集成電路封裝與測試(一)

1、集成電路封裝與測試集成電路封裝與測試主講：楊偉光主講：楊偉光課 程 大 綱第一章第一章 集成電路芯片封裝概述 第二章第二章 封裝工藝流程 第三章第三章 厚/薄膜技術(shù) 第四章第四章 焊接材料 第五章第五章 印刷電路板 第六章第六章 元器件與電路板的結(jié)合 第七章第七章 封膠材料與技術(shù) 第八章第八章 陶瓷封裝 第九章第九章 塑料封裝 第十章第十章 氣密性封裝 第十二章第十二章 封裝可靠性以及缺陷分析 第十一章第十一章 先進(jìn)封裝技術(shù) 基礎(chǔ)部分基礎(chǔ)部分材料部分材料部分基板部分基板部分封裝部分封裝部分測試部分測試部分參 考 書 籍 集成電路芯片封裝技術(shù)李可為著，電子工業(yè)出版社出版 微電子器件封裝-封裝材料

2、與封裝技術(shù)周良知著，化學(xué)工業(yè)出版社出版 相關(guān)的文獻(xiàn)本本章章概概要要 基基本本概概念念 封封裝裝的的發(fā)發(fā)展展過過程程 封封裝裝的的層層次次及及功功能能 封封裝裝的的分分類類 封封裝裝的的發(fā)發(fā)展展現(xiàn)現(xiàn)狀狀1.1 封裝概念 按 Tummala 教授一書中的定義 “Introduction to Microsystems Packaging”Georgia Institute of TechnologyProf. Rao R. Tummala “Integrated Circuit (IC)” is defined as a miniature or microelectronic device th

3、at integrates such elements as transistors, dielectrics, and capacitors into an electrical circuit possessing a special function. “集成電路（IC）“是指微小化的或微電子的器件，它將這樣的一些元件如三極管、電阻、介電體、電容等集成為一個(gè)電學(xué)上的電路，使致具有專門的功能。 “Packaging” is defined as the bridge that interconnects the ICs and other components into a system-

4、level board to form electronic products ”封裝“ 是指連接集成電路和其他元器件到一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的基板上的橋梁或手段，使之形成電子產(chǎn)品定義電路的輸入輸出（電路指標(biāo)、性能）定義電路的輸入輸出（電路指標(biāo)、性能）原理電路設(shè)計(jì)原理電路設(shè)計(jì)電路模擬電路模擬(SPICE)布局布局(Layout)考慮寄生因素后的再模擬考慮寄生因素后的再模擬原型電路制備原型電路制備測試、評(píng)測測試、評(píng)測產(chǎn)品產(chǎn)品工藝問題工藝問題定義問題定義問題不符合不符合不符合不符合1.1.1集成電路的制造過程：集成電路的制造過程： 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 工藝加工工藝加工 測試測試 封裝封裝 “封裝（Packaging）”

5、用于電子工程的歷史并不很久。在真空電子管時(shí)代，將電子管等器件安裝在管座上構(gòu)成電路設(shè)備，一般稱為“組裝或裝配”，當(dāng)時(shí)還沒有“Packaging”這一概念。1.1.2封裝的出現(xiàn)封裝的出現(xiàn) 60多年前的三極管三極管，40多年前的IC半導(dǎo)體元件半導(dǎo)體元件的出現(xiàn)，一方面，這些半導(dǎo)體元件細(xì)小柔嫩；另一方面，其性能又高，而且多功能、多規(guī)格。為了充分發(fā)揮其功能，需要補(bǔ)強(qiáng)、密封、擴(kuò)大，以便實(shí)現(xiàn)與外電路可靠的電氣連接并得到有效的機(jī)械、絕緣等方面的保護(hù)作用。基于這樣的工藝技術(shù)要求，“封裝”便隨之出現(xiàn)。crystal triode （晶體三極管）IC半導(dǎo)體元件半導(dǎo)體元件1.2 封裝的發(fā)展過程1920193019401

6、9501960197019801990200020101937年金屬噴涂印制電路板（PCB）誕生1947年晶體管的誕生PCB實(shí)用化58年IC出現(xiàn)真空管半導(dǎo)體IC分立式元器件61年二者市場占有率相等75年二者相同多層PCB板積層式多層板封裝或裝配封裝電子封裝工程79年（表面貼裝）SMT擴(kuò)廣電器機(jī)械設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)電子元器件封裝技術(shù)需要的設(shè)計(jì)技術(shù)1947年12月16日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊（William B. Shockley）、巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter H. Brattain)組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是2

7、0世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā) 明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造這種器件的材料達(dá)不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。 William B. ShockleyJohn BardeenWalter H. Brattain三人獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1.2.1重要事件重要事件相移振蕩器 1958年9月10日美國的基爾比發(fā)明了集成電路集成電路是美國物理學(xué)家基爾比(Jack Kilby)和諾伊斯兩人

