数数中中小小规规模模集集成成电电路路(IC)(IC)均均采采用用这这种种封封装装形形式式，其其引引脚脚数数一一般般不不超超过过100100个。个。采采用用DIPDIP封封装装的的CPUCPU芯芯片片有有两两排排引引脚脚，需需要要插插入入到到具具有有DIPDIP结结构构的的芯芯片片插插座座上上。当当然然，也也可可以以直直接接插插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIPDIP封封装装的的芯芯片片在在从从芯芯片片插插座座上上插插拔拔时时应应特特别别小小心，以免损坏引脚。心，以免损坏引脚。DIPDIP封装具有以下特点封装具有以下特点 :PCB(PCB(印刷电路板印刷电路板)上穿孔焊接上穿孔焊接,操作方便操作方便 2.2.芯芯片片面面积积与与封封装装面面积积之之间间的的比比值值较较大大，故故体积也较大。体积也较大。IntelIntel系系列列CPUCPU中中80888088就就采采用用这这种种封封装装形形式式，缓缓存存(Cache)(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。和早期的内存芯片也是这种封装形式。PGA背面背面Pin Grid Array平面栅阵电极封装平面栅阵电极封装集成电路管脚的不断增加，可达集成电路管脚的不断增加，可达3000个管脚，个管脚，使得只在四周边设置引脚遇到很大困难使得只在四周边设置引脚遇到很大困难PGAPGA插针网格阵列封装插针网格阵列封装 PGA(Pin Grid Array Package)PGA(Pin Grid Array Package)芯片封装形式在芯片的芯片封装形式在芯片的内外有多个方内外有多个方阵阵形的插形的插针针，每个方，每个方阵阵形插形插针针沿芯片的四沿芯片的四周周间间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围围成成2-52-5圈。安装圈。安装时时，将芯片插入，将芯片插入专门专门的的PGAPGA插座。插座。为为使使CPUCPU能能够够更方便地安装和拆卸，从更方便地安装和拆卸，从486486芯片开始，出芯片开始，出现现一种一种名名为为ZIFZIF的的CPUCPU插座，插座，专门专门用来用来满满足足PGAPGA封装的封装的CPUCPU在安装在安装和拆卸上的要求和拆卸上的要求ZIF(Zero Insertion Force Socket)ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的是指零插拔力的插座。把插座。把这这种插座上的扳手种插座上的扳手轻轻轻轻抬起，抬起，CPUCPU就可很容易、就可很容易、轻轻松地插入插座中。然后将扳手松地插入插座中。然后将扳手压压回原回原处处，利用插座本，利用插座本身的特殊身的特殊结结构生成的构生成的挤压挤压力，将力，将CPUCPU的引脚与插座牢牢的引脚与插座牢牢地接触，地接触，绝对绝对不存在接触不良的不存在接触不良的问题问题。而拆卸。而拆卸CPUCPU芯片芯片只需将插座的扳手只需将插座的扳手轻轻轻轻抬起，抬起，则压则压力解除，力解除，CPUCPU芯片即芯片即可可轻轻松取出。松取出。PGAPGA封装具有以下特点：封装具有以下特点：1.1.插拔操作更方便，可靠性高。插拔操作更方便，可靠性高。2.2.可适应更高的频率。可适应更高的频率。IntelIntel系列系列CPUCPU中，中，8048680486和和PentiumPentium、Pentium ProPentium Pro均采均采用这种封装形式。用这种封装形式。一、微电子封装技术的发展趋势一、微电子封装技术的发展趋势直插式直插式三次重大变革三次重大变革表面贴装式表面贴装式芯片尺寸封装芯片尺寸封装DIPSMTCSP封装技术的第一次重大变革封装技术的第一次重大变革表面贴装技术表面贴装技术插装技术插装技术20世纪世纪70年代中期年代中期DIPSOP：small out-line package表面贴装（表面贴装（SMT）技术之一）技术之一薄型化薄型化手机、笔记本电脑、数码摄手机、笔记本电脑、数码摄象机的薄型化、小型化象机的薄型化、小型化引脚向外弯曲引脚向外弯曲1、SOP小型平面引线式封装小型平面引线式封装Surface Mount