《集成電路封裝技術(shù)》PPT課件.ppt

1 集成電路封裝技術(shù)清華大學(xué)微電子所賈松良Tel 62781852Fax 62771130Email jiasl 2005年6月12日 2 目錄一 中國(guó)將成為世界半導(dǎo)體封裝業(yè)的重要基地二 IC封裝的作用和類(lèi)型三 IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)四 IC封裝的基本工藝五 幾種新穎封裝BGA CSP WLP六 封裝的選擇和設(shè)計(jì)七 微電子封裝縮略詞 3 一 中國(guó)將成為世界半導(dǎo)體封裝業(yè)的重要基地之一1 世界半導(dǎo)體工業(yè)仍在高速發(fā)展 4 2 中國(guó)是目前世界上半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展最快的國(guó)家之一 近幾年的產(chǎn)值平均年增長(zhǎng)率在30 以上 世界10 5 3 中國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體元器件的市場(chǎng)很大中國(guó)已成為除美 日外 世界第三大電子信息產(chǎn)品制造國(guó) 2010年后為第二 據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) SIA 預(yù)測(cè) 中國(guó)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)值將從2002年的1300億美元上升到2006年的2520億美元 四年內(nèi)將翻一番 元器件采購(gòu)值四年內(nèi)將增長(zhǎng)約三倍 從2002年的350億美元上升到2006年的1000億美元 6 4 中國(guó)是半導(dǎo)體器件的消費(fèi) 大國(guó) 生產(chǎn) 小國(guó) 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)發(fā)展的市場(chǎng)余地很大 2000年中國(guó)消耗的半導(dǎo)體占世界半導(dǎo)體市場(chǎng)份額的6 9 生產(chǎn)的半導(dǎo)體只占世界產(chǎn)值的1 2 2004年占3 7 2002年中國(guó)消耗的半導(dǎo)體占世界半導(dǎo)體市場(chǎng)份額的14 4 生產(chǎn)的半導(dǎo)體只占世界產(chǎn)值的1 8 中國(guó)所消費(fèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)品中85 依靠進(jìn)口 廣闊的市場(chǎng) 就地生產(chǎn) 降低成本 搶占中國(guó)市場(chǎng) 及2000年6月18號(hào)文件提供的優(yōu)惠政策是吸引外資 快速發(fā)展中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要因素 7 5 封裝測(cè)試業(yè)已成為中國(guó)最大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 2003年 封裝測(cè)試業(yè)產(chǎn)值占70 晶圓制造業(yè)產(chǎn)值占17 設(shè)計(jì)業(yè)產(chǎn)值占13 8 6 2002年全球排名前十位的半導(dǎo)體公司大都將在中國(guó)建立封裝測(cè)試廠(chǎng) 9 世界上一些著名封裝廠(chǎng)也都來(lái)大陸建廠(chǎng) 日月光 上海 矽品科技 SPIL 蘇州 飛索 蘇州 Amkor 安考 上海 最近在成都將建三個(gè)大型封裝測(cè)試廠(chǎng)Intel 中芯國(guó)際 友尼森 Unisem 10 8 2004年大陸前十名產(chǎn)值的封裝測(cè)試廠(chǎng) 