8、各自獨(dú)立發(fā)明的，都擁有發(fā)明的專利權(quán)。1958年9月10日，基爾比的第一個(gè)安置在半導(dǎo)體鍺片上的電路取得了成 功，被稱為“相移振蕩器”。1957年，諾伊斯(Robort Noyce)成立了仙童半導(dǎo)體公司，成為硅谷的第一家專門研制硅晶體管的公司。1959年2月，基爾比申請(qǐng)了專利。不久，得克薩斯儀器公司宣布，他們已生產(chǎn)出一種比火柴頭還小的半導(dǎo)體固體 電路。諾伊斯雖然此前已制造出半導(dǎo)體硅片集成電路，但直到1959年7月才申請(qǐng)專利，比基爾比晚了半年。法庭后來裁決，集成電路的發(fā)明專利屬于基爾比，而 有關(guān)集成電路的內(nèi)部連接技術(shù)專利權(quán)屬于諾伊斯。兩人都因此成為微電子學(xué)的創(chuàng)始人，獲得美國的“巴倫坦獎(jiǎng)?wù)隆薄?Rob

9、ort NoyceJack Kilby1.2.2 Moore 定律GordonMoore作出的原始預(yù)測作出的原始預(yù)測1971-2008年年CPU晶體管數(shù)量隨時(shí)間的變換情況晶體管數(shù)量隨時(shí)間的變換情況與與Moore定律的符號(hào)程度定律的符號(hào)程度1.3 從半導(dǎo)體和電子元器件到電子機(jī)器設(shè)備前工程前工程后工程后工程封裝工程封裝工程利用光刻制版等加工制作電極、開發(fā)材料的電子功能對(duì)元件進(jìn)行包覆、連接封入元件盒中、引出引線端子，完成封裝體封裝體與基板連接固定、裝配成完整的系統(tǒng)或電子機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)所要求的元件的性能確保元件可靠性，完成器件、部件確保整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能狹義的封裝從此開始1.3.1 封裝工程的四個(gè)層次半

10、導(dǎo)體半導(dǎo)體部部件件電子元器件電子元器件基板基板輸入輸出裝置輸入輸出裝置存存儲(chǔ)儲(chǔ)裝裝置置機(jī)器設(shè)備機(jī)器設(shè)備毫米級(jí)的毫米級(jí)的工程領(lǐng)域工程領(lǐng)域100m的工的工程領(lǐng)域程領(lǐng)域L、C、R分分立式半導(dǎo)體立式半導(dǎo)體器件變壓器器件變壓器LED芯片芯片0.25m的工程的工程領(lǐng)域領(lǐng)域50m的工程領(lǐng)域的工程領(lǐng)域水晶振子、散熱器、小型馬達(dá)、傳感器水晶振子、散熱器、小型馬達(dá)、傳感器按特征尺寸的量級(jí)，電子封裝工程可分為四個(gè)層次，其中從半導(dǎo)體芯片到按特征尺寸的量級(jí)，電子封裝工程可分為四個(gè)層次，其中從半導(dǎo)體芯片到50m的工程領(lǐng)域?yàn)楠M義的封裝的工程領(lǐng)域?yàn)楠M義的封裝1.3.2 電子封裝的分級(jí)器件印制板硅圓片0級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)管芯常

11、規(guī)組合的電路封裝電子封裝的分級(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。1.3.3 電子封裝的范圍 從工藝上講，電子封裝包括薄厚膜技術(shù)、基板技術(shù)、微細(xì)連接技術(shù)、封接及封裝技術(shù)等四大基礎(chǔ)技術(shù) 從材料上講，電子封裝包括各類材料，如焊絲、框架、金屬超細(xì)粉、玻璃超細(xì)粉、陶瓷粉材、表面活性劑、有機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)溶劑、金屬漿料、導(dǎo)電填料、感光性樹脂、熱硬化樹脂、聚酰亞胺薄膜、感光性漿料，還有導(dǎo)體、電阻、介質(zhì)以及各種功能用的薄厚膜材料等 從設(shè)計(jì)、

12、評(píng)價(jià)、解析技術(shù)上講，其涉及膜特性、電氣特性、熱特性、結(jié)構(gòu)特性及可靠性等方面的分析評(píng)價(jià)和檢測 CAD/CAM/CAT系統(tǒng)及發(fā)展設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、解析技術(shù)膜特性電氣特性熱特性結(jié)構(gòu)特性薄厚膜技術(shù)基板技術(shù)微細(xì)連接技術(shù)封接封裝技術(shù)封裝工藝技術(shù)材料科學(xué)與工程可靠性評(píng)價(jià)解析技術(shù)制造、生產(chǎn)裝置動(dòng)向電子設(shè)備系統(tǒng)等的發(fā)展動(dòng)向 電子 部件 動(dòng)向電子元器件回路部件功能部件1.3.4 電子封裝工程的各個(gè)方面功能部件LSI回路部件搭載元器件搭載元器件布線基板布線基板封裝關(guān)鍵技術(shù)封裝關(guān)鍵技術(shù)鍵合鍵合布線布線連接連接散熱散熱冷卻冷卻保護(hù)保護(hù)使各種元器件、功能部件相組合形成功能電路目的目的依據(jù)電路結(jié)構(gòu)、性能要求、封裝類型而異難易程度

