集成電路芯片封裝

1、電子封裝與組裝技術(shù)期末考核 第2頁(yè) 共 10頁(yè)淮 陰 工 學(xué) 院2015-2016學(xué)年第一學(xué)期期末考核學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院課程名稱：電子封裝與組裝技術(shù)課程編號(hào)：1215450專業(yè)層次：電子科學(xué)與技術(shù)（本科）學(xué)時(shí)學(xué)分：32（2）考核方式：考查任課教師：居勇峰布置時(shí)間：2016-11論文題目： 集成電路芯片封裝 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)： 目 錄1 引言11.1集成電路封裝的發(fā)展過(guò)程11.2集成電路封裝類型介紹21.2.1 DIP雙列直插式封裝31.2.2 QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝31.2.3 PGA插針網(wǎng)格陣列封裝31.2.4 BGA球柵陣列封裝42 集成電路芯片封裝技

2、術(shù)簡(jiǎn)介42.1 DIP封裝52.2 芯片載體封裝52.3 BGA封裝63 集成電路封裝工藝63.1 金屬封裝73.2 陶瓷封裝7結(jié) 論7致 謝8參考文獻(xiàn)9集成電路芯片封裝摘要：從上世紀(jì)50年代末開始,經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的無(wú)線電電子技術(shù)正醞釀著一場(chǎng)新的革命。這場(chǎng)革命掀起的緣由是微電子學(xué)和微電子技術(shù)的興起。而這場(chǎng)革命的旋渦中心則是集成電路和以其為基礎(chǔ)的微型電子計(jì)算機(jī)。 集成電路的問(wèn)世,開辟了電子技術(shù)發(fā)展的新天地,而其后大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),則迎來(lái)了世界新技術(shù)革命的曙光。由于集成電路的興起和發(fā)展,創(chuàng)造了在一塊小指甲般大小的硅片上集中數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管的奇跡，使過(guò)去占住整幢大樓的復(fù)雜電子

3、設(shè)備縮小到能放入人們的口袋,從而為人類社會(huì)邁向電子化,自動(dòng)化,智能化和信息化奠定了最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。無(wú)怪乎有人將集成電路和微電子技術(shù)的興起看成是跟火和蒸汽機(jī)的發(fā)明具有同等重要意義的大事。關(guān)鍵詞：集成電路 微電子技術(shù)Integrated Circuit Chips EncapsulationAbstract：From the end of the last century 50's, it has been a new revolution in radio electronic technology, which has been through more than half a ce

4、ntury. The reason this revolution is the rise of microelectronics and microelectronic technology. The center of the revolution of the revolution is the integrated circuit and micro electronic computer based on it.The advent of integrated circuits, opening up new horizons for the development of elect

5、ronic technology, and the emergence of large-scale and ultra large scale integrated circuits, then ushered in the dawn of the new world technology revolution. Because of the rise and development of integrated circuits, the creation of a small size of the chip on a small number of transistors on a ch

6、ip, so that the complex electronic devices used to narrow the entire building into people's pockets, so that the human society towards electronic, automatic, intelligent and information technology has laid the most important material foundation. It is no wonder that some people will of integrate

7、d circuit and microelectronic technology rise as with fire and steam machine of the invention has equally important event.Key word：Integrated circuit Microelectronic technology1 引言從80年代中后期開始,電子產(chǎn) 品正朝著便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展,這種市場(chǎng)需求對(duì)電路組裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求:單位體積信息的提高(高密度化);單位時(shí)間處理速度的 提高(高速化)。為了滿足這些要求,勢(shì)必要提高電路組裝的功能密度,

