《集成電路封裝技術》PPT課件.ppt

1 集成電路封裝技術清華大學微電子所賈松良Tel 62781852Fax 62771130Email jiasl 2005年6月12日 2 目錄一 中國將成為世界半導體封裝業(yè)的重要基地二 IC封裝的作用和類型三 IC封裝的發(fā)展趨勢四 IC封裝的基本工藝五 幾種新穎封裝BGA CSP WLP六 封裝的選擇和設計七 微電子封裝縮略詞 3 一 中國將成為世界半導體封裝業(yè)的重要基地之一1 世界半導體工業(yè)仍在高速發(fā)展 4 2 中國是目前世界上半導體工業(yè)發(fā)展最快的國家之一 近幾年的產值平均年增長率在30 以上 世界10 5 3 中國國內半導體元器件的市場很大中國已成為除美 日外 世界第三大電子信息產品制造國 2010年后為第二 據美國半導體行業(yè)協(xié)會 SIA 預測 中國電子產品的生產值將從2002年的1300億美元上升到2006年的2520億美元 四年內將翻一番 元器件采購值四年內將增長約三倍 從2002年的350億美元上升到2006年的1000億美元 6 4 中國是半導體器件的消費 大國 生產 小國 半導體器件生產發(fā)展的市場余地很大 2000年中國消耗的半導體占世界半導體市場份額的6 9 生產的半導體只占世界產值的1 2 2004年占3 7 2002年中國消耗的半導體占世界半導體市場份額的14 4 生產的半導體只占世界產值的1 8 中國所消費的半導體產品中85 依靠進口 廣闊的市場 就地生產 降低成本 搶占中國市場 及2000年6月18號文件提供的優(yōu)惠政策是吸引外資 快速發(fā)展中國半導體產業(yè)的主要因素 7 5 封裝測試業(yè)已成為中國最大的半導體產業(yè) 2003年 封裝測試業(yè)產值占70 晶圓制造業(yè)產值占17 設計業(yè)產值占13 8 6 2002年全球排名前十位的半導體公司大都將在中國建立封裝測試廠 9 世界上一些著名封裝廠也都來大陸建廠 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大型封裝測試廠Intel 中芯國際 友尼森 Unisem 10 8 2004年大陸前十名產值的封裝測試廠 11 9 中國將進入世界半導體封裝產業(yè)的第四或第二位 世界半導體封裝業(yè)產值分布和產值名次排序 12 由上表可知 半導體封裝產業(yè)主要在東亞和東南亞 半導體封裝產值最大的是日本和馬來西亞 2001年中國封裝產值排在第七位 到2006年有可能進入并列第四位 13 二 集成電路 IC 封裝的作用和類型1 IC封裝的定義 IC的封裝是微電子器件的兩個基本組成部分之一 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 機械支撐 機械和環(huán)境保護及導熱通道 14 2 封裝的分級零級封裝 芯片上的互連 一級封裝 器件級封裝 二級封裝 PCB PWB 級封裝 三級封裝 分機柜內母板的組裝 四級封裝 分機柜 我們這里討論的封裝是指 一級封裝 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 信號分配 電源分配 熱耗散 使結溫處于控制范圍之內 防護 對器件的芯片和互連進行機械 電磁 化學等方面的防護 17 18 圖2封裝的四種主要功能 19 4 IC封裝的主要類型 IC的封裝按照器件使用時的組裝方式可分為 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氣密封裝 金屬或陶瓷封裝可用于 嚴酷的環(huán)境條件 如軍用 宇航等 而塑封只能用于 不太嚴酷 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 按引線形狀無引線 焊點 焊盤有引線 23 24 圖3一級封裝的類型 25 IC封裝的生命周期 圖4上世紀末集成電路封裝的生命周期 26 目前世界上產量較多的幾類封裝SOP55 57 PDIP14 QFP PLCC 12 BGA4 5 27 三 IC封裝的發(fā)展趨勢1 IC封裝產量仍以平均4 5年一個增長周期在增長 2000年是增長率最高的一年 15 以上 2001年和2002年的增長率都較小 半導體工業(yè)可能以 三年養(yǎng)五年 28 