決定半導(dǎo)體封裝類型的三要素

經(jīng)過半導(dǎo)體制造（FAB）工序制備的電路圖形化晶圓容易受溫度變化、電擊、化學(xué)和物理性外部損傷等各種因素的影響。

為了彌補這些弱點，將芯片與晶圓分離后再進行包裝，這種方法被稱為“半導(dǎo)體封裝（Packaging）”。與半導(dǎo)體芯片一樣，封裝也朝著“輕、薄、短、小”的方向發(fā)展。但是，當(dāng)將信號從芯片內(nèi)部連接到封裝外部時，封裝不應(yīng)起到阻礙作用。

封裝技術(shù)包括“內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Internal Structure）技術(shù)”、“外部結(jié)構(gòu)（External Structure）技術(shù)”和“表面安裝技術(shù)（Surface Mounting Technology，簡稱 SMT）”。

1. 封裝發(fā)展趨勢



<圖1>焊接在主板上的半導(dǎo)體封裝引腳（或錫球）數(shù)量的變化

開發(fā)新的半導(dǎo)體封裝，首先必須改變封裝在主板上的安裝方式和外部形式。其次，還要改變封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料。當(dāng)封裝結(jié)構(gòu)越復(fù)雜時，焊接在主板上的引腳（Pin）或錫球（Ball）數(shù)量就越多，引腳間距就越小。目前，封裝與主板之間的接點數(shù)量已迅速接近其極限與飽和點。

2. 封裝結(jié)構(gòu)



<圖2>半導(dǎo)體封裝的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體封裝包括半導(dǎo)體芯片、裝載芯片的載體（封裝PCB、引線框架等）和封裝這些器件的塑封料。

此外，內(nèi)部和外部連接路徑用于將信號從內(nèi)部芯片連接到外部。無論是內(nèi)部還是外部連接，該連接過去都是使用線（導(dǎo)線或引線框架）進行的，但近來普遍使用點（緩沖墊或錫球）。同時，塑封料在排除內(nèi)部熱量和保護芯片免受外部損傷方面起著重要作用。

3. 決定封裝類型的三要素：內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部結(jié)構(gòu)和貼裝



<圖3>封裝內(nèi)部連接類型、外部連接類型和貼裝方法的示意圖

直到上世紀(jì)80年代末，普遍采用的封裝內(nèi)部連接方式是引線鍵合（Wire Bonding），即用金線將芯片焊盤連接到載體焊盤。然而，隨著封裝尺寸減小，封裝內(nèi)金屬線所占體積也就隨之增大。為了解決這個問題，沒有拆除金屬線，而是用凸點（Bump）代替金屬線進行內(nèi)部連接。當(dāng)然，這并不意味著引線鍵合方法完全不可用。

當(dāng)使用凸點連接時，需要采用凸點連接（Bump Attaching）工藝和環(huán)氧樹脂填充（Under-Fill）方法代替裝片（Die-Attaching）和引線鍵合工藝。 外部連接方式也已從引線框架改為錫球。這是因為引線框架和導(dǎo)線有同樣的缺點。過去采用的是“導(dǎo)線-引線框架-PCB通孔插裝”，而現(xiàn)在最常用的是“凸點-球柵陣列（Ball Grid Array， 簡稱 BGA）-表面貼裝技術(shù)”

4. 內(nèi)部封裝類型

4.1 無引腳半導(dǎo)體（Wireless Semiconductor）：倒裝芯片（Flip chip）



<圖4>引線鍵合類型和倒裝芯片類型之比較

半導(dǎo)體封裝還可以根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分成引線類型（Wiring Type）與倒裝芯片類型（Flip Chip Type）。引線方法將芯片朝上，通過引線鍵合與載體連接起來。而倒裝芯片方法是將芯片朝下，并把直徑極小的錫球（被稱為凸點Bump的導(dǎo)電金屬）連接到焊盤上。

