电子封装技术-

第二章：电子封装简介、级别和分类2.1电子封装概述2.2电子封装的演变2.3电子封装的级别2.3.1零级封装技术2.3.2一级封装技术2.3.3二级封装技术2.3.4三级封装技术2.4电子封装的分类封装技术其实就是一种将集成电路打包的技术。拿我们常见的内存来说，我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌，而是内存芯片经过打包即封装后的产品。这种打包对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板（PCB或PWB）的设计和制造，因此它是至关重要的。2.1电子封装概述封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁—芯片上的焊区用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。在制作芯片时，已经利用金属化工艺将芯片内部的元器件和芯片焊区进行了电路的连通，若要使芯片发挥其应有的功能，则需将芯片焊区最终与印刷电路板的电路进行连通，对于电子封装而言，此过程可以有三种形式：1.对于简单的芯片（或晶体管），此时的I/O端口只有3～5个，因此只需要将芯片粘贴在一个底板的中心（底板上没有电路，仅起支撑芯片的作用），底板上有三四个合金引脚，将芯片焊区与引脚键合（一般为WB键合，芯片焊区和引脚一一对应，芯片粘贴和芯片焊区与引脚的键合属于零级封装），然后用塑料、陶瓷或金属等将其气密或非气密密封，完成一级封装。一级封装后的组件通过引脚再与PCB上的金属布线焊区（表面贴装形式，PCB焊区与引脚一一对应）或金属化通孔（通孔插装形式，金属化通孔与引脚一一对应）焊接，以连通外电路（此为二级封装）。3.利用WB、TAB或FCB技术直接将芯片焊接在PCB的焊区上，即跳过了一级封装，直接进行二级封装，称为直接芯片安装技术，也称无封装组装。前面两种形式均对芯片进行了密封（封装），然后封装体通过引脚、焊球等与PCB连接，而直接芯片安装技术略去了一次封装，直接与PCB或其他基板连接。注：芯片焊区、基板焊区、封装引脚以及PWB通孔或焊区相互之间是一一对应的。2.随着芯片集成的元器件数量的增加，I/O端口数（引脚数）急剧增加，需将芯片粘贴在一个含有电路的基板上，基板焊区与基板电路连通。基板可以是单层的，也可以是多层的。对于简单的基板，有对应的引脚与基板表面的焊区钎焊在一起，此时只需将芯片粘贴在基板的承片区域，并用WB技术将芯片焊区与引脚或基板焊区键合，密封之后的封装体通过引脚与PCB连通；复杂的基板往往是多层烧结在一起的，每一层内有金属化布线和金属化的通孔。通孔与基板焊区一一对应，而引脚钎焊在通孔内。芯片粘贴在承片区域后，用WB、TAB或FCB技术将芯片焊区与基板焊区键合（键合之后进行密封），这样芯片经芯片焊区—基板焊区—金属化通孔—引脚—PCB板，最终与PCB建立电路连通。微电子封装的定义：所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。（科学的定义）“封装”这个词用于电子工程的历史并不很久。在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装或装配”。当时还没有“封装”这一概念。微电子封装的定义狭义的封装技术可定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素，在框架（底板）或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术（主要指一级封装）。广义的电子封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为能适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术。（功能性的定义）基板材料有陶瓷、玻璃、有机材料、Si、金刚石或它们的复合材料，基板可以是单层也可以是多层，（每一层）基板材料上覆有铜箔。在基板材料-覆铜箔层压板上，有选择地进行孔加工、化学镀铜、电镀铜、蚀刻等加工，得到所需电路图形。PWB或PCB往往特指含印刷电路的有机材质的基板。一般情况下，在PWB上的封装称为二级封装，在框架或基板上的封装称为一级封装。一级封装后，还需利用通孔插装或表面安装的方式与PWB连接。芯片的载体是硅片，芯片上集成晶体管等多种元件。将一级封装和其他元器件组装到印刷电路板上，印刷电路板的材质不是硅片，而是有机材料等。（一级封装引脚与PCB建立电路的连通）将独立显卡(或内存条)插到主板上属于三级封装将一个或多个芯片进行封装（包含芯片焊区与封装引脚或基板焊区的电路连通）。将二级封装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板的组装。（二级封装的引出端与母板电路连通）通过各级封装和电路的互连，才使芯片和各种元器件实现应有的功能，并保证工作的可靠性。板上芯片(直接芯片封装)，将裸芯片直接粘贴在PWB上，键合之后胶封。在IC芯片与各级封装之间，必须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装的引脚或基板焊区连接起来才可以形成功能，这种芯片互连称为芯片的零级封装，包含芯片焊区和各级封装的粘接以及电路的互连。芯片互连（零级封装）在整个电子封装中占有举足轻重的地位，并贯穿于封装的全过程。注：在一级、二级和三级封装过程中，若涉及到芯片的互连，则此封装过程包含零级封装；此外，IC芯片内部的元器件通过金属化进行电路的连通不属于零级封装，属于前道工序，而零级封装等各级封装组装均属于后道工序。电子封装可分为零级封装（晶片级的连接，waferlevel）、一级封装（单晶片或多个晶片组件或元件，chiplevel）、二级封装（印制电路板级的封装，boardlevel）和三级封装（整机的组装，systemlevel）。通常把零级和一级封装称为电子封装（技术），而把二级和三级封装称为电子组装（技术）。