第1章集成电路芯片封装技术概述

1西安邮电大学微电子学系集成电路芯片封装与测试2课程概况教师：谢端电话：88166173邮箱：[e-mail]办公地点：3#实验楼501课程性质：系考学时数：32考核方式：闭卷平时成绩：30%卷面成绩：70%3集成电路芯片封装与测试总学时：32第一章：集成电路芯片封装概述第二章：封装工艺流程第三章：印制电路板第四章：陶瓷封装第五章：塑料封装第六章：气密性封装第七章：封装可靠性工程第八章：封装过程中的缺陷分析第九章：先进封装技术第十章：集成电路测试技术4教材：集成电路芯片封装技术李可为编参考书：微系统封装技术概论金玉丰编著5集成电路芯片封装技术概述6一、封装技术概论及相关知识二、封装分类及封装材料三、微电子封装技术历史和发展趋势7一、封装技术概论及相关知识微电子学（Microelectronics）：一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科。微电子技术：利用微细加工技术，基于固体物理、器件物理和电子学理论方法，在半导体材料上实现微小固体电子器件和集成电路的一门技术。集成电路IC（IntegrateCircuit）：通过半导体工艺技术将电子电路元件（电阻、电容等无源器件）和有源器件（晶体管、二极管等），按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，形成完整的有独立功能的电路和系统。芯片（chip）：没有封装的集成电路，通常与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称。集成电路封装（ICPackaging,PKG)：是一门将IC芯片加以粘贴固定并密封保护，并与其它必需的元器件组合以成为一项电子产品的科学技术。8设计检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求集成电路设计与制造的主要流程芯片的显微照片9集成电路制造流程硅片制备包括晶体生长、滚圆、切片及抛光硅片制造包括清洗、成膜、光刻、刻蚀及掺杂装配与封装沿着划片线将硅片切割成芯片压焊和包封硅片测试/拣选探测、测试及拣选硅片上的每个芯片终测确保集成电路通过电学和环境测试缺陷芯片1.2.3.划片线单个芯片装配封装4.5.由晶锭切成硅片单晶硅Figure1.610封装在IC制造流程中的位置111、芯片封装技术—概念狭义的封装集成电路芯片封装(Packaging,PKG)，是指利用膜技术及微细加工技术,将芯片布置、粘贴固定及连接在框架或基板上,并引出接线端子。通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺。广义的封装“电子封装工程”（系统封装）=狭义的封装（芯片封装）+装配和组装即：将芯片封装体与其它元器件组合、装配成完整的系统和电子设备。12第1階段封裝第2階段封裝第3階段封裝Chip系统封装13封装工程的技术层次从系统角度看，微系统封装包括：芯片级封装（零级）器件级封装（一级封装）板级封装（二级封装）系统级封装（三级封装）14微系统工程中几个封装层次零级：晶体管级（芯片级）一级：器件级（芯片到模块）二级：板级模块到PCB（卡）三级：系统级PCB到主板15集成电路的封装层次第二级封装印刷电路板装配第一级封装：IC封装最终产品装配：电路板装到系统中的最终装配为在印刷电路板上固定的金属管脚管脚管脚插入孔中然后在PCB背面焊接表面贴装芯片被焊在PCB的铜焊点上.边缘连接电极插入主系统PCB组件主电子组件板电极Figure20.3162.芯片封装的技术领域芯片封装是一门跨学科的综合学科，也是跨行业的综合工程技术。涉及了物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化等多门学科；整合了产品的电气特性、热传导性、可靠性、材料与工艺技术的应用以及成本价格等因素。使用的材料包括：金属、陶瓷、玻璃、高分子等。173.封装目的及实现的功能封装目的：为保护芯片不受或少受外界环境的影响,为之提供一个良好的工作条件,以使集成电路具有稳定、正常的功能。实现功能：①传递电能②传递电路信号③提供散热途径④结构保护与支持18封装的功能19在集成电路的工艺流程中，封装工艺属集成电路制造工艺的后道工序。所谓“前”、“后”是以硅圆片（wafer）切成芯片（chip）为分解点。20传统封装的主要流程封装的主要生产过程包括：晶圆切割，将晶圆上每一晶粒加以切割分离。粘晶，（Die-Attach）将切割完成的晶粒放置在导线架上。焊线，（WireBond）将晶粒信号接点用金属线连接至导线架上。封胶，将晶粒与外界隔绝。检切/成型，将封胶后多余的残胶去除，并将导线架上IC加以检切成型。印字，在IC表面打上型号、生产日期、批号等信息。检测，测试芯片产品的优劣。21传统装配与封装流程硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.122微芯片封装例子Figure1.823二、封装分类及封装材料迄今还没有一个统一的封装分类方法，业界常常从封装材料、封装形式、应用对象等角度进行分类。从以下四个方面进行分类：①按芯片数目；②按材料分类；③按器件与电路板互连方式；④按引脚分布；241.封装的分类(2)•单芯片封装(SCP)•多芯片封装(MCP)按封装中组合集成电路芯片数目•陶瓷封装•高分子材料(塑料)封装按密封的材料•引脚插入型(PTH)•表面贴装型(SMT)按器件与电路板互连方式25按互连方式分类：单边引腳双边引腳底部引腳插入式SIPZIPDIPSK-DIPPGA引脚插入式PTH(Pin-through-hole)26表面贴装式单边引脚双边引脚四边引脚底部引脚SVPSOPTSOPSSOPSOIQFPLQFPTQFPQFI针状PGA球状BGA表面贴装式：SMT（SurfaceMountTechnology)27典型的集成电路封装形式四边形扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插封装(DIP)薄小型封装(TSOP)单列直插封装(SIP)282930主板上采用DIP封装的BIOS芯片31世界上首款BGA封装的主板芯