13、難易程度需考慮的問題需考慮的問題苛刻的工程條件（溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、放射性等）超高要求超高性能超高性能（3DIC）超薄型、超小型超薄型、超小型超多端子連接超多端子連接超高功率（采用熱冷、金屬陶瓷復(fù)合基板等）超高功率（采用熱冷、金屬陶瓷復(fù)合基板等）1.3.5 電子封裝實(shí)現(xiàn)的四種功能電互連和線間電隔離 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) 信號(hào)傳遞信號(hào)傳遞電能傳遞電能傳遞主要是將電信號(hào)的延遲盡可能減小，在布線時(shí)盡可能使信號(hào)線與芯片的互連路徑以及通過封裝的I/O接口引出的路徑達(dá)到最短主要是電源電壓的分配和導(dǎo)通散熱散熱各

14、種芯片封裝都要考慮元器件、部件長期工作時(shí)如何將聚集的熱量散出的問題封裝保護(hù)封裝保護(hù)芯片封裝可為芯片和其他連接部件提供牢固可靠的機(jī)械支撐，并能適應(yīng)各種工作環(huán)境和條件的變化1.4 IC封裝的分類 IC封裝的主要類型： 按照器件與電路板的互連方式可分為： 通孔插裝式 PTH （Pin through hole） 表面貼裝式 SMT （Suface mount technology） 目前表面貼裝式封裝已占IC封裝總量的 80%以上。SOP(小型化封裝小型化封裝) PLCC（無引線塑料封裝載體（無引線塑料封裝載體） CLCC（無引線陶瓷封裝載體（無引線陶瓷封裝載體）QFP(四側(cè)引腳扁平封裝四側(cè)引腳扁平

15、封裝) BGA(球柵陣列式封裝球柵陣列式封裝)雙邊雙邊引腳引腳四邊四邊引腳引腳底部底部引腳引腳表面貼裝型表面貼裝型DIP（雙列式封裝）（雙列式封裝） ZIP（交叉引腳式封裝）（交叉引腳式封裝）SIP（單列引腳式封裝）（單列引腳式封裝）PGA(針腳陣列封裝針腳陣列封裝)單邊單邊引腳引腳雙邊雙邊引腳引腳底部底部引腳引腳引腳插入型引腳插入型 （6 7）% 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 %歷史的發(fā)展過程：最早是金屬封裝，然后是陶瓷封裝，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。最后是塑料封裝。 性能分：金屬和陶瓷封裝是氣密封裝，

16、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；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金屬或陶瓷封裝可用于“嚴(yán)酷的環(huán)境條件嚴(yán)酷的環(huán)境條件”，如軍用、，如軍用、宇航等，而塑封只能用于宇航等，而塑封只能用于“不太嚴(yán)酷不太嚴(yán)酷”的環(huán)境；的環(huán)境；金屬、陶瓷封裝是金屬、陶瓷封裝是“空封空封”，封裝不與芯片表面接觸，封裝不與芯片表面接觸，塑封是塑封是“實(shí)封實(shí)封”；金屬封裝目前主要用于大功率的混合集成電路（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。部分軍品及需空封器件。 按引線形狀 無引線：焊點(diǎn)、焊盤 有引線： TH 直插外殼芯片L型 （翼型

17、）J型焊球焊柱扁平I形（柱形）SMTIC封裝的生命周期芯片尺寸封裝球柵陣列封裝倒裝芯片薄的縮小型SOP 薄 /小引腳中心距QFP 縮小型SOP 自動(dòng)帶載焊接 四邊引腳扁平封裝小外形封裝J形引腳小外型封裝 帶引線的塑料芯片載體 針腳陣列封裝塑料雙列直插式封裝 帶引腳的芯片載體 陶瓷DIP目前世界上產(chǎn)量較多的幾類封裝目前世界上產(chǎn)量較多的幾類封裝 SOP （小外形封裝） 5557% PDIP（塑料雙列封裝） 14%QFP (PLCC ) （四邊引線扁平封裝） 12% BGA （球柵陣列封裝） 45%1.5. IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)IC封裝產(chǎn)量仍以平均45年一個(gè)增長周期在增長。 2000年是增長率最高的一