8、這就成為了促進(jìn)芯片封裝技術(shù)發(fā)展的最重要的因素。半導(dǎo)體器件有許多封裝型式，從DIP、SOP、QPF、PGA、BGA到CSP再到SIP，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，這些都是前人根據(jù)當(dāng)時(shí)的組裝技術(shù)和市場(chǎng)需求而研制的?？傮w說(shuō)來(lái)，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝，極大地提高了印刷電路板上的組裝密度；第二次是在上世紀(jì)90 年代球型矩正封裝的出現(xiàn)，它不但滿足了市場(chǎng)高引腳的需求，而且大大地改善了半導(dǎo)體器件的性能；晶片級(jí)封裝、系統(tǒng)封裝、芯片級(jí)封裝是現(xiàn)在第三次革新的產(chǎn)物，其目的就是將封裝減到最小。每一種封裝都有其獨(dú)特的地方，即其優(yōu)點(diǎn)和不足之處，而所用的封裝材料，

9、封裝設(shè)備，封裝技術(shù)根據(jù)其需要而有所不同。驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體封裝形式不斷發(fā)展的動(dòng)力是其價(jià)格和性能。電子產(chǎn)品是由半導(dǎo)體器件（集成電路和分立器件）、印刷線路板、導(dǎo)線、整機(jī)框架、外殼及顯示等部分組成，其中集成電路是用來(lái)處理和控制信號(hào)，分立器件通常是信號(hào)放大，印刷線路板和導(dǎo)線是用來(lái)連接信號(hào)，整機(jī)框架外殼是起支撐和保護(hù)作用，顯示部分是作為與人溝通的接口。  半導(dǎo)體組裝技術(shù)（Assembly technology）的提高主要體現(xiàn)在它的封裝型式（Package）不斷發(fā)展。通常所指的組裝（Assembly）可定義為：利用膜技術(shù)及微細(xì)連接技術(shù)將半導(dǎo)體芯片（chip） 和框架（Lea

10、d-Frame）或基板（Substrate）或塑料薄片（Film）或印刷線路板中的導(dǎo)體部分連接以便引出接線引腳，并通過(guò)可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。它具有電路連接，物理支撐和保護(hù)，外場(chǎng)屏蔽，應(yīng)力緩沖，散熱，尺寸過(guò)度和標(biāo)準(zhǔn)化的作用。從三極管時(shí)代的插入式封裝以及20世紀(jì)80年代的表面貼裝式封裝，發(fā)展到現(xiàn)在的模塊封裝，系統(tǒng)封裝等等，前人已經(jīng)研究出很多封裝形式，每一種新封裝形式都有可能要用到新材料，新工藝或新設(shè)備。1.1集成電路封裝的發(fā)展過(guò)程近年來(lái)，半導(dǎo)體器件為實(shí)現(xiàn)高功能化和高集成化，使得布線更微細(xì)，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，芯片尺寸大型化。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)高密度安裝，出現(xiàn)了SMT工藝，要求封裝件

11、向小型化薄型化發(fā)展。另一方面為了滿足高功能半導(dǎo)體多引線化的要求還出現(xiàn)了多引線大型封裝。 封裝技術(shù)是一種將集成電路打包的技術(shù)。拿我們常見的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，我們實(shí)際看到的體積和外觀并不是真正的內(nèi)存的大小和面貌，而是內(nèi)存芯片經(jīng)過(guò)打包即封裝后的產(chǎn)品。這種打包對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是必須的，也是至關(guān)重要的。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。 封裝也可以說(shuō)是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、

12、保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁-芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，對(duì)于很多集成電路產(chǎn)品而言，封裝技術(shù)都是非常關(guān)鍵的一環(huán)。 芯片的封裝技術(shù)種類實(shí)在是多種多樣，諸如DIP、QFP、TSOP、BGA、CSP等等，一系列名稱看上去都十分繁雜，其實(shí)，只要弄清芯片封裝發(fā)展的歷程也就不難理解了。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷經(jīng)好幾代的變遷，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來(lái)越接近，適用頻率越來(lái)越高，耐溫性能越來(lái)越好，以及引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等

13、，都是看得見的變化。 電子產(chǎn)品正朝著便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展，這種市場(chǎng)需求對(duì)電路組裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求：?jiǎn)挝惑w積信息的提高（高密度化）；單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）。為了滿足這些要求，勢(shì)必要提高電路組裝的功能密度，這就成為了促進(jìn)芯片封裝技術(shù)發(fā)展的最重要的因素。CPU和其他超大型集成電路在不斷發(fā)展，集成電路的封裝形式也不斷作出相應(yīng)的調(diào)整變化，而封裝形式的進(jìn)步又將反過(guò)來(lái)促進(jìn)芯片技術(shù)向前發(fā)展。從封裝結(jié)構(gòu)可以這樣地歸納封裝的發(fā)展進(jìn)程：TOàDIPàLCCàQFPàTSOPàBGAàCSPàPGA

