集成電路封裝技術(shù)分析及工藝流程

集成電路封裝：

在電子學(xué)金字塔中的位置既是金字塔的尖頂又是金字塔的基座。說(shuō)它同時(shí)處在這兩種位置都有很充分的根據(jù)。從電子元器件（如晶體管）的密度這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，IC代表了電子學(xué)的尖端。但是IC又是一個(gè)起始點(diǎn)，是一種基本結(jié)構(gòu)單元，是組成我們生活中大多數(shù)電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。同樣，IC不僅僅是單塊芯片或者基本電子結(jié)構(gòu)，IC的種類(lèi)千差萬(wàn)別（模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路、傳感器等），因而對(duì)于封裝的需求和要求也各不相同。本文對(duì)IC封裝技術(shù)做了全面的回顧，以粗線(xiàn)條的方式介紹了制造這些不可缺少的封裝結(jié)構(gòu)時(shí)用到的各種材料和工藝。

集成電路封裝還必須充分地適應(yīng)電子整機(jī)的需要和發(fā)展。由于各類(lèi)電子設(shè)備、儀器儀表的功能不同，其總體結(jié)構(gòu)和組裝要求也往往不盡相同。因此，集成電路封裝必須多種多樣，才足以滿(mǎn)足各種整機(jī)的需要。

集成電路封裝是伴隨集成電路的發(fā)展而前進(jìn)的。隨著宇航、航空、機(jī)械、輕工、化工等各個(gè)行業(yè)的不斷發(fā)展，整機(jī)也向著多功能、小型化方向變化。這樣，就要求集成電路的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越復(fù)雜。相應(yīng)地要求集成電路封裝密度越來(lái)越大，引線(xiàn)數(shù)越來(lái)越多，而體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，更新?lián)Q代越來(lái)越快，封裝結(jié)構(gòu)的合理性和科學(xué)性將直接影響集成電路的質(zhì)量。因此，對(duì)于集成電路的制造者和使用者，除了掌握各類(lèi)集成電路的性能參數(shù)和識(shí)別引線(xiàn)排列外，還要對(duì)集成電路各種封裝的外形尺寸、公差配合、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和封裝材料等知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和了解。以便使集成電路制造者不因選用封裝不當(dāng)而降低集成電路性能;也使集成電路使用者在采用集成電路進(jìn)行征集設(shè)計(jì)和組裝時(shí)，合理進(jìn)行平面布局、空間占用，做到選型恰當(dāng)、應(yīng)用合理。

為什么要對(duì)芯片進(jìn)行封裝？

任何事物都有其存在的道理，芯片封裝的意義又體現(xiàn)在哪里呢？從業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)識(shí)來(lái)看，芯片封裝主要具備以下四個(gè)方面的作用：固定引腳系統(tǒng)、物理性保護(hù)、環(huán)境性保護(hù)和增強(qiáng)散熱。下面我們就這四方面做一個(gè)簡(jiǎn)單描述。

1.固定引腳系統(tǒng)

要讓芯片正常工作，就必須與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而封裝最重要的意義便體現(xiàn)在這里。當(dāng)然，我們不可能將芯片內(nèi)的引腳直接與電路板等連接，因?yàn)檫@部分金屬線(xiàn)相當(dāng)細(xì)，通常情況下小于1.5微米（μm），而且多數(shù)情況下只有1.0微米。但通過(guò)封裝以后，將外部引腳用金屬銅與內(nèi)部引腳焊接起來(lái)，芯片便可以通過(guò)外部引腳間接地與電路板連接以起到數(shù)據(jù)交換的作用。

外部引腳系統(tǒng)通常使用兩種不同的合金——鐵鎳合金及銅合金，前者可用于高強(qiáng)度以及高穩(wěn)定性的場(chǎng)合，而后者具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的優(yōu)勢(shì)。具體選用何種引腳系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。

2. 物理性保護(hù)芯片通過(guò)封裝以后可以免受微粒等物質(zhì)的污染和外界對(duì)它的損害。實(shí)現(xiàn)物理性保護(hù)的主要方法是將芯片固定于一個(gè)特定的芯片安裝區(qū)域，并用適當(dāng)?shù)姆庋b外殼將芯片、芯片連線(xiàn)以及相關(guān)引腳封閉起來(lái)，從而達(dá)到保護(hù)的目的。應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)于芯片封裝的等級(jí)要求也不盡相同，當(dāng)然，消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品要求最低。