圖5集成電路封裝產量和年增長率發(fā)展趨勢 29 2 技術發(fā)展趨勢 芯片封裝工藝 從逐個管芯封裝到出現了圓片級封裝 即先將圓片劃片成小管芯 再逐個封裝成器件 到在圓片上完成封裝劃片后就成器件 芯片與封裝的互連 從引線鍵合 WB 向倒裝焊 FC 轉變 微電子封裝和PCB板之間的互連 已由通孔插裝 PTH 為主轉為表面安裝 SMT 為主 30 封裝密度正愈來愈高封裝密度的提高體現在下列三方面 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 見表1 封裝的高度不斷降低 見表2 引線節(jié)距不斷縮小 見表3 引線布置從封裝的兩側發(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密度都大大提高 國際上IC封裝的發(fā)展趨勢如表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 引線節(jié)距縮小的趨勢 35 圖7引線節(jié)距的發(fā)展趨勢 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 高于引線拱高 芯片厚度 0 2 0 3mm 下包封體 包括芯片焊盤 芯片粘接層厚度 包封體 防潮 防塵 防輻射等環(huán)境保護 機械保護 38 39 晶體管封裝外形也可用于IC封裝 SOT23 6L SOT23 8L 最小的8引線封裝US8 內裝3個緩沖反相器 其大小為寬 長 高2 0 3 1 1 0mm 相當于一粒大米 40 各類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 引線框架式封裝PCB基板PBGA WB 引線鍵合 FC 倒裝芯片 載帶 TAB 載帶自動焊 圓片級封裝WLPDIP SOP QFP PLCC等主要都是塑料封裝 43 1 模塑封裝的優(yōu)缺點目前IC產品中模塑封裝約占95 因為它有許多優(yōu)點 優(yōu)點 材料品種少 引線框架 模塑料等成本低廉 加工簡便 一次模塑成型只氣密封裝的 生產效率高 適合于自動化大生產 1 3 1 5一次注模成型即可封幾百個 上千個 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 主要設備 芯片減薄機劃片機 粘片機 壓焊機引線框架條注塑機 油壓機 高頻預熱機 金絲電鍍線 外引線鍍Sn 包封模切筋 打彎 成形機芯片粘接劑打印 包裝設備 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 摻銀或不摻銀有機粘接劑 4 摻銀玻璃漿料 49 引線鍵合 WB 93 以上是用Au絲球形 楔形鍵合金絲鍵合 球焊 楔焊 過程示意圖焊點形狀 芯片上采用 球焊 底座引線上采用 楔形焊 Au Al間接觸面 可靠性 焊接溫度 引線方向向上 50 a 球焊 51 b 楔形焊 圖11金絲球焊和楔形焊引線鍵合過程示意圖 52 引線鍵合后形貌圖 非平面 窄節(jié)距 大跨度 53 五 幾類新穎封裝 BGA CSP WLP 1 BGA焊球陳列封裝定義BGA BallGridArray的縮寫符號 焊球陣列一種IC的封裝 其外引線為焊球或焊凸點 它們成陣列分布于封裝的底平面上 見圖14 54 2 BGA的分類 按基板和封裝外形 多層陶瓷基板 CBGA 帶蓋板密封型 或點膠密封 倒裝焊裸芯片 非密封型 有機基板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 采用表面陽極氧化鋁基板 單層或雙層薄膜金屬實現封裝內互連 各種BGA剖面結構見附 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 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 它是由現有的多種封裝形式派生的 外形尺寸相當于或稍大于芯片的 各種小型封裝的總稱 它不是以結構形式來定義的封裝 各類 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 焊盤 框架引線 品種形式已有50種以上 詳見 芯片尺寸封裝 一書 66 2 CSP分類主要按基板材料來分 有機基板 PCB 陶瓷基板 載帶基板 