technology2、SOJ引脚向内弯曲引脚向内弯曲small out-line J-lead package小型平面小型平面J 形引线式封装形引线式封装3、QFP背面背面引脚向外弯曲引脚向外弯曲：quad flat package四周平面引线式封装四周平面引线式封装QFPQFP塑料方型扁平式封装和塑料方型扁平式封装和PFPPFP塑塑料扁平组件式封装料扁平组件式封装 QFPQFP（Plastic Plastic Quad Quad Flat Flat PackagePackage）封封装装的的芯芯片片引引脚脚之之间间距距离离很很小小，管管脚脚很很细细，一一般般大大规规模模或或超超大大型型集集成成电电路路都都采采用用这这种种封封装装形形式式，其其引引脚脚数数一一般般在在100100个个以以上上。用用这这种种形形式式封封装装的的芯芯片片必必须须采采用用SMDSMD（表表面面安安装装设设备备技技术术）将将芯芯片片与与主主板板焊焊接接起起来来。采采用用SMDSMD安安装装的的芯芯片片不不必必在在主主板板上上打打孔孔，一一般般在在主主板板表表面面上上有有设设计计好好的的相相应应管管脚脚的的焊焊点点。将将芯芯片片各各脚脚对对准准相相应应的的焊焊点点，即即可可实实现现与与主主板板的的焊焊接接。用用这这种种方方法法焊焊上上去去的的芯芯片片，如如果果不不用用专专用工具是很用工具是很难难拆卸下来的。拆卸下来的。PFPPFP（Plastic Plastic Flat Flat PackagePackage）方方式式封封装装的的芯芯片片与与QFPQFP方方式式基基本本相相同同。唯唯一一的的区区别别是是QFPQFP一一般般为为正正方方形形，而而PFPPFP既可以是正方形，也可以是既可以是正方形，也可以是长长方形。方形。QFP/PFPQFP/PFP封装具有以下特点：封装具有以下特点：1.1.适用于适用于SMDSMD表面安装技术在表面安装技术在PCBPCB电路板上安裝布線。电路板上安裝布線。2.2.适合高频使用适合高频使用 .3.3.操作方便，可靠性高。操作方便，可靠性高。4.4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。芯片面积与封装面积之间的比值较小。AK-51,WI-FIAK-51,WI-FI等機種上用到等機種上用到.QFP的实用水平，封装尺寸为的实用水平，封装尺寸为40mm40mm，端子间距为端子间距为0.4mm,端子数端子数376 QFP是目前表面贴装技术的主要代表是目前表面贴装技术的主要代表 周边端子型封装周边端子型封装QFP的最大问题是引脚端子的变形，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，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端子QFP得心应手得心应手封装技术的第二次重大变革封装技术的第二次重大变革QFP贴装技术贴装技术20世纪世纪90年代初中期年代初中期BGA贴装技术贴装技术4、BGABall Grid Array球状栅阵电极封装球状栅阵电极封装背面背面焊料微球凸点焊料微球凸点BGABGA球栅阵列封装球栅阵列封装 当当ICIC的管脚数大于的管脚数大于208 Pin208 Pin时，传统的封时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用装方式有其困难度。因此，除使用QFPQFP封装封装方式外，现今大多数的高脚数芯片皆转而方式外，现今大多数的高脚数芯片皆转而使用使用BGA(Ball Grid Array Package)BGA(Ball Grid Array Package)封装封装技术。技术。BGABGA封装具有以下特点：封装具有以下特点：引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于于QFPQFP封装方式，提高了成品率。封装方式，提高了成品率。2.2.虽然虽然BGABGA的功耗增加，但由于采用的是可的功耗增加，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控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。