片组i85032BGA可以使芯片做的更小33kingmax最新的彩色Tiny-BGA封装的256MBDDR400内存34引脚形态分类（2）35TO52LCCPLCCSOJJ形引线小外形封装36SOPPBGACLCCµBGAPLCCBGA37封装形式（术语）小结：双列直插式封装--DIP(dualin-linepackage)单列直插式封装--SIP(singlein-linepackage)薄小外型封装--TSOP(ThinsmallOutlinepackage)四边引脚扁平封装--QFP(quadflatpackage)带引线的塑料芯片载体PLCC(plasticleadedchipcarrier)无引脚芯片载体--LCC(Leadlesschipcarrier)插针阵列--PGA(pingridarray)球栅阵列—BGA（BallGridArray)芯片尺寸封装－CSP（或称μBGA）382.封装材料分类芯片封装使用的材料包括：金属、陶瓷、玻璃、高分子等。金属：电热传导材料陶瓷、玻璃：陶瓷基板的主要成分高分子材料：塑料封装、封装工艺添加物39塑料封装---非气密封装塑料封装一般认为属非气密封装。特点：工艺简单、成本低廉、适合自动化大批生产。约占IC市场的的95%。40陶瓷封装：概念：与金属封装一样，陶瓷封装也是一种气密性的密封形式。价格低于金属封装。封装体通常采用的材料：Al2O3特点：①气密性好，封装体的可靠性高；②优良的电性能，导热性能，好具有对复杂器件进行一体化封装的能力；缺点：与塑料封装相比，其工艺温度较高、成本较高；两者都可制成DIP封装，陶瓷封装适用于高可靠性元件制作；塑料封装适用于低成本元器件的批量生产。41三.微电子封装技术的历史和发展趋势1947年美国贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖克莱发明第一只晶体管，1958年科学家研制成功第一块集成电路(IC)。集成电路的诞生，拉开了集成电路封装的历史，集成电路封装历史大约可分为三个阶段。42微电子技术的发展历史•1947年12月23日，美国贝尔实验室W.Schokley领导的研制小组，设计出世界上第一只晶体三极管，标志着电子技术从电子管时代进入到晶体管时代。肖力克与布拉顿、巴丁共同获得1956年Nobel物理奖。第一块集成电路第一个晶体管迟到了四十二年的奖•1958年美国德州仪器公司技术专家杰克·基尔比（J.S.Kilby）发明第一块集成电路，12个器件，Ge晶片；从此，微电子技术进入了IC时代。2000年获得诺贝尔物理学奖。43贝尔实验室的第一只晶体管PhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovationsPhoto1.344JackKilby’s第一块集成电路PhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.Photo1.445集成电路封装历史发展的三个阶段数十年来，微电子封装技术一直跟随者IC的发展，第一阶段：20世纪70年代以前，以插装型为主。从最初的金属圆形封装TO，到随后开发的陶瓷双列直插式封装(DIP),尤其是后开发出的塑料DIP，成为70年代中小规模电子封装系列主流产品。第二阶段：20世纪70年代以后，以表面安装类的四边引线封装为主。表面贴装技术(SMT)称作电子封装的一场革命，得以迅猛发展。如LCCC、PLCC、PQFP、PSOP等,使塑封四边扁平引线封装(PQFP)迅速成为这一时期主导产品。46集成电路封装历史发展的三个阶段第三阶段：20世纪90年代以后，以面阵列封装形式为主。90年代初,IC发展到了超大规模阶段，要求封装向更高密度、高速度发展，因此IC封装从四边引线型向平面阵列型发展,发明了新一代微电子封装-----球栅阵列封装(BGA),后来又开发了体积更小的CSP。同一时期，又开发出多芯片组件（MCM）、3D封装和系统封装。总之，封装技术经历了两边引线、到四边引线、再到面阵引线的封装密度逐步增加过程，目前正进入从平面封装到三维封装的发展阶段。47微电子封装发展历程和趋势年份70年代80年代90年代2000年代2005年芯片连接WB(丝焊)WBWBFC(倒装焊）低成本高I/OFC封装形式DIPQFPBGACSP裸芯片装配方式PIHSMTBGA/SMTBGA/SMTDCA/SMT无源元件分立分立分立分立/组合集成基板有机有机有机DCA倒板SLIM封装层次33311元件类型数5~105~105~105~101硅效率%（芯片/基板）2710257548如何衡量一个芯片封装技术是否先进?硅效率：芯片占封装面积之比，比值越接近1越好。当比值等于“1”时，称为“裸晶”。即封装的最高境界。上表中：硅效率：从2%---75%49双列直插封装DIP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均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。例如采用40根引脚的塑封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1:86（1.2%）离1相差很远。这种封装尺寸远比芯片大，封装效率很低。以下是一颗AMD的QFP封装的286处理器芯片。0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1:7.8（12.8%）由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小了。50主板上采用DIP封装的BIOS芯片芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1:86（1.2%）51AMD的QFP封装的286处理器芯片芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1:7.8（12.8%）52芯片尺寸型封装CSP－ChipSizePackage芯片尺寸型封装：它的全称为ChipScalePackage，为芯片级封装，也称μBGA。CSP封装的芯片面积与封装面积之比超