11 9 中國(guó)將進(jìn)入世界半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)的第四或第二位 世界半導(dǎo)體封裝業(yè)產(chǎn)值分布和產(chǎn)值名次排序 12 由上表可知 半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)主要在東亞和東南亞 半導(dǎo)體封裝產(chǎn)值最大的是日本和馬來(lái)西亞 2001年中國(guó)封裝產(chǎn)值排在第七位 到2006年有可能進(jìn)入并列第四位 13 二 集成電路 IC 封裝的作用和類(lèi)型1 IC封裝的定義 IC的封裝是微電子器件的兩個(gè)基本組成部分之一 芯片 管芯 封裝 外殼 微電子器件chip die packagepackagingdevice封裝給管芯 芯片 和印制電路板 PWB 之間提供電互連 機(jī)械支撐 機(jī)械和環(huán)境保護(hù)及導(dǎo)熱通道 14 2 封裝的分級(jí)零級(jí)封裝 芯片上的互連 一級(jí)封裝 器件級(jí)封裝 二級(jí)封裝 PCB PWB 級(jí)封裝 三級(jí)封裝 分機(jī)柜內(nèi)母板的組裝 四級(jí)封裝 分機(jī)柜 我們這里討論的封裝是指 一級(jí)封裝 即IC器件的封裝 15 圖1常規(guī)組合的電路封裝 16 3 封裝的基本功能 信號(hào)分配 電源分配 熱耗散 使結(jié)溫處于控制范圍之內(nèi) 防護(hù) 對(duì)器件的芯片和互連進(jìn)行機(jī)械 電磁 化學(xué)等方面的防護(hù) 17 18 圖2封裝的四種主要功能 19 4 IC封裝的主要類(lèi)型 IC的封裝按照器件使用時(shí)的組裝方式可分為 通孔插裝式PTH Pinthroughhole 表面安裝式SMT Sufacemounttechnology 目前表面安裝式封裝已占IC封裝總量的80 以上 20 按主要使用材料來(lái)分 有 裸芯片金屬封裝陶瓷封裝1 2 塑料封裝 92 21 歷史的發(fā)展過(guò)程 最早是金屬封裝 然后是陶瓷封裝 最后是塑料封裝 性能分 金屬和陶瓷封裝是氣密封裝 塑料封裝是非氣密或準(zhǔn)氣密封裝 金屬或陶瓷封裝可用于 嚴(yán)酷的環(huán)境條件 如軍用 宇航等 而塑封只能用于 不太嚴(yán)酷 的環(huán)境 金屬 陶瓷封裝是 空封 封裝不與芯片表面接觸 塑封是 實(shí)封 金屬封裝目前主要用于大功率的混合集成電路 HIC 部分軍品及需空封器件 22 按引線(xiàn)形狀無(wú)引線(xiàn) 焊點(diǎn) 焊盤(pán)有引線(xiàn) 23 24 圖3一級(jí)封裝的類(lèi)型 25 IC封裝的生命周期 圖4上世紀(jì)末集成電路封裝的生命周期 26 目前世界上產(chǎn)量較多的幾類(lèi)封裝SOP55 57 PDIP14 QFP PLCC 12 BGA4 5 27 三 IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)1 IC封裝產(chǎn)量仍以平均4 5年一個(gè)增長(zhǎng)周期在增長(zhǎng) 2000年是增長(zhǎng)率最高的一年 15 以上 2001年和2002年的增長(zhǎng)率都較小 半導(dǎo)體工業(yè)可能以 三年養(yǎng)五年 28 圖5集成電路封裝產(chǎn)量和年增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì) 29 2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 芯片封裝工藝 從逐個(gè)管芯封裝到出現(xiàn)了圓片級(jí)封裝 即先將圓片劃片成小管芯 再逐個(gè)封裝成器件 到在圓片上完成封裝劃片后就成器件 芯片與封裝的互連 從引線(xiàn)鍵合 WB 向倒裝焊 