集成電路封裝技術(shù)-文檔在線預(yù)覽

集成電路封裝技術(shù)1清華大學(xué)微電子所賈松良Tel:62781852

Fax:62771130Email:jiasl@

2005年6月12日目錄一、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2一、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2003

200416.8~27.4%32.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％。453.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！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65.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％76.

2002年全球排名前十位的半導(dǎo)體公司大都將在中國(guó)名建立封次裝測(cè)試公廠司名銷售額（億美元）增長(zhǎng)率2002年2001年2002年2001年11Intel上海234.7235.4-0.3%24三星蘇州91.861.449.5%33ST微電子深圳63.163.6-0.9%45TI62.060.52.5%52東芝無(wú)錫61.965.4-5.5%68Infineon蘇州53.645.617.5%76NEC北京52.653.0-0.8%87Motorola天津47.348.3-2.0%99菲利浦蘇州43.644.1-1.1%1010日立(瑞薩)蘇州40.542.4-4.6%87.世界上一些著名封裝廠也都來(lái)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(cè)試廠

Intel、中芯國(guó)際，友尼森（Unisem）98.2004年大陸前十名產(chǎn)值的封裝測(cè)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14.4856四川樂(lè)山無(wú)線電（分立器件）13.3587江蘇長(zhǎng)電科技11.908上海松下8.589深圳賽意法微電子7.9010星科金朋（上海）7.80合計(jì)193.44109.中國(guó)將進(jìn)入世界半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)的第四或第二位亞洲日本馬來(lái)西亞臺(tái)灣菲律賓中國(guó)大陸韓國(guó)2001年90%22.9%117.6%211.3%411.5%35.1%710.2%52006年91.3%17.1%117.0%213.0%311.0%411.0%410.5%6新加坡香港印尼泰國(guó)歐洲美洲美國(guó)2001年7.5%62.2%1.1%0.7%3.2%6.8%3.9%2006年7.0%72.0%1.5%1.2%2.6%6.1%3.3%11世界半導(dǎo)體封裝業(yè)產(chǎn)值分布和產(chǎn)值名次排序由上表可知：12①半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)主要在東亞和東南亞。②半導(dǎo)體封裝產(chǎn)值最大的是日本和馬來(lái)西亞。③2001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。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(gè)基本組成部分之一：芯片（管芯）+

封裝（外殼）

封裝工藝微電子器件chip

(die)

package packaging

device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。132.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。14印制板圖1

常規(guī)組合的電路封裝153.封裝的基本功能：①信號(hào)分配：電互連和線間電隔離②電源分配：③熱耗散：使結(jié)溫處于控制范圍之內(nèi)④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)1617圖2

封裝的四種主要功能184.IC封裝的主要類型：①IC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

（Pin

through

hole）表面安裝式SMT

（Suface

mount

technology）目前表面安裝式封裝已占IC封裝總量的80%以上。19（6

~

7）%20②按主要使用材料來(lái)分，有裸芯片

金屬封裝陶瓷封裝塑料封裝1

~

2

%>

92

%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。21③按引線形狀無(wú)引線：焊點(diǎn)、焊盤有引線：TH22直插外殼芯片L型（翼型）J型焊球焊柱扁平I形（柱形）SMT23圖3

一級(jí)封裝的類型24IC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25④目前世界上產(chǎn)量較多的幾類封裝SOP

55～57%PDIP

14%QFP

(PLCC)

12%BGA

4～5%26三、IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)271．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”！2003200416.8~27.4%28圖5

集成電路封裝產(chǎn)量和年增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)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：從引線鍵合（WB）向倒裝焊（FC）轉(zhuǎn)變?！魑㈦娮臃庋b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。29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）；引線節(jié)距不斷縮小（見(jiàn)表3）；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(guó)際上IC封裝的發(fā)展趨勢(shì)如表4所示。30圖6

單芯片封裝向多芯片封裝的演變31表1．硅片封裝效率的提高年代1970198019901993封裝年代DIPPQFPBGA/CSPDCA/CSP封裝效率Sd/Sp(2~7)%(10~30)%(20~80)%(50~90)%32表2．封裝厚度的變化封裝形式PQFP/PDIPTQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封裝厚度(mm)3.6~2.01.4~1.00.8~0.533圖7

引線節(jié)距的發(fā)展趨勢(shì)35圖8

封裝厚度比較36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（%）DIPSOPQFPBGACSP其他1996年284713<

1<

1121998年155712<

11122003年125612<

17740⑤抗輻射性能好，本身放射性少：適合于于封VLSI存儲(chǔ)器⑥塑料殼體抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，絕緣性能好。缺點(diǎn)：①熱性能差：導(dǎo)熱差，熱失配大；②氣密性差：抗潮濕、抗鹽霧性能差；可靠性稍差③電磁屏蔽性能差；④易自然老化。經(jīng)過(guò)模塑料及工藝的改進(jìn)，塑封電路的可靠性已可達(dá)到部分軍品的要求。44主要材料：47主要設(shè)備：芯片減薄機(jī)劃片機(jī)、粘片機(jī)、壓焊機(jī)引線框架條注塑機(jī)（油壓機(jī)、高頻預(yù)熱機(jī)）金絲電鍍線（外引線鍍Sn）包封模切筋、打彎、成形機(jī)芯片粘接劑打印、包裝設(shè)備管芯鍵合、粘片（DB）金基或錫基焊料燒接金硅、銀硅直接共晶粘接（400～410℃）摻銀或不摻銀有機(jī)粘接劑摻銀玻璃漿料484.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(guò)程示意圖焊點(diǎn)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49（a）球焊50引線鍵合后形貌圖（非平面、窄節(jié)距、大跨度）752貌圖五、幾類新穎封裝（BGA、CSP、WLP）531．BGA焊球陳列封裝定義BGA：Ball

