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集成电路封装技术分析及工艺流程

www.91jinshu.com   2019-03-11  来源:电子发烧友  编辑部

集成电路封装:

电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件(如晶体管)的密度这个角度上来说,IC代表了电子学的尖端。但是IC又是一个起始点,是一种基本结构单元,是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样,IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构,IC的种类千差万别(模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等),因而对于封装的需求和要求也各不相同。本文对IC封装技术做了全面的回顾,以粗线条的方式介绍了制造这些不可缺少的封装结构时用到的各种材料和工艺。

集成电路封装技术分析及工艺流程

集成电路封装还必须充分地适应电子整机的需要和发展。由于各类电子设备、仪器仪表的功能不同,其总体结构和组装要求也往往不尽相同。因此,集成电路封装必须多种多样,才足以满足各种整机的需要。

集成电路封装是伴随集成电路的发展而前进的。随着宇航、航空、机械、轻工、化工等各个行业的不断发展,整机也向着多功能、小型化方向变化。这样,就要求集成电路的集成度越来越高,功能越来越复杂。相应地要求集成电路封装密度越来越大,引线数越来越多,而体积越来越小,重量越来越轻,更新换代越来越快,封装结构的合理性和科学性将直接影响集成电路的质量。因此,对于集成电路的制造者和使用者,除了掌握各类集成电路的性能参数和识别引线排列外,还要对集成电路各种封装的外形尺寸、公差配合、结构特点和封装材料等知识有一个系统的认识和了解。以便使集成电路制造者不因选用封装不当而降低集成电路性能;也使集成电路使用者在采用集成电路进行征集设计和组装时,合理进行平面布局、空间占用,做到选型恰当、应用合理。

为什么要对芯片进行封装?

任何事物都有其存在的道理,芯片封装的意义又体现在哪里呢?从业内普遍认识来看,芯片封装主要具备以下四个方面的作用:固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和增强散热。下面我们就这四方面做一个简单描述。

集成电路封装技术分析及工艺流程

1.固定引脚系统

要让芯片正常工作,就必须与外部设备进行数据交换,而封装最重要的意义便体现在这里。当然,我们不可能将芯片内的引脚直接与电路板等连接,因为这部分金属线相当细,通常情况下小于1.5微米(μm),而且多数情况下只有1.0微米。但通过封装以后,将外部引脚用金属与内部引脚焊接起来,芯片便可以通过外部引脚间接地与电路板连接以起到数据交换的作用。

外部引脚系统通常使用两种不同的合金——铁合金及铜合金,前者可用于高强度以及高稳定性的场合,而后者具有导电性和导热性较好的优势。具体选用何种引脚系统可根据实际情况来定。

2. 物理性保护芯片通过封装以后可以免受微粒等物质的污染和外界对它的损害。实现物理性保护的主要方法是将芯片固定于一个特定的芯片安装区域,并用适当的封装外壳将芯片、芯片连线以及相关引脚封闭起来,从而达到保护的目的。应用领域的不同,对于芯片封装的等级要求也不尽相同,当然,消费类产品要求最低。

集成电路封装技术分析及工艺流程

3.环境性保护

封装的另一个作用便是对芯片的环境性保护,可以让芯片免受湿气等其他可能干扰芯片正常功能的气体对它正常工作产生不良影响。

4. 增强散热

众所周知,所有半导体产品在工作的时候都会产生热量,而当热量达到一定限度的时候便会影响芯片正常工作。而封装体的各种材料本身就可以带走一部分热量。当然,对于大多数发热量大的芯片,除了通过封装材料进行降温以外,还需要考虑在芯片上额外安装一个金属散热片或风扇以达到更好的散热效果。

作用

集成电路封装不仅起到集成电路芯片内键合点与外部进行电气连接的作用,也为集成电路芯片提供了一个稳定可靠的工作环境,对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用,从而集成电路芯片能够发挥正常的功能,并保证其具有高稳定性和可靠性。总之,集成电路封装质量的好坏,对集成电路总体的性能优劣关系很大。因此,封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。

虽然IC的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大,但是IC封装的作用和功能却差别不大,封装的目的也相当的一致。作为“芯片的保护者”,封装起到了好几个作用,归纳起来主要有两个根本的功能:

(1)保护芯片,使其免受物理损伤。

(2)重新分布I/O,获得更易于在装配中处理的引脚节距。封装还有其他一些次要的作用,比如提供一种更易于标准化的结构,为芯片提供散热通路,使芯片避免产生α粒子造成的软错误,以及提供一种更方便于测试和老化试验的结构。封装还能用于多个IC的互连。可以使用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。或者也可用封装提供的互连通路,如混合封装技术、多芯片组件(MCM)、系统级封装(SiP)以及更广泛的系统体积小型化和互连(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互连通路,来间接地进行互连。集成电路封装技术分析及工艺流程