FC 轉(zhuǎn)變 微電子封裝和PCB板之間的互連 已由通孔插裝 PTH 為主轉(zhuǎn)為表面安裝 SMT 為主 30 封裝密度正愈來(lái)愈高封裝密度的提高體現(xiàn)在下列三方面 硅片的封裝效率 硅芯片面積 封裝所占印制板面積 Sd Sp不斷提高 見(jiàn)表1 封裝的高度不斷降低 見(jiàn)表2 引線(xiàn)節(jié)距不斷縮小 見(jiàn)表3 引線(xiàn)布置從封裝的兩側(cè)發(fā)展到封裝的四周 到封裝的底面 這樣使單位封裝體積的硅密度和引線(xiàn)密度都大大提高 國(guó)際上IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)如表4所示 31 圖6單芯片封裝向多芯片封裝的演變 32 表1 硅片封裝效率的提高 33 表2 封裝厚度的變化 34 表3 引線(xiàn)節(jié)距縮小的趨勢(shì) 35 圖7引線(xiàn)節(jié)距的發(fā)展趨勢(shì) 36 圖8封裝厚度比較 37 除非裸芯片 很難使封裝體厚度tp小于0 5mm tp 上包封體 高于引線(xiàn)拱高 芯片厚度 0 2 0 3mm 下包封體 包括芯片焊盤(pán) 芯片粘接層厚度 包封體 防潮 防塵 防輻射等環(huán)境保護(hù) 機(jī)械保護(hù) 38 39 晶體管封裝外形也可用于IC封裝 SOT23 6L SOT23 8L 最小的8引線(xiàn)封裝US8 內(nèi)裝3個(gè)緩沖反相器 其大小為寬 長(zhǎng) 高2 0 3 1 1 0mm 相當(dāng)于一粒大米 40 各類(lèi)封裝在封裝總量中所占的比例和IC封裝引出端的分布如表4 表5所示 表4 各類(lèi)封裝在封裝總量中所占的份額 41 表5 集成電路封裝引出端數(shù)的分布范圍 42 四 集成電路的基本組 封 裝工藝不同的封裝使用的封裝工藝是不同的 金屬封裝陶瓷封裝塑料封裝 引線(xiàn)框架式封裝PCB基板PBGA WB 引線(xiàn)鍵合 FC 倒裝芯片 載帶 TAB 載帶自動(dòng)焊 圓片級(jí)封裝WLPDIP SOP QFP PLCC等主要都是塑料封裝 43 1 模塑封裝的優(yōu)缺點(diǎn)目前IC產(chǎn)品中模塑封裝約占95 因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 材料品種少 引線(xiàn)框架 模塑料等成本低廉 加工簡(jiǎn)便 一次模塑成型只氣密封裝的 生產(chǎn)效率高 適合于自動(dòng)化大生產(chǎn) 1 3 1 5一次注模成型即可封幾百個(gè) 上千個(gè) 重量輕 體積小 有利于小型化和SMT 44 45 2 模塑封裝的主要工藝流程 46 圖10塑料封裝工藝框圖 47 主要材料 主要設(shè)備 芯片減薄機(jī)劃片機(jī) 粘片機(jī) 壓焊機(jī)引線(xiàn)框架條注塑機(jī) 油壓機(jī) 高頻預(yù)熱機(jī) 金絲電鍍線(xiàn) 外引線(xiàn)鍍Sn 包封模切筋 打彎 成形機(jī)芯片粘接劑打印 包裝設(shè)備 48 管芯鍵合 粘片 DB 1 金基或錫基焊料燒接 2 金硅 銀硅直接共晶粘接 400 410 3 摻銀或不摻銀有機(jī)粘接劑 4 摻銀玻璃漿料 49 引線(xiàn)鍵合 WB 93 以上是用Au絲球形 楔形鍵合金絲鍵合 球焊 楔焊 過(guò)程示意圖焊點(diǎn)形狀 芯片上采用 球焊 底座引線(xiàn)上采用 楔形焊 Au Al間接觸面 可靠性 焊接溫度 引線(xiàn)方向向上 50 a 球焊 51 b 楔形焊 圖11金絲球焊和楔形焊引線(xiàn)鍵合過(guò)程示意圖 52 引線(xiàn)鍵合后形貌圖 非平面 窄節(jié)距 大跨度 53 五 幾類(lèi)新穎封裝 BGA CSP WLP 1 BGA焊球陳列封裝定義BGA BallGridArray的縮寫(xiě)符號(hào) 焊球陣列一種IC的封裝 其外引線(xiàn)為焊球或焊凸點(diǎn) 