因此，倒裝芯片方法不需要用長的導(dǎo)線，即可使半導(dǎo)體芯片連接于基板上，具有信號傳輸距離短、粘附力強的特性。這可以說是一項改善引線鍵合缺陷的創(chuàng)新技術(shù)。 倒裝芯片最大的優(yōu)點是能減少封裝尺寸，改進功耗和信號傳輸過程。由于其長度較短，受到電阻和周邊噪音的影響較小，所以速度更快。

因此，凸點材料使用哪種金屬也很重要。目前最常見的是焊料或黃金。倒裝芯片的另外一個關(guān)鍵點在于用哪種環(huán)氧樹脂來填充凸點和載體之間的空隙。此外，倒裝芯片不使用占用大面積的導(dǎo)線，可以減小成形后的芯片尺寸，因此它被廣泛應(yīng)用于手機等小型電子設(shè)備。

也就是說，隨著封裝在主板上的焊墊（Footprint）面積的減小，它更多地被應(yīng)用于高密度基板技術(shù)上。智能手機等小型電子設(shè)備的出現(xiàn)，給封裝技術(shù)帶來了重大轉(zhuǎn)變。

4.2 在芯片之間制作垂直導(dǎo)通孔的三維封裝技術(shù)：硅通孔（Through Silicon Via，簡稱 TSV）



<圖5>采用穿透硅芯片的導(dǎo)通孔的三維封裝技術(shù)

為提高芯片封裝的密度，我們采用堆疊多個半導(dǎo)體芯片的多層封裝。晶圓級的多芯片封裝方式有引線鍵合（Wire Bonding）和硅通孔（TSV）兩種方式。硅通孔是堆疊芯片之后，在芯片鉆出垂直通孔并通過硅貫通電極連接信號線。其優(yōu)勢在于信號傳輸速度快，封裝密度高。

與處理單個芯片的二維封裝技術(shù)相比，硅通孔（TSV）可以被視為三維封裝技術(shù)。如果用導(dǎo)線連接多層芯片，則形成階梯堆疊結(jié)構(gòu)，面積會增加約兩倍。但硅通孔（TSV）可以像公寓樓一樣形成垂直堆疊結(jié)構(gòu)，只需要大約1.2倍的芯片面積。由于硅通孔（TSV）技術(shù)具有更高的空間使用效率，應(yīng)用范圍正逐漸擴大。

5. 外部封裝類型和貼裝方法 – 基于封裝與外部連接的方式



<圖6>外部封裝類型和貼裝方法

5.1 外部封裝類型



<圖7>IC封裝類型

封裝芯片種類多樣。以引線框架類型為例，有適用于PCB通孔插裝的浸漬式（Dipping），其開發(fā)順序為SIP1、ZIP2、DIP3和PGA4。然而，由于其減少占用主板焊墊面積的能力極其有限，目前僅在某些情況下使用。 在引線框架類型中還有一種小外形（Small Outline，簡稱 SO）封裝技術(shù)它屬于表面貼裝技術(shù)，通過彎曲引線來提高集成度。

目前已發(fā)展到SOIC和SOJ（J型引腳小外形封裝）并得到廣泛應(yīng)用。除此之外，方型扁平式封裝（Quad Flat Package，簡稱 QFP）被用于CPU芯片上。隨后，封裝技術(shù)從引線框架類型變?yōu)榍蛐?，逐漸派生出球形觸點陣列（BGA）。目前，球形已成主流。

5.2 貼裝方法

封裝組裝方法主要分為表面貼裝技術(shù)（SMT）和PCB通孔插裝技術(shù)。顧名思義，表面貼裝技術(shù)（SMT）就是通過焊接將芯片固定在主板表面上，而PCB通孔插裝技術(shù)是將芯片引腳插入主板相應(yīng)的安裝孔，然后與主板的焊盤焊接固定。 然而，由于主板上的安裝孔所占面積太大，為實現(xiàn)“輕薄短小”的封裝，貼裝方法已發(fā)展成為無孔表面貼裝技術(shù)。

在引線框架方法中，從一開始就開發(fā)了SO型（SOIC和SOJ）和TSOP用于表面安裝。BGA類型的球本身就是用于安裝在主板上的，因此也適用表面貼裝方法。

審核編輯：劉清