3.環(huán)境性保護(hù)

封裝的另一個(gè)作用便是對(duì)芯片的環(huán)境性保護(hù)，可以讓芯片免受濕氣等其他可能干擾芯片正常功能的氣體對(duì)它正常工作產(chǎn)生不良影響。

4. 增強(qiáng)散熱

眾所周知，所有半導(dǎo)體產(chǎn)品在工作的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生熱量，而當(dāng)熱量達(dá)到一定限度的時(shí)候便會(huì)影響芯片正常工作。而封裝體的各種材料本身就可以帶走一部分熱量。當(dāng)然，對(duì)于大多數(shù)發(fā)熱量大的芯片，除了通過(guò)封裝材料進(jìn)行降溫以外，還需要考慮在芯片上額外安裝一個(gè)金屬散熱片或風(fēng)扇以達(dá)到更好的散熱效果。

作用

集成電路封裝不僅起到集成電路芯片內(nèi)鍵合點(diǎn)與外部進(jìn)行電氣連接的作用，也為集成電路芯片提供了一個(gè)穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對(duì)集成電路芯片起到機(jī)械或環(huán)境保護(hù)的作用，從而集成電路芯片能夠發(fā)揮正常的功能，并保證其具有高穩(wěn)定性和可靠性?？傊呻娐贩庋b質(zhì)量的好壞，對(duì)集成電路總體的性能優(yōu)劣關(guān)系很大。因此，封裝應(yīng)具有較強(qiáng)的機(jī)械性能、良好的電氣性能、散熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

雖然IC的物理結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域、I/O數(shù)量差異很大，但是IC封裝的作用和功能卻差別不大，封裝的目的也相當(dāng)?shù)囊恢?。作為“芯片的保護(hù)者”，封裝起到了好幾個(gè)作用，歸納起來(lái)主要有兩個(gè)根本的功能：

（1）保護(hù)芯片，使其免受物理?yè)p傷。

（2）重新分布I/O，獲得更易于在裝配中處理的引腳節(jié)距。封裝還有其他一些次要的作用，比如提供一種更易于標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，為芯片提供散熱通路，使芯片避免產(chǎn)生α粒子造成的軟錯(cuò)誤，以及提供一種更方便于測(cè)試和老化試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)。封裝還能用于多個(gè)IC的互連?？梢允褂靡€(xiàn)鍵合技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)的互連技術(shù)來(lái)直接進(jìn)行互連。或者也可用封裝提供的互連通路，如混合封裝技術(shù)、多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）以及更廣泛的系統(tǒng)體積小型化和互連（VSMI）概念所包含的其他方法中使用的互連通路，來(lái)間接地進(jìn)行互連。

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）器件和片上實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip）器件的不斷發(fā)展，封裝起到了更多的作用：如限制芯片與外界的接觸、滿(mǎn)足壓差的要求以及滿(mǎn)足化學(xué)和大氣環(huán)境的要求。人們還日益關(guān)注并積極投身于光電子封裝的研究，以滿(mǎn)足這一重要領(lǐng)域不斷發(fā)展的要求。最近幾年人們對(duì)IC封裝的重要性和不斷增加的功能的看法發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，IC封裝已經(jīng)成為了和IC本身一樣重要的一個(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們?cè)絹?lái)越注重發(fā)展IC封裝技術(shù)以迎接新的挑戰(zhàn)。

折疊封裝形式

集成電路發(fā)展初期，其封裝主要是在半導(dǎo)體晶體管的金屬圓形外殼基礎(chǔ)上增加外引線(xiàn)數(shù)而形成的。但金屬圓形外殼的引線(xiàn)數(shù)受結(jié)構(gòu)的限制不可能無(wú)限增多，而且這種封裝引線(xiàn)過(guò)多時(shí)也不利于集成電路的測(cè)試和安裝，從而出現(xiàn)了扁平式封裝。而扁平式封裝不易焊接，隨著波峰焊技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了雙列式封裝。由于軍事技術(shù)的發(fā)展和整機(jī)小型化的需要，集成電路的封裝又有了新的變化，相繼產(chǎn)生了片式載體封裝、四面引線(xiàn)扁平封裝、針柵陣列封裝、載帶自動(dòng)焊接封裝等。同時(shí)，為了適應(yīng)集成電路發(fā)展的需要，還出現(xiàn)了功率型封裝、混合集成電路封裝以及適應(yīng)某些特定環(huán)境和要求的恒溫封裝、抗輻照封裝和光電封裝。并且各類(lèi)封裝逐步形成系列，引線(xiàn)數(shù)從幾條直到上千條，已充分滿(mǎn)足集成電路發(fā)展的需要。