它們成陣列分布于封裝的底平面上 見(jiàn)圖14 54 2 BGA的分類(lèi) 按基板和封裝外形 多層陶瓷基板 CBGA 帶蓋板密封型 或點(diǎn)膠密封 倒裝焊裸芯片 非密封型 有機(jī)基板BGA 多層PCB基板 模塑包封BGA PBGA 多層載帶基板 金屬蓋板BGA TBGA 金屬基板BGA MBGA 采用表面陽(yáng)極氧化鋁基板 單層或雙層薄膜金屬實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)互連 各種BGA剖面結(jié)構(gòu)見(jiàn)附 圖14 各種小型或超小型BGA則屬CSP 55 56 IBM的SRAM芯片 FC PBGA 57 a 58 b 59 c 60 d 61 62 模塑壓力機(jī) 63 64 65 芯片尺寸封裝CSPCSP ChipScalePackage 芯片尺寸封裝 1 定義 IC封裝所占PCB面積 1 2倍 或1 5倍或2倍 芯片面積的多種封裝形式的統(tǒng)稱(chēng) 它是由現(xiàn)有的多種封裝形式派生的 外形尺寸相當(dāng)于或稍大于芯片的 各種小型封裝的總稱(chēng) 它不是以結(jié)構(gòu)形式來(lái)定義的封裝 各類(lèi) BGA MiniBGA FBGA 節(jié)距 0 5mm 都可屬于CSP 外引腳都在封裝體的下面 但可為 焊球 焊凸點(diǎn) 焊盤(pán) 框架引線(xiàn) 品種形式已有50種以上 詳見(jiàn) 芯片尺寸封裝 一書(shū) 66 2 CSP分類(lèi)主要按基板材料來(lái)分 有機(jī)基板 PCB 陶瓷基板 載帶基板 金屬引線(xiàn)框架等同一類(lèi)基板 又可分 芯片面向上 WB 引線(xiàn)鍵合 內(nèi)互連 芯片面向下FC 倒裝芯片 內(nèi)互連 67 68 幾種典型的芯片尺寸封裝 69 圖18CSP的主要類(lèi)型 70 主要產(chǎn)品為塑封有機(jī)基板 71 72 73 圖18幾類(lèi)芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)示意圖 74 3 JEDEC中的CSP標(biāo)準(zhǔn) 已有14個(gè) 比BGA 8個(gè) 多 名稱(chēng)上采用了 窄節(jié)距 焊球陣列 FBGA 薄型 超薄型 小尺寸 窄節(jié)距BGA和薄 超小型 無(wú)引線(xiàn)封裝 SON 4個(gè) 焊點(diǎn)節(jié)距范圍為 0 40 0 50 0 65 0 75 0 80 1 00mm CSP與BGA的根本區(qū)別在于封裝面積和芯片面積之比SP Sd 1 2 而不在于節(jié)距 0 5mm 正方形和矩形分立為兩類(lèi) S R 焊球直徑有 0 17 0 30 0 40 0 45 0 50mm 焊盤(pán)尺寸有 0 40 0 70 0 30 0 50 0 35 0 70mm2 多數(shù)取0 30 0 50mm2 封裝總體高度有 0 5 0 8 0 9 0 95 1 00 1 20 1 70mm等 多數(shù)取1 20mm 75 4 WLP圓片級(jí)封裝1 概述 因?yàn)閳A片級(jí)封裝的芯片面積和封裝面積之比Sd Sp 1 所以也稱(chēng)為圓片級(jí)CSP WL CSP 主要特征為 管芯的外引出端制作及包封 如果有的話(huà) 全在完成前工序后的硅圓片上完成 然后再分割成獨(dú)立的器件 目前已有這類(lèi)獨(dú)立的封裝廠(chǎng) 它不同于通常的后封裝生產(chǎn) 圓片 分割成芯片 管芯 再封裝 因?yàn)槭菆A片級(jí)加工 故封裝加工效率提高 封裝厚度 tsi t焊點(diǎn) 減小 封裝所占PCB面積 S芯片 76 加工成本高 因?yàn)樵O(shè)備貴 設(shè)備類(lèi)似與前工序 需濺射 蒸發(fā) 光刻等設(shè)備 現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)低成本的WLP 