Grid

Array的縮寫符號(hào)，焊球陣列一種IC的封裝，其外引線為焊球或焊凸點(diǎn)，它們成陣列分布于封裝的底平面上（見(jiàn)圖14）。59圖14

各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖61真空吸盤真空吸球滴助焊劑放

球N2氣中回流64氮?dú)庠倭骱笭t

助焊劑清洗、分離、打標(biāo)機(jī)助焊劑滴涂和置球機(jī)圖17

BGA植球工藝流程芯片尺寸封裝CSP65CSP：Chip

Scale

Package，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(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。它不是以結(jié)構(gòu)形式來(lái)定義的封裝。各類μBGA、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、框架引線，品種形式已有50種以上。（詳見(jiàn)“芯片尺寸封裝”一書(shū)）。2.CSP分類主要按基板材料來(lái)分：有機(jī)基板（PCB）、

陶瓷基板、載帶基板、金屬引線框架等同一類基板，又可分：芯片面向上，WB（引線鍵合）內(nèi)互連；芯片面向下

FC（倒裝芯片）內(nèi)互連66圖18

CSP的主要類型69主要產(chǎn)品為塑封有機(jī)基板剛性基板上粘片撓性基板上粘片CSP可分為引線框架圓片級(jí)封裝（金凸點(diǎn)或焊料凸點(diǎn)）707172圖18

幾類芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)示意圖733. JEDEC中的CSP標(biāo)準(zhǔn)①

已有14個(gè)，比BGA（8個(gè)）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(wú)引線封裝”SON（4個(gè)）。②

焊點(diǎn)節(jié)距范圍為：0.40，0.50，0.65，0.75，0.80，1.00

mm。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。③

正方形和矩形分立為兩類：（S-，R-）④

焊球直徑有：0.17，0.30，0.40，0.45，0.50

mm。焊盤尺寸有：0.40×0.70，0.30×0.50，0.35×0.70

mm2，多數(shù)取0.30×0.50

mm2。⑤

封裝總體高度有：0.5，0.8，0.9，0.95，1.00，1.20，1.70

mm等，多數(shù)取1.20

mm。744.

WLP圓片級(jí)封裝751.

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）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。目前已有這類獨(dú)立的封裝廠。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。加工成本高：因?yàn)樵O(shè)備貴，設(shè)備類似與前工序，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。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。76前部工藝硅圓片完成切割分離植球硅圓片包封硅圓片硅圓片再分布形成焊盤77超級(jí)CSP（WLP）的工藝流程概況硅圓片圖19

SuperCSP的工藝流程略圖個(gè)管芯78圓片級(jí)封裝（WLP）圖20

圓片封裝概況圖六、 集成電路外殼的選擇79（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。①產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用分類：日用品類：消費(fèi)品類等，低價(jià)值；DIP、SOP、COB手持類：手機(jī)等，電池電源，輕便；SOP、TSOP、COB、BGA、CSP

成本－性能類：筆記本式，臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)；QFP、SOP、PLCC、BGA高性能類：高級(jí)工作站、航空電子等；PGA、BGA、QFP、SOP、CSP汽車類：惡劣工作環(huán)境下工作；軍品；金屬、陶瓷等封裝存貯器類：DRAM，SRAM等引線數(shù)少，高密度，要便于器件升級(jí)。TSOP、CSP、COB、SSOP、3D、FC②性能要求：80Δ

安裝方式：引腳的形式和布置位置。Δ

引出端數(shù)。Δ

幾何尺寸：外形（形狀，尺寸），內(nèi)腔尺寸。max

串

絕緣Δ

電性能：I ，C，L，R

，R

；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）等Δ

熱性能：熱阻RT

最大耗散功率Pcm

最高工作結(jié)溫Tjm82，

，

。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)。Δ

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!各類封裝的價(jià)格比（1999年）封裝類型引出端數(shù)封裝價(jià)格（﹩）引出端單價(jià)（￠/pin)平均引出端單價(jià)比DIP8~64L0.02~0.130.25~0.2031SOP8~48L0.02~0.110.25~0.231.07TSOP8~68L0.03~0.310.38~0.461.76QFP32~324L0.11~1.130.34~0.351.44TQFP35~324L0.12~1.200.38~0.371.57PPGA64~376L0.66~5.541.03~1.475.23PBGA64~504L0.34~3.290.53~0.6532.4883（二） 具體選擇原則：841.

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)GJB

548A要求或美軍標(biāo)MIL-STD

883E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。軍品民品模擬集成電路AIC－55℃～+125℃0～70℃，－25～＋85℃數(shù)字集成電路DIC－55℃～+125℃0～70℃也有高的，如汽車電路85工作溫度范圍否則為失效氣密性：（方法1014.7）軍品外殼：要求是氦（He）細(xì)檢漏5×10-32×10-2要求：測(cè)量的氦漏氣速率R1

≤≥0.4

cm3<

0.4

cm3Pa?cm3/s.腔體積2.

產(chǎn)品使用方式：插入式（TH）：DIP、PGA、SIP、ZIP。表面安裝式