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集成电路封装与测试主讲：杨伟光课程大纲第一章集成电路芯片封装概述第二章封装工艺流程第三章厚/薄膜技术第四章焊接材料第五章印刷电路板第六章元器件与电路板的结合第七章封胶材料与技术第八章陶瓷封装第九章塑料封装第十章气密性封装第十二章封装可靠性以及缺陷分析第十一章先进封装技术基础部分材料部分基板部分封装部分测试部分参考书籍•《集成电路芯片封装技术》李可为著，电子工业出版社出版•《微电子器件封装-封装材料与封装技术》周良知著，化学工业出版社出版•相关的文献本章概要•基本概念•封装的发展过程•封装的层次及功能•封装的分类•封装的发展现状1.1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1.1.1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。1.1.2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柔嫩；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。1.2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1947年12月16日，美国贝尔实验室的肖克莱（WilliamB.Shockley）、巴丁(JohnBardeen)和布拉顿(WalterH.Brattain)组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。WilliamB.ShockleyJohnBardeenWalterH.Brattain三人获得了1956年诺贝尔物理学奖相移振荡器1958年9月10日美国的基尔比发明了集成电路集成电路是美国物理学家基尔比(JackKilby)和诺伊斯两人各自独立发明的，都拥有发明的专利权。1958年9月10日，基尔比的第一个安置在半导体锗片上的电路取得了成功，被称为“相移振荡器”。1957年，诺伊斯(RobortNoyce)成立了仙童半导体公司，成为硅谷的第一家专门研制硅晶体管的公司。1959年2月，基尔比申请了专利。不久，得克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比火柴头还小的半导体固体电路。诺伊斯虽然此前已制造出半导体硅片集成电路，但直到1959年7月才申请专利，比基尔比晚了半年。法庭后来裁决，集成电路的发明专利属于基尔比，而有关集成电路的内部连接技术专利权属于诺伊斯。两人都因此成为微电子学的创始人，获得美国的“巴伦坦奖章”。RobortNoyceJackKilby1.3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2.1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2.2电子封装的分级器件印制板硅圆片0级1级2级3级4级管芯常规组合的电路封装电子封装的分级零级封装：芯片上的互连；一级封装：器件级封装；二级封装：PCB(PWB)级封装；三级封装：分机柜内母板的组装；四级封装：分机柜。我们这里讨论的封装是指“一级封装”，即IC器件的封装。2.3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CAD/CAM/CAT系统及发展设计、评价、解析技术膜特性电气特性热特性结构特性薄厚膜技术基板技术微细连接技术封接封装技术封装工艺技术材料科学与工程可靠性评价解析技术制造、生产装置动向电子设备系统等的发展动向电子部件动向电子元器件回路部件功能部件2.4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）3.1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3.2IC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、陶瓷封装是“空封”，封装不与芯片表面接触，塑封是“实封”；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。③按引线形状无引线：焊点、焊盘有引线：TH直插外壳芯片L型（翼型）J型焊球焊柱扁平I形（柱形）SMT3.3IC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目前世界上产量较多的几类封装SOP（小外形封装）55～57%PDIP（塑料双列封装）14%QFP(PLCC)（四边引线扁平封装）12%BGA（球栅阵列封装）4～5%4.1IC封装的发展趋势IC封装产量仍以平均4~5年一个增长周期在增长。2000年是增长率最高的一年（+15%以上）。2001年和2002年的增长率都较小。半导体工业可能以“三年养五年”！2003200416.8~27.4%4.2技术发展趋势△芯片封装工艺：从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片划片成小管芯。再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后就成器件。△芯片与封装的互连：从引线键合（WB）向倒装焊（FC）转变。△微电子封装和PCB板之间的互连：已由通孔插装(PTH)为主转为表面贴装（SMT）为主。封装密度正愈来愈高封装密度的提高体现在下列三方面：硅片的封装效率=硅芯片面积/封装所占印制板面积=Sd/Sp不断提高（见表1）；封装的高度不断降低（见表2）；引线节距不断缩小（见表3）；引线布置从封装的两侧发展到封装的四周，到封装的底面。这样使单位封装体积的硅密度和引线密度都大大提高。国际上IC封装的发展趋势如表4所示。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)%表2．封装厚度的变化封装形式PQFP/PDIPTQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封装厚度(mm)3.6~2.01.4~1.00.8~0.5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各类封装在封装总量中所占的比例和IC封装引出端的分布如表4、表5所示。表4.各类封装在封装总量中所占的份额（%）DIPSOPQFPBGACSP其他1996年28471311121998年15571211122003年125612177表5.集成电路封装引出端数的分布范围引线数范围≤3333～100101～308≥3081997年（估算值）76％18％5％1％2003年（预测值）68％20％10％2％引线节距的发展趋势PQFPPDIPTQFPTSOPUTQFPUTSOP3.6-2.0mm1.4-1.0mm0.8-0.5mm封装厚度封装厚度