引出端材料成分有 PbSn AuSn Au In 引出端形狀有 球 凸點(diǎn) 焊柱 焊盤(pán) 因?yàn)橐龆酥荒茉谛酒瑑?nèi)擴(kuò)展 因此主要是用于低到中等引出端數(shù)器件 采用窄節(jié)距凸點(diǎn)時(shí) 引出端數(shù)也可多達(dá)500以上 77 78 79 六 集成電路外殼的選擇 一 基本選擇原則1 根據(jù)器件產(chǎn)品的基本屬性 外殼性能應(yīng)符合器件產(chǎn)品的要求 產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用分類(lèi) 80 性能要求 安裝方式 引腳的形式和布置位置 引出端數(shù) 幾何尺寸 外形 形狀 尺寸 內(nèi)腔尺寸 電性能 Imax C L R串 R絕緣 電連接 電源 地分配 信號(hào)I O分配 可焊性 芯片 內(nèi)外引線(xiàn) 等 81 82 熱性能 熱阻RT 最大耗散功率Pcm 最高工作結(jié)溫Tjm 耐溫度范圍 工作溫度 貯存溫度 耐熱沖擊 溫度循環(huán)的等級(jí) 環(huán)境和可靠性試驗(yàn)等級(jí)氣密性 振動(dòng) 沖擊 離心老煉篩選 雙85 85 85 RH 性能基本符合要求 并有一定冗余和較高的成品率 2 經(jīng)濟(jì)效益高 性能 價(jià)格比高 時(shí)效好 性能 效益間需折衷考慮 83 各類(lèi)封裝的價(jià)格比 1999年 84 二 具體選擇原則 1 產(chǎn)品等級(jí) 軍品 氣密封裝 應(yīng)選陶瓷或金屬外殼 民品 非氣密封裝 選塑料封裝 或準(zhǔn)氣密性 軍品要符合我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB548A要求或美軍標(biāo)MIL STD883E要求 對(duì)軍品外殼有一系列嚴(yán)格的試驗(yàn)程序 其價(jià)格是民品的2 10倍 需特殊設(shè)計(jì) 不能簡(jiǎn)單從民品中挑選 85 工作溫度范圍 86 87 引腳分布 注意有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 一般No 1引出端附近有標(biāo)記 V V G 地 有些傳統(tǒng)分布 88 Rent定律 60年代中 IBM公司提出 在一定的邏輯系統(tǒng)中 一塊隨機(jī)邏輯PCB 或一塊獨(dú)立的邏輯IC 其I O端點(diǎn)數(shù)n與該系統(tǒng) 或PCB 或單塊邏輯電路 所包含的輯門(mén)邏數(shù)g存在下列關(guān)系 n agb其中a b為與所用元件 產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的常數(shù) 通常a 1 b 1 Bell實(shí)驗(yàn)室的研究表明 符合他們的Rent定律為 n 4 5g0 5 1981年前后 Unisys的門(mén)陣列邏輯電路為 n 2 2g0 6 89 電源 包括 地 端 引出端數(shù)也與電路技術(shù)有關(guān) Bell的樣品為 m 電源的引出端數(shù) n 4 n 5對(duì)于電源引出端數(shù)m還要考慮 引線(xiàn)上的直流壓降 噪聲容限 尤其對(duì)高速電路 即要考慮R串 L串 C的作用 N m nRent定律只是對(duì)邏輯系統(tǒng) 與模擬電路無(wú)關(guān) 90 4 封裝內(nèi)腔的選擇 同一引出端數(shù)的外殼 可以具有不同大小的內(nèi)腔 同樣引出端數(shù)的陶瓷外殼 外形的長(zhǎng)度 厚度和腔深可都不相同 內(nèi)腔的長(zhǎng) 寬和外形寬度通常有三種 以適應(yīng)MSI LSI VLSI芯片不同的要求 見(jiàn)表5 33和表5 34SEMI標(biāo)準(zhǔn)資料 GDI