一级封装二级封装三级封装零级封装注：也可将芯片通过引线键合、TAB或倒装焊接的方式直接焊接在印刷电路板（板卡）上，跳过了一级封装，直接进行二级封装。InOut电子封装(包含零级和一级封装)树脂(EMC)金线(WIRE)L/F外引脚(OUTERLEAD)L/F内引脚(INNERLEAD)晶片(CHIP)晶片托盘(DIEPAD)一级封装产品结构（WB键合）芯片焊区电子封装的作用和重要性一般来说，电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能。即：(1)为半导体芯片提供机械支撑和环境保护；(2)接通半导体芯片的电流通路；(3)提供信号的输入和输出通路：(4)提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本。同时，电子封装对系统的小型化常起着关键作用。因此，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能。同时必须具有高的可靠性和低的成本。可以说，无论在军用电子元器件中，或是民用消费类电路中，电子封装具有举足轻重的地位。微电子封装的技术要求1、电源分配：电子封装首先要通过电源，使芯片与电路能流通电流。还有不同部件所需的电源也不同，因此，将不同部件的电源分配恰当，以减少电源的不必要损耗，这一点尤为重要。2、信号分配：为使电信号延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O引出的路径达到最短。对于高频信号，还应考虑信号的串扰，以进行合理的信号分配布线和接地线分配。3、机械支撑：微电子封装为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。4、散热通道：各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的微电子器件封装，还要考虑附加的散热方式，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。5、环境保护：半导体器件和电路的许多参数，以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体芯片制造出来后，在没有将其封装之前，始终都处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件极为恶劣，必须将芯片严加密封和包封。所以，微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。2.2电子封装的演变晶体管发明之后，为了方便晶体管在电路中的使用和焊接，需要外壳外接引脚和支撑作用的外壳底座；为了保护芯片不受污染，需要用外壳密封。50年代，封装以三根引线的TO型（TransistorOutline，晶体管外壳）金属-玻璃封装外壳为主（此时的粘贴底板不含电路），后来又发展为各类陶瓷、塑料封装外壳。内含一个或多个晶体管随着集成度的提高，晶体管越来越小，电路连线也相应缩短。人们将大量的无源元件（电阻、电容和电感等）和布线集成在二维电路中，成为薄膜或厚膜集成电路，再在电路上安装有源器件（晶体管等），从而形成了混合集成电路（HIC）。此时的晶体管是单个装在HIC电路中的。之后，科学家将元器件和布线以及晶体管全部集成在一块Si片上，这就是集成电路（IC）。早期集成电路的封装仍然采取TO型封装，但随着集成度的提高，IC芯片由集成21～26个元器件的小规模迅速发展为集成26～211个元器件的中等规模，相应的I/O引脚也由数个增加至数十个，因此要求封装引脚也越来越多，TO型封装外壳已难以适应（TO型外壳只有3～5个引脚）。60年代，相继开发出了SIP（单列直插式引脚封装）和DIP（双列直插式引脚封装，4～64个I/O引脚）封装技术，此时的芯片是粘贴在一块内含电路的陶瓷互连基板上。SIPDIP注：将一级封装体的引脚插在PWB的金属化通孔里，然后进行焊接组装，此为通孔插装技术。70年代是IC飞速发展的时期，一块硅片已可集成211～216个元器件，成为大规模IC（LSI）。除此之外，集成的对象也发生了根本的变化，集成电路可以是一个具有复杂功能的部件（如电子计算器），也可以是一台电子整机（如单片电子计算机），同时芯片尺寸也在增大。80年代初期，电子封装技术向两个方面发展：1.通孔插装技术向高I/O方向发展，出现了针栅阵列封装工艺（PGA），其引脚由双列排列发展为面阵型，因此引脚数大大提高。（引脚数大大提高，可达数百上千个，但仍属于直插式组装）2.开发出了表面安装技术：随着芯片尺寸以及I/O数的增加，用于粘贴芯片的互连基板尺寸也在增加。由于陶瓷很难做成大尺寸的平整基板，逐渐选用有机基板替代陶瓷基板。由于有机基板材质的制约，传统的直插式插装不适于基板的组装，出现了电子封装组装技术的一场革命—表面安装技术（SMT）。SMT技术产生之后，与此相适应的各类表面安装元器件（SMC或SMD）电子封装也逐渐开发出来，如无引脚陶瓷片式载体（LCCC），塑料有引脚片式载体（PLCC）和四边引脚扁平封装（QFP）等。注：早期的SMD的引脚数较少，如QFP的最大引脚数约为200～500个，LCCC和PLCC则更少，直到BGA技术出现之后，封装的引脚数才满足VLSI的要求。PLCC引脚弯到底部QFPLCCC城堡式Au凹槽超大规模集成电路（VLSI，216-221个元器件，上千个引脚数）的出现，使得QFP封装无法满足要求，电子封装引脚由周边形发展成为面阵型。传统的PGA封装可以满足低引脚数的LSI，而用PGA封装VLSI时便有了体积大、工艺复杂、无法使用SMT表面封装等缺点。因此，90年代初，开发出了集QFP和PGA优点的焊球阵列封装（BGA）。BGABGA技术虽然能满足高引脚数的要求，但是其封装尺寸仍然太大。（DIP技术的封装面积:芯片面积为85:1；QFP封装面积:芯片面积约为7.8:1），为此，又开发出了芯片尺寸封装（CSP）技术，其封装面积和芯片面积之比小于1.2:1，解决了长期存在的芯片小封装大的根本矛盾。CSP为了充分发挥芯片自身的功能和性能，不需要将单个IC芯片都封装好了再组装，而是将多个未加封装的通用IC芯片和专用IC芯片先安装在多层布线基板