微电子芯片封装第二讲

桂林电子科技大学职业技术学院集成电路芯片封装技术1、集成电路芯片封装与微电子封装课程引入与主要内容2、芯片封装技术涉及领域及功能3、封装技术层次与分类微电子封装技术=集成电路芯片封装技术封装技术的概念微电子封装：ABridgefromICtoSystemBoardIC微电子封装的概念狭义：芯片级ICPackaging广义：芯片级+系统级：封装工程电子封装工程：将基板、芯片封装体和分立器件等要素，按电子整机要求进行连接和装配，实现一定电气、物理性能，转变为具有整机或系统形式的整机装置或设备。WaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipment微电子封装过程=电子整机制作流程芯片封装涉及的技术领域􀃆芯片封装技术涉及物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化等学科。所涉及材料包括金属、陶瓷、玻璃和高分子材料等。芯片封装技术整合了电子产品的电气特性、热特性、可靠性、材料与工艺应用和成本价格等因素，是以获得综合性能最优化为目的的工程技术。封装涉及的技术领域微电子封装的功能1、电源分配：传递电能-配给合理、减少电压损耗2、信号分配：减少信号延迟和串扰、缩短传递线路3、提供散热途径：散热材料与散热方式选择4、机械支撑：结构保护与支持5、环境保护：抵抗外界恶劣环境（例：军工产品）确定封装要求的影响因素成本外形与结构产品可靠性性能类比：人体器官的构成与实现微电子封装技术的技术层次第一层次：零级封装-芯片互连级（CLP）第二层次：一级封装SCM与MCM（Single/MultiChipModule）第三层次：二级封装组装成SubsystemCOB（ChiponBoard）和元器件安装在基板上第四层次：三级微电子封装电子整机系统构建微电子封装技术分级三维（3D）封装技术传统二维封装基础上向三维z方向发展的封装技术。实现三维封装的方法：【1】埋置型元器件埋置或芯片嵌入【2】有源基板半导体材料做基板WaferScaleIntegration【3】叠层法将多个裸芯片或封装芯片在垂直方向上互连抑或是MCM叠层：散热与基板选择封装的分类按封装中组合IC芯片数目分：SCP和MCP（包括MCM)按密封材料分：陶瓷封装和高分子材料封装（塑封）按器件与电路板互连方式分：引脚插入型（PTH）和表面贴装型（SMT）按引脚分布形态分：单边、双边、四边和底部引脚SIP、DIP、SOP、QFP、MCP、PGA封装型式的发展发展方向：轻、薄、短、小DIP—SPIP—SKDIPSOP—TSP—UTSOPPGA—BGALeadonChip：芯片上引线封装封装技术与封装材料例：陶瓷封装与塑料封装均可制作DIP与BGA类芯片，但两类芯片的可靠性和成本不同。封装形态、封装工艺、封装材料由产品的电特性、导热性能、可靠性需求、材料工艺技术和成本价格等因素决定。封装形态与封装工艺技术、封装材料之间不是一一对应关系。封装材料芯片封装所采用的材料主要包括金属、陶瓷、高分子聚合物材料等。问题：如何进行材料选择？依据材料的电热性质、热-机械可靠性、技术和工艺成熟度、材料成本和供应等因素。表1.2-表1.4介电系数：表征材料绝缘程度的比例常数，相对值，通常介电系数大于1的材料通常认为是绝缘材料。热膨胀系数（CTECoefficientofexpansion）物体由于温度改变而有胀缩现象，等压条件下，单位温度变所导致的体积变化，即热膨胀系数表示。介电强度：是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。定义为试样被击穿时，单位厚度承受的最大电压。物质的介电强度越大，它作为绝缘体的质量越好。封装材料性能参数1970198019902000100100010000100000Volume(cm3)W/SNotebookPCLaptopCellularSMART“Watch”&Bio-sensor电子整机的发展趋势微电子封装技术的演变PastBulkycomponentsBulkysystemsCurrentThinfilmcomponentsMiniaturizedmodulesFutureEmbeddedcomponentsPackage–sizedsystems微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变CeramicorThinFilmonCeramic100508050603SingleChip:BoardMCM:Discretes:Package/Board:PWB-DPWB-DCeramicRedistributiontoAreaArrayWirebondChipConnector:PTHPeripheralSMTBoardConnector:1970s1980sDIPPGAQFPPASTThinFilmonPWB0402PWB-MicroViaFlipchipAreaArrayArea/BGASMT1990s2000sBGACSPPRESENT02012000s•IntegrationtoBEOL•IntegrationinPackagelevel•IntegrationatSystemlevelWLPSIPSOP2010s01005?IntegrationFUTURE微电子封装技术的演变微电子封装技术发展的驱动力一、IC发展对微电子封装的推动IC发展水平的标志：集成度和特征尺寸IC发展方向：大芯片尺寸、高集成度、小特征尺寸和高I/O数。二、电子整机发展对微电子封装的拉动电子整机的高性能、多功能、小型化和便携化、低成本、高可靠性要求促使微电子封装由插装向贴装发展，并持续向薄型、超薄型、窄节距发展，进一步由窄节距四边引脚向面阵列引脚发展。微电子封装技术发展的驱动力三、市场发展对微电子封装的驱动“吞金业”向“产金业”转变产品性价比要求不断提升、电子产品更新加速剧烈电子产品更新加速剧烈驱动微电子封装技术发展的是整个微电子技术产业微电子封装技术的发展趋势一、微电子产业在曲折中迅速发展“硅周期”——世界电子元器件行业的生产、销售和效益出现的高峰和低谷交替周期性（4-5年）波动。生产电子元器件企业的国际化程度越高，受“硅周期”影响越深。“道路是曲折的，前途是光明的”微电子封装的发展趋势二、国际半导体技术发展路线和“摩尔定律”“摩尔定律”：集成电路特征尺寸每三年缩小1/3，集成度（即DRAM单个芯片上的晶体管数）每两年增加一倍。——1965年，戈登·摩尔（GordonMoore）当前，集成电路技术仍按照摩尔定律发展。一、芯片尺寸越来越大：片上功能的增加，实现芯片系统。二、工作频率越来越高运算速度的提高，提高了对封装技术的要求。三、发热量日趋增大途径：降低电源电压；增加散热通道（成本与重量）四、引脚数越来越多造成单边引脚间距缩短。微电子封装的发展趋势-IC发展趋势一、封装尺寸小型化（更轻和更薄）超小型芯片封装形式的出现顺应了电子产品的轻薄短小的发展趋势。解决办法：新型封装型式和微纳技术的采用。获得芯片尺寸的最小化：IC芯片尺寸最小化？圆片级封装技术（WLP）：使封装完成后的IC芯片尺寸尽可能接近圆片级裸芯片尺寸，微电子技术发展对封装的要求二、适应更高得散热和电性能要求1、IC功能集成度增大，功耗增加，封装热阻增大2、电信号延迟和串扰等现象严重解决途径：1、降低芯片功耗：双极型-PMOS-CMOS-？？？2、增加材料的热导率：成本微电子技术发展对封装的要求三、集成度提高适应大芯片要求CTE失配—热应力和热变形解决途径：1、采用低应力贴片材料：使大尺寸IC采用CTE接近Si的陶瓷材料，但目前环氧树脂封装仍为主流2、采用应力低传递模压树脂消除封装过程中的热应力和残留应力。3、采用低应力液态密封树脂微电子技术发展对封装的要求四、高密度化和高引脚数高密度和高I/O数造成单边引脚间距缩短、封装难度加大：焊接时产生短路、引脚稳定性差解决途径：采用BGA技术和TCP（载带）技术成本高、难以进行外观检查等。微电子技术发展对封装的要求五、适应恶劣环境密封材料分解造成IC芯片键合结合处开裂、断路解决办法：寻找密封替代材料六、适应高可靠性要求军工、空间电子产品的高稳定要求。七、考虑环保要求无铅产品的使用克服了铅污染，但是对焊接温度和封装耐热性提出了更高要求芯片可返修性、低成本……微电子技术发展对封装的要求微电子封装技术的发展特点微电子封装向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四引出向面阵列发展。微电子封装向表面安装式封装（SMP）发展，适应表面安装技术（SMT）从陶瓷封装向塑料封装发展从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移国内微电子封装产业的发展现状高起点、微电子封装技术产业链构建迅速封装技术发展快速与封装材料业发展落后并存封装技术发展快速与封装材料业发展落后并存一、写出下列封装形式英文缩写对应的英文全写和中文名称DIP、FBGA、QFP、WLP、CSP、LGA、CLCC、SOP、PGA、MCM、SIP、SOJ二、简述芯片封装实现的五种主要功能三、试述封装工程技术的划分层次和各层次得到的相应封装产品类别。四、简述微电子技术发展对封装的要求课后作业