18、年（+15%以上）。 2001年和2002年的增長率都較小。 半導(dǎo)體工業(yè)可能以“三年養(yǎng)五年” ！2003200416.827.4%1.5.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 芯片封裝工藝：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。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。就成器件。 芯片與封裝的互連：從引線鍵合（芯片與封裝的互連：從引線鍵合（WB）向倒裝焊）向倒裝焊 （FC）轉(zhuǎn)變。）轉(zhuǎn)變。 微電子封裝和微電子封裝和PCB板之間的互連：板之間的互連： 已由

19、通孔插裝已由通孔插裝(PTH)為主轉(zhuǎn)為表面貼裝（為主轉(zhuǎn)為表面貼裝（SMT）為主。）為主。 封裝密度正愈來愈高 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（見表1）； 封裝的高度不斷降低（見表2）； 引線節(jié)距不斷縮?。ㄒ姳?）； 引線布置從封裝的兩側(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密度都大大提高。 國際上IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)如表4所示。單芯片封裝向多芯片封裝的演變 （自動(dòng)帶載焊接）芯片尺寸封裝(多芯片組件)單級(jí)集成模塊 富士通公司目前的IC封裝趨勢(shì)表1硅片封裝效率的提高年代1970198019901

20、993封裝年代DIPPQFPBGA/CSPDCA/CSP封裝效率Sd/Sp(27)%(1030)%(2080)%(5090)%表2封裝厚度的變化封裝形式PQFP/PDIP TQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封裝厚度(mm)3.62.01.41.00.80.5表3引線節(jié)距縮小的趨勢(shì)年份年份19801985199019952000典型封裝典型封裝DIP,PGASDIP,PLCC,BGAQFPQFP,CSPCSP,DCA典型引線典型引線節(jié)距節(jié)距(mm)2.541.270.630.330.150.050 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

21、封裝總量中所占的份額（%）DIPSOPQFPBGACSP其他1996年284713 1 1121998年155712 11122003年125612 177表5. 集成電路封裝引出端數(shù)的分布范圍引線數(shù)范圍33 33100 101308308 1997年（估算值）7618512003年（預(yù)測值）6820102引線節(jié)距的發(fā)展趨勢(shì)PQFPPDIPTQFPTSOPUTQFPUTSOP3.6 - 2.0mm1.4 - 1.0mm0.8 - 0.5mm封裝厚度封裝厚度 封裝厚度比較48封裝效率 封裝效率 封裝效率 封裝效率=2-7%(1970-) =10-30%(1980-) =20-80%(1990-)

22、 =50-90%(1993-) 封裝效率的改進(jìn)1.5.2 中國是目前世界上半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展最快的國家之一。近幾年的產(chǎn)值平均年增長率在30以上，世界10。 中國國內(nèi)半導(dǎo)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(chǎn)品 制造國，2010年后為第二。據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)測：中國電子產(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！ 元器件采購值四年內(nèi)將增長約三倍：從2002年的350億美元上升到2006年的1000億美元 中國是半導(dǎo)體器件的消費(fèi)“大國”，生產(chǎn)“小國”。 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)發(fā)展的市場余地很大。 2000年中國消耗的半導(dǎo)體占

23、世界半導(dǎo)體市場份額的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年中國消耗的半導(dǎo)體占世界半導(dǎo)體市場份額的14.4%, 生產(chǎn)的半導(dǎo)體只占世界產(chǎn)值的1.8%。 中國所消費(fèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)品中85%依靠進(jìn)口。 廣闊的市場、就地生產(chǎn)、降低成本、搶占中國市場，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)展中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要因素。封裝測試業(yè)已成為中國最大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)： 2003年：封裝測試業(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 2002年全球排名前十位的半導(dǎo)體公司大都將在中國建立封裝測試廠年全球排名前十位的半導(dǎo)體公司大都將在中國建立封裝測試廠名

24、名次次公司名公司名銷售額（億美元）銷售額（億美元）增長率增長率 2002年年2001年年2002年年2001年年11Intel上海234.7235.4-0.3%24三星三星蘇州91.861.449.5%33ST微電子微電子深圳63.163.6-0.9%45TI62.060.52.5%52東芝東芝無錫61.965.4-5.5%68Infineon蘇州53.645.617.5%76NEC北京北京52.653.0-0.8%87Motorola天津天津47.348.3-2.0%99菲利浦菲利浦蘇州43.644.1-1.1%1010日立日立 (瑞薩瑞薩)蘇州40.542.4-4.6% 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(gè)大型封裝測試廠 Intel、中芯國際，友尼森（Unisem） 2004年大陸前十名產(chǎn)值的封裝測試廠排序企業(yè)銷售收入（億元）1飛思卡爾半導(dǎo)體81.22威訊聯(lián)合半導(dǎo)體（北京）25.9763瑞薩四通集成電路（北京）18.8734英特爾（上海）16.0005南通富士通微電子14.4856四