折疊封裝材料

如上所述，集成電路封裝的作用之一就是對(duì)芯片進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，避免芯片與外部空氣接觸。因此必須根據(jù)不同類(lèi)別的集成電路的特定要求和使用場(chǎng)所，采取不同的加工方法和選用不同的封裝材料，才能保證封裝結(jié)構(gòu)氣密性達(dá)到規(guī)定的要求。集成電路早期的封裝材料是采用有機(jī)樹(shù)脂和蠟的混合體，用充填或灌注的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)封裝的，顯然可靠性很差。也曾應(yīng)用橡膠來(lái)進(jìn)行密封，由于其耐熱、耐油及電性能都不理想而被淘汰。使用廣泛、性能最為可靠的氣密密封材料是玻璃-金屬封接、陶瓷-金屬封裝和低熔玻璃-陶瓷封接。處于大量生產(chǎn)和降低成本的需要，塑料模型封裝已經(jīng)大量涌現(xiàn)，它是以熱固性樹(shù)脂通過(guò)模具進(jìn)行加熱加壓來(lái)完成的，其可靠性取決于有機(jī)樹(shù)脂及添加劑的特性和成型條件，但由于其耐熱性較差和具有吸濕性，還不能與其他封接材料性能相當(dāng)，尚屬于半氣密或非氣密的封接材料。

隨著芯片技術(shù)的成熟和芯片成品率的迅速提高，后部封接成本占整個(gè)集成電路成本的比重也愈來(lái)愈大，封裝技術(shù)的變化和發(fā)展日新月異，令人目不暇接。

究竟集成電路封裝形式有哪幾種？

一、SOP小外形封裝

SOP，也可以叫做SOL和DFP，是一種很常見(jiàn)的元器件形式。同時(shí)也是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀（L字形）。封裝材料分塑料和陶瓷兩種。始于70年代末期。

SOP封裝的應(yīng)用范圍很廣，除了用于存儲(chǔ)器LSI外，還輸入輸出端子不超過(guò)10-40的領(lǐng)域里，SOP都是普及最廣泛的表面貼裝封裝。后來(lái)，為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，也逐漸派生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封裝。

二、PGA插針網(wǎng)格陣列封裝

PGA芯片封裝形式常見(jiàn)于微處理器的封裝，一般是將集成電路（IC）包裝在瓷片內(nèi)，瓷片的底部是排列成方形的插針，這些插針就可以插入獲焊接到電路板上對(duì)應(yīng)的插座中，非常適合于需要頻繁插波的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于同樣管腳的芯片，PGA封裝通常要比過(guò)去常見(jiàn)的雙列直插封裝需用面積更小。

PGA封裝具有插撥操作更方便，可靠性高及可適應(yīng)更高的頻率的特點(diǎn)，早期的奔騰芯片、InTel系列CPU中的80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。

三、BGA球柵陣列封裝

BGA封裝是從插PGA插針網(wǎng)格陣列改良而來(lái)，是一種將某個(gè)表面以格狀排列的方式覆滿(mǎn)引腳的封裝法，在運(yùn)作時(shí)即可將電子訊號(hào)從集成電路上傳導(dǎo)至其所在的印刷電路板。在BGA封裝下，在封裝底部處引腳是由錫球所取代，這些錫球可以手動(dòng)或透過(guò)自動(dòng)化機(jī)器配置，并透過(guò)助焊劑將它們定位。

BGA封裝能提供比其他如雙列直插封裝或四側(cè)引腳扁平封裝所容納更多的接腳，整個(gè)裝置的地步表面可作為接腳使用，比起周?chē)薅ǖ姆庋b類(lèi)型還能具有更短的平均導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，以具備更加的高速效能。

四、DIP雙列直插式封裝

所謂DIP雙列直插式封裝，是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路IC均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過(guò)100個(gè)。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。

DIP封裝具有以下特點(diǎn)：

1、 適合在PCB（印刷電路板）上穿孔焊接，操作方便。

2、 芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。Intel系列CPU中的8088就采用這種封裝形式，緩存（Cache）和早期的內(nèi)存芯片業(yè)是這種封裝形式。