集成电路芯片封装技术第1章

集成电路芯片封装[e-mail]教学目标了解集成电路芯片封装技术的基本原理熟知集成电路芯片封装的工艺流程掌握集成电路芯片封装的主要工艺技术了解IC芯片先进封装技术的现状和发展趋势封装技术的概念微电子封装：ABridgefromICtoSystemBoardIC封装概念•按Tummala教授一书中的定义“IntroductiontoMicrosystemsPackaging”GeorgiaInstituteofTechnologyProf.RaoR.Tummala“IntegratedCircuit(IC)”isdefinedasaminiatureormicroelectronicdevicethatintegratessuchelementsastransistors,dielectrics,andcapacitorsintoanelectricalcircuitpossessingaspecialfunction.“集成电路（IC）“是指微小化的或微电子的器件，它将这样的一些元件如三极管、电阻、介电体、电容等集成为一个电学上的电路，使致具有专门的功能。“Packaging”isdefinedasthebridgethatinterconnectstheICsandothercomponentsintoasystem-levelboardtoformelectronicproducts”封装“是指连接集成电路和其他元器件到一个系统级的基板上的桥梁或手段，使之形成电子产品。定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装“封装（Packaging）”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“Packaging”这一概念。封装的出现60多年前的三极管，40多年前的IC等半导体元件的出现，一方面，这些半导体元件细小娇贵；另一方面，其性能又高，而且多功能、多规格。为了充分发挥其功能，需要补强、密封、扩大，以便实现与外电路可靠的电气连接并得到有效的机械、绝缘等方面的保护作用。基于这样的工艺技术要求，“封装”便随之出现。封装的发展过程19201930194019501960197019801990200020101937年金属喷涂印制电路板（PWB）诞生1947年晶体管的诞生PWB实用化58年IC出现真空管半导体IC分立式元器件61年二者市场占有率相等75年二者相同多层PWB板积层式多层板封装或装配封装电子封装工程79年（表面贴装）SMT扩广电器机械设计电路设计逻辑设计系统设计及软件设计电子元器件封装技术需要的设计技术从半导体和电子元器件到电子机器设备前工程后工程封装工程利用光刻制版等加工制作电极、开发材料的电子功能对元件进行包覆、连接封入元件盒中、引出引线端子，完成封装体封装体与基板连接固定、装配成完整的系统或电子机器设备实现所要求的元件的性能确保元件可靠性，完成器件、部件确保整个系统的综合性能狭义的封装从此开始封装工程的四个层次半导体部件电子元器件基板输入输出装置存储装置机器设备毫米级的工程领域100μm的工程领域L、C、R分立式半导体器件变压器LED芯片0.25μm的工程领域50μm的工程领域水晶振子、散热器、小型马达、传感器按特征尺寸的量级，电子封装工程可分为四个层次，其中从半导体芯片到50μm的工程领域为狭义的封装微电子封装的概念狭义：芯片级ICPackaging薄膜技术和微细加工技术广义：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IC芯片引线架导线丝铝膜外引线封装树脂塑料基板塑料封装DIP工艺导电粘胶超声键合可在较低的温度下使金属丝发生塑性变形，完成固相结合。引线键合成本较低双列直插式封装结构DIP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。电子封装的范围从工艺上讲，电子封装包括薄厚膜技术、基板技术、微细连接技术、封接及封装技术等四大基础技术从材料上讲，电子封装包括各类材料，如焊丝、框架、金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉材、表面活性剂、有机粘结剂、有机溶剂、金属浆料、导电填料、感光性树脂、热硬化树脂、聚酰亚胺薄膜、感光性浆料，还有导体、电阻、介质以及各种功能用的薄厚膜材料等从设计、评价、解析技术上讲，其涉及膜特性、电气特性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析评价和检测封装涉及的技术领域电子封装工程的各个方面功能部件LSI回路部件搭载元器件布线基板封装关键技术键合布线连接散热冷却保护使各种元器件、功能部件相组合形成功能电路目的依据电路结构、性能要求、封装类型而异难易程度需考虑的问题苛刻的工程条件（温度、湿度、振动、冲击、放射性等）超高要求超高性能（3DIC）超薄型、超小型超多端子连接超高功率（采用热冷、金属陶瓷复合基板等）电子封装实现的四种功能电互连和线间电隔离①信号分配：②电源分配：③热耗散：使结温处于控制范围之内④防护：对器件的芯片和互连进行机械、电磁、化学等方面的防护信号传递电能传递主要是将电信号的延迟尽可能减小，在布线时尽可能使信号线与芯片的互连路径以及通过封装的I/O接口引出的路径达到最短主要是电源电压的分配和导通散热各种芯片封装都要考虑元器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题封装保护芯片封装可为芯片和其他连接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电路在最佳性能指标下的最低价格机械冲击、温度循环、加速度——机械强度IC封装的分类IC封装的主要类型：①按照器件与电路板的互连方式可分为：通孔插装式PTH（Pinthroughhole）表面贴装式SMT（Sufacemounttechnology）目前表面贴装式封装已占IC封装总量的80%以上。SOP(小型化封装)PLCC（无引线塑料封装载体）CLCC（无引线陶瓷封装载体）QFP(四侧引脚扁平封装)BGA(球栅阵列式封装)双边引脚四边引脚底部引脚表面贴装型DIP（双列式封装）ZIP（交叉引脚式封装）SIP（单列引脚式封装）PGA(针脚阵列封装)单边引脚双边引脚底部引脚引脚插入型（6~7）%②按主要使用材料来分，有裸芯片金属封装陶瓷封装1~2%塑料封装92%历史的发展过程：最早是金属封装，然后是陶瓷封装，最后是塑料封装。性能分：金属和陶瓷封装是气密封装，塑料封装是非气密或准气密封装；金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条件”，如军用、宇航等，而塑封只能用于“不太严酷”的环境；金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路（HIC），部分军品及需空封器件。IC封装的生命周期芯片尺寸封装球栅阵列封装倒装芯片薄的缩小型SOP薄/小引脚中心距QFP缩小型SOP自动带载焊接四边引脚扁平封装小外形封装J形引脚小外型封装带引线的塑料芯片载体针脚阵列封装塑料双列直插式封装带引脚的芯片载体陶瓷DIP封装型式的发展发展方向：轻、薄、短、小DIP—SDIP—SKDIP（双列式）SOP—TSP—UTSOP（小型-薄型-超薄型）PGA—BGA（点阵列式-球栅阵列式）LeadonChip：芯片上引线封装单芯片封装向多芯片封装的演变（自动带载焊接）芯片尺寸封装(多芯片组件)单级集成模块表1．硅片封装效率的提高年代1970198019901993封装年代DIPPQFPBGA/CSPDCA/CSP封装效率Sd/Sp(2~7)%(10~30)%(20~80)%(50~90)%35封装效率封装效率封装效率封装效率=2-7%(1970-)=10-30%(1980-)=20-80%(1990-)=50-90%(1993-)封装效率的改进表2．封装厚度的变化封装形式PQFP/PDIPTQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封装厚度(mm)3.6~2.01.4~1.00.8~0.5PQFPPDIPTQFPTSOPUTQFPUTSOP3.6-2.0mm1.4-1.0mm0.8-0.5mm封装厚度封装厚度比较表3．引线节距缩小的趋势年份19801985199019952000典型封装DIP,PGASDIP,PLCC,BGAQFPQFP,CSPCSP,DCA典型引线节距(mm)2.541.270.630.330.15~0.050引线节距的发展趋势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热膨胀系数（CTE）失配—热应力和热变形解决途径：1、采用