2IC精密封装技术.

第一部分电子产品精密成型技术－IC精密封装技术2IC精密封装技术•2.1引言•2.2IC精密封装技术的发展与展望•2.3IC塑料封装中的质量问题•2.4IC封装模流道平衡CAE应用•2.5引线框架级进模设计•2.6IC切筋成型技术简介引言•我们身边的一些电子产品正发生着日新月异的变化。最典型的例子莫过于手机了，早期如砖头般大小，而现在最轻的已不超过50g，可以很轻松地放进上衣口袋里了，而推动这一变化最根本的原因就在于手机内部芯片封装技术的发展。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世界与外部电路的桥梁一芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。了解芯片的封装，就有助于增加我们对CPU等集成电路的进一步认识。引言表面贴装型半导体封装引言•现代电子工业,特别是航空、航天以及便携式计算机、移动通信、汽车及消费类电子领域的迅速发展不断向电子产品提出更高的要求,它要求电子产品必须为智能型,具备功能多、重量轻、体积小、厚度薄、易于携带、速度快、可靠性高和价格低的特点。就目前各个技术领域的发展来看,要满足上述要求,关键就在于封装技术。因此,封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。引言•1947年12月,巴丁、肖克莱、布拉顿发明了第一个半导体锗触点式放大器件—半导体晶体管,然后诞生了半导体收音机,到了六十年代初期,第一块IC问世,IC封装从此开始。它开始时,是以IC芯片(Chip)的表现形式出现的,是连接半导体芯片与电子系统的桥梁,伴随着IC芯片的发展,其表现形式也在不断地发展中,并且逐步超出了原来作为表现形式的功能,发展为电子系统设计中的重要部分,取得了长足的进步。长期以来,由于人们对封装传统的认识,存在着观念上的误区,当半导体圆片制造发展到一定的阶段,随着集成度的大幅度提高,半导体封装进入了技术的融合阶段,这种观念上的误区成了集成电路发展中的阻碍,使集成电路的封装落后于芯片技术的发展。在我国,普遍认为封装无技术,使得集成电路封装发展愈加缓慢,从而加大了与世界封装业的差距。引言•片式chip(微小元件)元件封装技术的发展变化;首先我们来谈谈片式Chip(微小元件)元件封装技术的发展变化。它主要有以厚薄膜工艺制造的片式电阻器和以多层厚膜共烧工艺制造的片式独石电容器，这是开发和应用最早和最广泛的片式元件。随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求，对电子电路性能不断地提出新的要求，片式chip元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压、集成化和高性能化方向发展。在小型化方面，规格尺寸从3216→2125→1608→1005发展，上述4位数字的表示方法是行业内的一种规范，具体对应大小可参见表1。目前最新出现的是0603若假设3216元件的面积指数是100，则0603元件则只有3.51，即仅相当于3216元件面积的3.51%。引言表1片式chip元件的发展趋势引言•从表1中我们可以很清楚地看到片式chip元件外形尺寸正逐步变小，为了更能直观的反映出这种变化，我们还可以看这样一幅有趣的对比图。图1列出了一个0603尺寸的元件与一个1608元件、2125元件、一只蚂蚁和一根火柴棒。引言•目前在计算机板卡生产上普遍采用的是1608和2125元件，其中1608元件主要用于片式电容电阻，2125元件主要用于片式电感等。1005和0603元件主要用在一些高集成度、高性能化的电子产品上，如手机、摄录机、掌上电脑等。•芯片封装技术的发展变化:数十年来，芯片封装技术一直追随着芯片技术的发展而发展，一代芯片就有相应一代的封装技术相配合，而SMT(表面安装技术)的发展，更加促进芯片封装技术不断达到新的水平。目前芯片封装的一个重要趋势就是向着更小的体积，更高的集成度方向发展，其技术性能越来越强，适应的工作频率越来越高，而且耐热性能越来越好，芯片面积与封装面积之比越来越接近于1:1(衡量芯片封装技术先进与否的一个重要指标，一般越接近1越好)。DIP封装(DualIn-LinePackage)•20世纪70年代流行的DIP是双列直插封装，简称。DIP封装结构具有以下特点:适合PCB的穿孔安装;比TO型封装易于对PCB布线;操作方便。•DIP封装结构形式有多种，如多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低玻璃封装式)等。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3X3/15.24X50=1:86，离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。DIP封装(DualIn-LinePackage)•Intel公司这期间的CPU如8088、80286都采用PDIP封装，如图2所示。图28088CPU芯片载体封装•20世纪80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(LeadlessCeramicchipcarrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(plasticLeadedchipcarrier)、小尺寸封装SOP(SmallOutlinepackage)、塑料4边引出扁平封装PQFP(plasticQuadFlatPackage)。•以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的PQFP封装的CPU为例，外形尺寸28x28mm，芯片尺寸10X10mm，则芯片面积/封装面积=10x10/28x28=l：7.8，由此可见PQFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是:(l)适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;(2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;(3)操作方便;(4)可靠性高。