能。3.3.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。组装可用共面焊接，可靠性大大提高。WI-FIWI-FI上使用上使用IC芯片芯片引线架引线架导线丝导线丝内引线内引线封装树脂封装树脂焊料微球凸点焊料微球凸点BGA基板基板回流焊回流焊回流焊回流焊: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，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使焊料熔化，实现元件电极与对应预涂焊点的互联印制板印制板回流炉回流炉焊料微球凸点焊料微球凸点B、球状电极的不会变形、球状电极的不会变形印制板印制板C、熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效果，实、熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效果，实装可靠性高，返修率几乎为零装可靠性高，返修率几乎为零A、与、与QFP相比，可进一步小型化、多端子化，相比，可进一步小型化、多端子化，400端子以上端子以上不太困难。不太困难。球栅阵列型封装球栅阵列型封装BGA的优点的优点D、实装操作简单，对操作人员的要求不高、实装操作简单，对操作人员的要求不高2 2BGABGA的分类：（按基板和封装外形）的分类：（按基板和封装外形）多层陶瓷基板（多层陶瓷基板（CBGACBGA）：带盖板密封型，或点胶密封，）：带盖板密封型，或点胶密封，倒装焊裸芯倒装焊裸芯片，非密封型；片，非密封型；有机基板有机基板BGABGA：多层：多层PCBPCB基板、模塑包封基板、模塑包封BGABGAPBGAPBGA，多层载带基板、金属盖板多层载带基板、金属盖板BGABGATBGATBGA；金属基板金属基板BGABGA：MBGAMBGA，采用表面阳极氧化铝基板，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单层或双层薄膜金属实现封装内互连。互连。各种各种BGABGA剖面结构见附、图剖面结构见附、图1414。各种小型或超小型各种小型或超小型BGABGA则属则属CSPCSP。IBM的的SRAM芯片芯片（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是目前高密度表面贴装技术的主要代表 日本厂家把主要精力投向日本厂家把主要精力投向QFP端子间距精细化方面，端子间距精细化方面，但是未能实现间距的多端子但是未能实现间距的多端子QFP，因为日本厂家认为，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。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，美国公司的实际应用证明，BGA即使不检测焊点的即使不检测焊点的质量，也比经过检测的质量，也比经过检测的QFP合格率高两个数量级合格率高两个数量级 美国康柏公司美国康柏公司1991年率先在微机中的年率先在微机中的ASIC采用了采用了255针脚针脚的的PBGA，从而超过，从而超过IBM公司，确保了世界第一的微机市场占公司，确保了世界第一的微机市场占有份额。有份额。封装技术的第三次重大变革封装技术的第三次重大变革芯片尺寸封装技术芯片尺寸封装技术BGA贴装技术贴装技术20世纪世纪90年代中期年代中期 20世纪世纪90年代，日本开发了一种接近于芯片尺寸的超年代，日本开发了一种接近于芯片尺寸的超小型封装，这种封装被称为小型封装，这种封装被称为chip size package，将美国风，将美国风行一时的行一时的BGA推向推向CSP,将成为高密度电子封装技术的主流将成为高密度电子封装技术的主流趋势趋势尺寸芯片封装尺寸芯片封装CSPchip size package裸芯片封装裸芯片封装尺寸芯片封装概念尺寸芯片封装概念双列直插式封装（双列直插式封装（DIP）的裸芯片面积与封装面积之比为）的裸芯片面积与封装面积之比为1:80,表面贴装技术表面贴装技术SMT中的中的QFP为为1:7，CSP小于小于尺寸芯片封装原理尺寸芯片封装原理芯片尺寸封装芯片尺寸封装CSPCSP CSP CSP：Chip Scale PackageChip Scale Package，芯片尺寸封装。