14、24;LGAàMCMà3D。1.2集成電路封裝類型介紹1.2.1 DIP雙列直插式封裝DIP(DualInline Package)是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過(guò)100個(gè)。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。  DIP封裝具有以下特點(diǎn)： 1.適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。

15、60;2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。 Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式，緩存(Cache)和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式。1.2.2 QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來(lái)。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn)。將芯片各

16、腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來(lái)的。 PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形。 QFP/PFP封裝具有以下特點(diǎn)： 1.適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線。 2.適合高頻使用。 3.操作方便，可靠性高。 4.芯片面積與封裝面積之間的比值較小。 Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用這種封裝形

17、式。1.2.3 PGA插針網(wǎng)格陣列封裝 PGA(Pin Grid Array Package)芯片封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座，專門用來(lái)滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。 ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就可很容易、輕松地

18、插入插座中。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對(duì)不存在接觸不良的問(wèn)題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。 PGA封裝具有以下特點(diǎn)： 1.插拔操作更方便，可靠性高。 2.可適應(yīng)更高的頻率。 Intel系列CPU中，80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。1.2.4 BGA球柵陣列封裝 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，對(duì)集成電路的封裝要求更加嚴(yán)格。這是因?yàn)榉庋b技術(shù)關(guān)系到產(chǎn)品的功能性，當(dāng)IC的頻率超過(guò)100MHz時(shí)，傳統(tǒng)封裝方式可

19、能會(huì)產(chǎn)生所謂的“CrossTalk”現(xiàn)象，而且當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208 Pin時(shí)，傳統(tǒng)的封裝方式有其困難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片（如圖形芯片與芯片組等）皆轉(zhuǎn)而使用BGA(Ball Grid Array Package)封裝技術(shù)。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。2 集成電路芯片封裝技術(shù)簡(jiǎn)介自從美國(guó)Intel公司1971年設(shè)計(jì)制造出4位微處理器芯片以來(lái)，在20多年時(shí)間內(nèi)，CPU從Intel4004、80286、80386、80486發(fā)展到Pentium和Pentium，數(shù)位從

20、4位、8位、16位、32位發(fā)展到64位;主頻從幾兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶體管數(shù)由2000個(gè)躍升到500萬(wàn)個(gè)以上;半導(dǎo)體制造技術(shù)的規(guī)模由SSI、MSI、LSI、VLSI達(dá)到 ULSI。封裝的輸入/輸出（I/O）引腳從幾十根，逐漸增加到幾百根，下世紀(jì)初可能達(dá)2千根。這一切真是一個(gè)翻天覆地的變化。 對(duì)于CPU，讀者已經(jīng)很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium 、Celeron、K6、K6-2 相信您可以如數(shù)家珍似地列出一長(zhǎng)串。但談到CPU和其他大規(guī)模集成電路的封裝，知道的人未必很多。所謂封裝是指安裝半

21、導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁-芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)CPU和其他LSI集成電路都起著重要的作用。新一代CPU的出現(xiàn)常常伴隨著新的封裝形式的使用。 芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來(lái)越接近于1，適用頻率越來(lái)越高，耐溫性能越來(lái)越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等。2.1 DI

22、P封裝70年代流行的是雙列直插封裝，簡(jiǎn)稱DIP(Dual In-line Package)。 DIP封裝結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn): 1.適合PCB的穿孔安裝; 2.比TO型封裝易于對(duì)PCB布線; 3.操作方便。 DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有:多層陶瓷雙列直插式DIP，單層陶瓷雙列直插式DIP，引線框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封結(jié)構(gòu)式，陶瓷低熔玻璃封裝式)。 衡量一個(gè)芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的重要指標(biāo)是芯片面積與封裝面積之比，這個(gè)比值越接近1越好。以采用40根I/O引腳塑料包封雙列直插式封裝(PDIP)的CPU為例，其芯片面積