随着微电子机械系统(MEMS)器件和片上实验室(lab-on-chip)器件的不断发展,封装起到了更多的作用:如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和大气环境的要求。人们还日益关注并积极投身于光电子封装的研究,以满足这一重要领域不断发展的要求。最近几年人们对IC封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大的转变,IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。这是因为在很多情况下,IC的性能受到IC封装的制约,因此,人们越来越注重发展IC封装技术以迎接新的挑战。

折叠封装形式

集成电路发展初期,其封装主要是在半导体晶体管的金属圆形外壳基础上增加外引线数而形成的。但金属圆形外壳的引线数受结构的限制不可能无限增多,而且这种封装引线过多时也不利于集成电路的测试和安装,从而出现了扁平式封装。而扁平式封装不易焊接,随着波峰焊技术的发展又出现了双列式封装。由于军事技术的发展和整机小型化的需要,集成电路的封装又有了新的变化,相继产生了片式载体封装、四面引线扁平封装、针栅阵列封装、载带自动焊接封装等。同时,为了适应集成电路发展的需要,还出现了功率型封装、混合集成电路封装以及适应某些特定环境和要求的恒温封装、抗辐照封装和光电封装。并且各类封装逐步形成系列,引线数从几条直到上千条,已充分满足集成电路发展的需要。

折叠封装材料

如上所述,集成电路封装的作用之一就是对芯片进行环境保护,避免芯片与外部空气接触。因此必须根据不同类别的集成电路的特定要求和使用场所,采取不同的加工方法和选用不同的封装材料,才能保证封装结构气密性达到规定的要求。集成电路早期的封装材料是采用有机树脂和蜡的混合体,用充填或灌注的方法来实现封装的,显然可靠性很差。也曾应用橡胶来进行密封,由于其耐热、耐油及电性能都不理想而被淘汰。使用广泛、性能最为可靠的气密密封材料是玻璃-金属封接、陶瓷-金属封装和低熔玻璃-陶瓷封接。处于大量生产和降低成本的需要,塑料模型封装已经大量涌现,它是以热固性树脂通过模具进行加热加压来完成的,其可靠性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件,但由于其耐热性较差和具有吸湿性,还不能与其他封接材料性能相当,尚属于半气密或非气密的封接材料。

随着芯片技术的成熟和芯片成品率的迅速提高,后部封接成本占整个集成电路成本的比重也愈来愈大,封装技术的变化和发展日新月异,令人目不暇接。

究竟集成电路封装形式有哪几种?

一、SOP小外形封装

SOP,也可以叫做SOL和DFP,是一种很常见的元器件形式。同时也是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。封装材料分塑料和陶瓷两种。始于70年代末期。

SOP封装的应用范围很广,除了用于存储器LSI外,还输入输出端子不超过10-40的领域里,SOP都是普及最广泛的表面贴装封装。后来,为了适应生产的需要,也逐渐派生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封装。

二、PGA插针网格阵列封装

PGA芯片封装形式常见于微处理器的封装,一般是将集成电路(IC)包装在瓷片内,瓷片的底部是排列成方形的插针,这些插针就可以插入获焊接到电路板上对应的插座中,非常适合于需要频繁插波的应用场合。对于同样管脚的芯片,PGA封装通常要比过去常见的双列直插封装需用面积更小。

PGA封装具有插拨操作更方便,可靠性高及可适应更高的频率的特点,早期的奔腾芯片、InTel系列CPU中的80486和PenTIum、PenTIum Pro均采用这种封装形式。

三、BGA球栅阵列封装

BGA封装是从插PGA插针网格阵列改良而来,是一种将某个表面以格状排列的方式覆满引脚的封装法,在运作时即可将电子讯号从集成电路上传导至其所在的印刷电路板。在BGA封装下,在封装底部处引脚是由球所取代,这些锡球可以手动或透过自动化机器配置,并透过助焊剂将它们定位。

BGA封装能提供比其他如双列直插封装或四侧引脚扁平封装所容纳更多的接脚,整个装置的地步表面可作为接脚使用,比起周围限定的封装类型还能具有更短的平均导线长度,以具备更加的高速效能。

四、DIP双列直插式封装

所谓DIP双列直插式封装,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。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中的8088就采用这种封装形式,缓存(Cache)和早期的内存芯片业是这种封装形式。

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