，芯片尺寸封装。1.1.定义：定义：ICIC封装所占封装所占PCBPCB面积面积倍（或倍或倍（或倍或2 2倍）倍）芯片面积的多种封装形式的统称。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。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。各类它不是以结构形式来定义的封装。各类BGABGA、MiniBGAMiniBGA、FBGA FBGA（节距（节距）都可属于）都可属于CSPCSP。外引脚都在封装体的下面，但可为：焊球、焊凸点、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，品种形式已有焊盘、框架引线，品种形式已有5050种以上。种以上。（详见（详见“芯片尺寸封装芯片尺寸封装”一书）。一书）。尺寸芯片封装尺寸芯片封装CSP分类分类1、平面栅阵端子型、平面栅阵端子型CSP裸芯片裸芯片焊料微球凸点焊料微球凸点2、周边端子型、周边端子型CSP图18 CSP的主要类型 3.3.JEDECJEDEC中的中的CSPCSP标准标准 已有已有1414个，比个，比BGABGA（8 8个）多，名称上采用了个）多，名称上采用了“窄节距窄节距”“焊球阵列焊球阵列”FBGAFBGA，薄型、超薄型、小尺寸、窄节距，薄型、超薄型、小尺寸、窄节距 BGABGA和薄、超小型和薄、超小型“无引线封装无引线封装”SONSON（4 4个）。个）。焊点节距范围为：，焊点节距范围为：，1.00 mm1.00 mm。CSPCSP与与BGABGA的根本区别在于封装面积和芯片面积之比的根本区别在于封装面积和芯片面积之比 S SP P/S/Sd d，而不在于节距，而不在于节距。正方形和矩形分立为两类：（正方形和矩形分立为两类：（S-S-，R-R-）焊球直径有：，焊球直径有：，0.50 mm0.50 mm。焊盘尺寸有：，焊盘尺寸有：，0.350.70 mm0.350.70 mm2 2，多数取多数取0.300.50 mm0.300.50 mm2 2。封装总体高度有：，封装总体高度有：，1.70 mm1.70 mm等，多数取等，多数取1.20 mm1.20 mm。IC芯片芯片引线架引线架导线丝导线丝内引线内引线封装树脂封装树脂焊料微球凸点焊料微球凸点IC芯片芯片CSPBGA基板基板CSP芯片尺寸封装工艺芯片尺寸封装工艺1、导电丝焊接组装技术、导电丝焊接组装技术2、倒扣组装技术、倒扣组装技术1、导电丝焊接组装技术、导电丝焊接组装技术芯片芯片芯片芯片芯片芯片印制板印制板粘胶粘胶超声热压焊引线超声热压焊引线金属布线金属布线铝膜铝膜模塑树脂模塑树脂2、倒扣组装技术、倒扣组装技术 在裸芯片上的电极上形成焊料凸点，通过钎焊将芯片以在裸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，互联线的长度端子，可布置更多的端子，互联线的长度大大缩短，减小了大大缩短，减小了RC延迟，可靠性提高延迟，可靠性提高芯片芯片芯片芯片Flip ship回流焊回流焊芯片芯片树脂下填充树脂下填充4、CSP发展新趋势发展新趋势1、MCM组装组装2、三维封装、三维封装1、MCM组装组装Multi chip module芯片芯片封装体封装体芯片芯片封装外壳封装外壳印制板印制板单芯片封装电路板单芯片封装电路板多芯片封装电路板多芯片封装电路板可大幅度减小封体积可大幅度减小封体积 将多个将多个裸芯片裸芯片不加封装，直接装载于同一不加封装，直接装载于同一印制板上并封装于同一壳体内，与一般单芯片印制板上并封装于同一壳体内，与一般单芯片封装的封装的SMT相比，面积减小了相比，面积减小了36倍，重量减倍，重量减轻了轻了3倍以上，由于减小了引线长度故可明显倍以上，由于减小了引线长度故可明显改善信号延迟、降低高频损耗改善信号延迟、降低高频损耗IC芯片芯片内引线内引线封装树脂封装树脂印制板印制板绝缘胶绝缘胶焊料微球焊料微球2、三维封装、三维封装(a)(b)(c)(d)(e)SBGA的横截面结构示意图（局部）图14 各类BGA的横截面结构示意图各种封装类型示意图THE END Thanks