金屬引線框架等同一類基板 又可分 芯片面向上 WB 引線鍵合 內互連 芯片面向下FC 倒裝芯片 內互連 67 68 幾種典型的芯片尺寸封裝 69 圖18CSP的主要類型 70 主要產品為塑封有機基板 71 72 73 圖18幾類芯片尺寸封裝結構示意圖 74 3 JEDEC中的CSP標準 已有14個 比BGA 8個 多 名稱上采用了 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 無引線封裝 SON 4個 焊點節(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 S R 焊球直徑有 0 17 0 30 0 40 0 45 0 50mm 焊盤尺寸有 0 40 0 70 0 30 0 50 0 35 0 70mm2 多數取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 多數取1 20mm 75 4 WLP圓片級封裝1 概述 因為圓片級封裝的芯片面積和封裝面積之比Sd Sp 1 所以也稱為圓片級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 全在完成前工序后的硅圓片上完成 然后再分割成獨立的器件 目前已有這類獨立的封裝廠 它不同于通常的后封裝生產 圓片 分割成芯片 管芯 再封裝 因為是圓片級加工 故封裝加工效率提高 封裝厚度 tsi t焊點 減小 封裝所占PCB面積 S芯片 76 加工成本高 因為設備貴 設備類似與前工序 需濺射 蒸發(fā) 光刻等設備 現在正在開發(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 焊柱 焊盤 因為引出端只能在芯片內擴展 因此主要是用于低到中等引出端數器件 采用窄節(jié)距凸點時 引出端數也可多達500以上 77 78 79 六 集成電路外殼的選擇 一 基本選擇原則1 根據器件產品的基本屬性 外殼性能應符合器件產品的要求 產品的市場應用分類 80 性能要求 安裝方式 引腳的形式和布置位置 引出端數 幾何尺寸 外形 形狀 尺寸 內腔尺寸 電性能 Imax C L R串 R絕緣 電連接 電源 地分配 信號I O分配 可焊性 芯片 內外引線 等 81 82 熱性能 熱阻RT 最大耗散功率Pcm 最高工作結溫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 環(huán)境和可靠性試驗等級氣密性 振動 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 經濟效益高 性能 價格比高 時效好 性能 效益間需折衷考慮 83 各類封裝的價格比 1999年 84 二 具體選擇原則 1 產品等級 軍品 氣密封裝 應選陶瓷或金屬外殼 民品 非氣密封裝 選塑料封裝 或準氣密性 軍品要符合我國國軍標GJB548A要求或美軍標MIL STD883E要求 對軍品外殼有一系列嚴格的試驗程序 其價格是民品的2 10倍 需特殊設計 不能簡單從民品中挑選 85 工作溫度范圍 86 87 引腳分布 注意有關標準 一般No 1引出端附近有標記 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 一塊隨機邏輯PCB 或一塊獨立的邏輯IC 其I O端點數n與該系統(tǒng) 或PCB 或單塊邏輯電路 所包含的輯門邏數g存在下列關系 n agb其中a b為與所用元件 產品和系統(tǒng)設計有關的常數 通常a 1 b 1 Bell實驗室的研究表明 符合他們的Rent定律為 n 4 5g0 5 1981年前后 Unisys的門陣列邏輯電路為 n 2 2g0 6 89 電源 包括 地 端 引出端數也與電路技術有關 Bell的樣品為 m 電源的引出端數 n 4 n 5對于電源引出端數m還要考慮 引線上的直流壓降 噪聲容限 尤其對高速電路 即要考慮R串 L串 C的作用 N m nRent定律只是對邏輯系統(tǒng) 與模擬電路無關 90 4 封裝內腔的選擇 同一引出端數的外殼 可以具有不同大小的內腔 同樣引出端數的陶瓷外殼 外形的長度 厚度和腔深可都不相同 內腔的長 寬和外形寬度通常有三種 以適應MSI LSI VLSI芯片不同的要求 見表5 33和表5 34SEMI標準資料 GDI