23、/封裝面積=3×3/15.24×50=1：86,離1相差很遠(yuǎn)。不難看出，這種封裝尺寸遠(yuǎn)比芯片大，說(shuō)明封裝效率很低，占去了很多有效安裝面積。 Intel公司這期間的CPU如8086、80286都采用PDIP封裝。2.2 芯片載體封裝 80年代出現(xiàn)了芯片載體封裝，其中有陶瓷無(wú)引線芯片載體LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引線芯片載體PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier）小尺寸封裝SOP(Small Outline Pa

24、ckage)、塑料四邊引出扁平封裝PQFP(Plastic Quad Flat Package)。    以0.5mm焊區(qū)中心距，208根I/O引腳的QFP封裝的CPU為例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，則芯片面積/封裝面積=10×10/28×28=1：7.8，由此可見QFP比DIP的封裝尺寸大大減小。 QFP的特點(diǎn)是: 1.適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線;     2.封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高

25、頻應(yīng)用;     3.操作方便;     4.可靠性高。   在這期間，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。2.3 BGA封裝 90年代隨著集成技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備的改進(jìn)和深亞微米技術(shù)的使用，LSI、VLSI、ULSI相繼出現(xiàn)，硅單芯片集成度不斷提高，對(duì)集成電路封裝要求更加嚴(yán)格，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大。為滿足發(fā)展的需要，在原有封裝品種基礎(chǔ)上，又增添了新的品種-球柵陣列封裝，簡(jiǎn)稱BGA(Ball

26、60;Grid Array Package)。  BGA一出現(xiàn)便成為CPU、南北橋等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引腳封裝的最佳選擇。其特點(diǎn)有:  1.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠(yuǎn)大于QFP，從而提高了組裝成品率;   2.雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，簡(jiǎn)稱C4焊接，從而可以改善它的電熱性能:   3.厚度比QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以上;     4.寄生參數(shù)減小，信號(hào)傳輸延遲小，使用頻率大大

27、提高;     5.組裝可用共面焊接，可靠性高;   6.BGA封裝仍與QFP、PGA一樣，占用基板面積過(guò)大;   Intel公司對(duì)這種集成度很高(單芯片里達(dá)300萬(wàn)只以上晶體管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium 采用陶瓷針柵陣列封裝CPGA和陶瓷球柵陣列封裝CBGA，并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而達(dá)到電路的穩(wěn)定可靠工作。3 集成電路封裝工藝3.1 金屬封裝金屬封裝是半導(dǎo)體器件封裝的最原始的形式，它將分立器件或集成

28、電路置于一個(gè)金屬容器中，用鎳作封蓋并鍍上金。金屬圓形外殼采用由可伐合金材料沖制成的金屬底座，借助封接玻璃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下將可伐合金引線按照規(guī)定的布線方式熔裝在金屬底座上，經(jīng)過(guò)引線端頭的切平和磨光后，再鍍鎳、金等惰性金屬給與保護(hù)。在底座中心進(jìn)行芯片安裝和在引線端頭用鋁硅絲進(jìn)行鍵合。組裝完成后，用10號(hào)鋼帶所沖制成的鍍鎳封帽進(jìn)行封裝，構(gòu)成氣密的、堅(jiān)固的封裝結(jié)構(gòu)。金屬封裝的優(yōu)點(diǎn)是氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響。它的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，外型靈活性小，不能滿足半導(dǎo)體器件日益快速發(fā)展的需要?，F(xiàn)在，金屬封裝所占的市場(chǎng)份額已越來(lái)越小，幾乎已沒有商品化的產(chǎn)品。少量產(chǎn)品用于特殊性能要求的軍事或航空航天技術(shù)中。3.2 陶瓷封裝陶瓷封裝是繼金屬封裝后發(fā)展起來(lái)的一種封裝形式，它象金屬封裝一樣，也是氣密性的，但