集成电路封装技术简介

集成电路芯片封装技术简介自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、PentiumⅡ、Celeron、K6、K6-2……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。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--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。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。下面将对具体的封装形式作详细说明。一、DIP封装70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(DualIn-linePackage)。DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.比TO型封装易于对PCB布线;3.操作方便。DIP封装结构形式有: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，陶瓷低熔玻璃封装式)。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=3×3/15.24×50=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。Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。二、芯片载体封装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)、塑料四边引出扁平封装PQFP(PlasticQuadFlatPackage)。以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是:1.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就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。三、BGA封装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--球栅阵列封装，简称BGA(BallGridArrayPackage)。BGA一出现便成为CPU、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采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，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。四、面向未来的新的封装技术BGA封装比QFP先进，更比PGA好，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:1.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1/10，延迟时间缩小到极短。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)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有:1.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。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，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。福州高奇晶圆电子科技有限公司版权所有Copyright@2002地址：福州市五一中路88号平安大厦15层A单元邮编：350005电话：[phone]（六线）3373007（四线）传真：[phone]Email：[e-mail]芯片封装缩略语介绍IC封装型式有很多，以下是一些缩略语供大家参考：1．BGA球栅阵列封装2．CSP芯片缩放式封装3．COB板上芯片贴装4．COC瓷质基板上芯片贴装5．MCM多芯片模型贴装6．LCC无引线片式载体7．CFP陶瓷扁平封装8．PQFP塑料四边引线封装9．SOJ塑料J形线封装10．SOP小外形外壳封装11．TQFP扁平簿片方形封装12．TSOP微型簿片式封装13．CBGA陶瓷焊球阵列封装14．CPGA陶瓷针栅阵列封装15．CQFP陶瓷四边引线扁平16．CERDIP陶瓷熔封双列17．PBGA塑料焊球阵列封装18．SSOP窄间距小外型塑封19．WLCSP晶圆片级芯片规模封装20．FCOB板上倒装片其中现在国内主流产品以DIPTSSOPQFPSOP等为多。日本、台湾、美国的主流产品以TSSOP、QFP（100引脚以上）BGACSP等为多。以后封装形式我认为BGACSP产品将成为重点，它们将取代QFP成为高I/O端子IC封装的主流。芯片封装与命名规则知多少？一、DIP双列直插式封装DIP(DualIn-linePackage)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。DIP封装具有以下特点：1.适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。二、QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装QFP（PlasticQuadFlatPackage）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。PFP（PlasticFlatPackage）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。QFP/PFP封装具有以下特点：1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。2.适合高频使用。3.操作方便，可靠性高。4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。三、PGA插针网格阵列封装PGA(PinGridArrayPackage)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。ZIF(ZeroInsertionForceSocket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。PGA封装具有以下特点：1.插拔操作更方便，可靠性高。2.可适应更高的频率。Intel系列CPU中，80486和Pentium、PentiumPro均采用这种封装形式。四、BGA球栅阵列封装随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208Pin时，传统的封装方式有很大难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(BallGridArrayPackage)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。BGA封装技术又可详分为五大类：1.PBGA（PlasticBGA）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，PentiumII、III、IV处理器均采用这种封装形式。2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装