•在这期间，Intel公司的CPU，如Intel80386就采用塑料4边引出扁平封装PQFP。我国研制的首颗高性能通用CPU-龙芯(Godson)也采用了这一封装，如图3所示。芯片载体封装图3我国研制的首颗高性能通用CPU-龙芯芯片载体封装•但PQFP的缺点也很明显:为了适应电路组装密度的进一步提高，PQFP的引脚间距不断缩小，I/O引脚数不断增加，封装体积也不断加大，这给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。由此看来PQFP的发展已走到了尽头。于是人们转而寻找其它封装技术，例如BGA。球栅阵列封装BGA(BallGridArrayPackage)•20世纪90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种一球栅阵列封装，简称BGA(BallGridArrayPackage)，它的I/O引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/O数带来的生产成本和可靠性问题。球栅阵列封装BGA•BGA一出现便成为CPU、图形芯片GPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:(1)I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;(2)虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能;(3)厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;(4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;(5)组装可用共面焊接，可靠性高;(6)BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大。•Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ、PentiumⅢ以及新推出的PentinmⅣ芯片采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA(如图4所示)，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。图4PentiumIV芯片面向未来的新的封装技术•BGA封装比QFP先进，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。•1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)。CSP封装具有以下特点:(l)满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;(2)解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题;(3)封装面积缩小到BGA的1/4至l/10，延迟时间缩小到极短。面向未来的新的封装技术•曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)、组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(MultiChipModel)。创寄对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。Intel公司已经宣布要在其未来的64位处理器Itanium上采用这一封装。•MCM的特点有:(l)封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;(2)缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;(3)可靠性大大提高。面向未来的新的封装技术•随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(waferlevel)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(SystemonChip)和电脑级芯片PCOC(PConChip)。•随着CPU和其他ULSI电路的进步，芯片的封装形式也将有相应的发展，封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展，从而形成一种相互促进，协调发展密不可分的关系。IC精密封装技术的发展与展望•IC芯片的发展–由于IC封装首先作为IC芯片表现形式而出现，在此有必要对IC芯片发展作一番回顾：IC是IT技术的载体,IC的发展,其描述的最小特征尺寸(一般指线条宽度)经历了从1962年数十微米、1972年的8微米、1982年的3微米、1992年的0.8微米,到现在的0.13微米，未来几年的发展将进入深亚微米(DSM)和纳米阶段。在这四十年的发展中,芯片尺寸按照摩尔规律平均18个月减少一半,同样尺寸的芯片可实现双倍功能;而在近二十年中,IC芯片的复杂程度,以每年一倍的速度增长。随着IC的发展,芯片上集成的晶体管密度越来越高,集成度越来越大。目前,一个芯片(Chip)上可以集成108—109个晶体管,2001年中,出现了0.4mm×0.4mm×0.06mm最小尺寸的电可擦存储器(EEPROM)芯片,将用于电子身份识别卡上。IC精密封装技术的发展与展望•IC封装的发展•六十年代—七十年代:双列直插式(DIP)封装–伴随着IC的开始出现,整机生产以分立器件为主，IC为辅,此时的技术需求,只是寻求更稳定的工作。因为一方面，IC芯片的制造还处于初始阶段,集成度很低；另一方面，从电子管走向晶体管,本身整机体积已大大缩小，故而对IC封装没有更多的要求。所以此阶段采用了最易实现的以