集成電路封裝與測(cè)試技術(shù)概述

1、集成電路封裝與測(cè)試技術(shù)概述技術(shù)創(chuàng)新，變革未來中國(guó)芯技術(shù)系列 概 要 基 本 概 念 封 裝 的 發(fā) 展 過 程 封 裝 的 層 次 及 功 能 封 裝 的 分 類 封 裝 的 發(fā) 展 現(xiàn) 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 that int

2、egrates 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-level

3、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）原理電路設(shè)計(jì)電路模擬(SPICE)布局(Layout)考慮寄生因素后的再模擬原型電路制備測(cè)試、評(píng)測(cè)產(chǎn)品工藝問題定義問題不符合不符合1.1.1集成電路的制造過程： 設(shè)計(jì) 工藝加工 測(cè)試 封裝 “封裝（Packaging）”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) 60多年前的

4、三極管，40多年前的IC等半導(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?；谶@樣的工藝技術(shù)要求，“封裝”便隨之出現(xiàn)。1.2 封裝的發(fā)展過程19201930194019501960197019801990200020101937年金屬噴涂印制電路板（PWB）誕生1947年晶體管的誕生PWB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(chǎng)占有率相等75年二者相同多層PWB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）

5、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(guó)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20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

6、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) 相移振蕩器 1958年9月10日美國(guó)的基爾比發(fā)明了集成電路，集成電路是美國(guó)物理學(xué)家基爾比(Jack Kilby)和諾伊斯兩人各自獨(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，

7、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(guó)的“巴倫坦獎(jiǎng)?wù)隆薄?Robort NoyceJack Kilby1.3 從半導(dǎo)體和電子元器件到電子機(jī)器設(shè)備前工程后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

8、件確保整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能狹義的封裝從此開始2.1 封裝工程的四個(gè)層次半導(dǎo)體部件電子元器件基板輸入輸出裝置存儲(chǔ)裝置機(jī)器設(shè)備毫米級(jí)的工程領(lǐng)域100 m的工程領(lǐng)域L、C、R分立式半導(dǎo)體器件變壓器LED芯片0.25 m的工程領(lǐng)域50 m的工程領(lǐng)域水晶振子、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50 m的工程領(lǐng)域?yàn)楠M義的封裝2.2 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：

9、 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。2.3 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)、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(cè) 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

10、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2.4 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布線基板封裝關(guān)鍵技術(shù)鍵合布線連接散熱 冷卻保護(hù)使各種元器件、功能部件相組合形成功能電路目的依據(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 （3D IC）超薄型、超小型超多端子連接超高功率（采用熱冷、金屬陶瓷復(fù)合基板等）3.1 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：

11、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)通散熱各種芯片封裝都要考慮元器件、部件長(zhǎng)期工作時(shí)如何將聚集的熱量散出的問題封裝保護(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3.2 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

12、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) PLCC（無引線塑料封裝載體 ） CLCC（無引線陶瓷封裝載體 ）QFP(四側(cè)引腳扁平封裝) BGA(球柵陣列式封裝)雙邊引腳四邊引腳底部引腳表面貼裝型DIP（雙列式封裝） ZIP（交叉引腳式封裝）SIP（單列引腳式封裝）PGA(針腳陣列封裝)單邊引腳雙邊引腳底部引腳引腳插入型 （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， 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

13、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。 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）J型焊球焊柱扁平I形（柱形）SMT3.3 IC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DI

14、P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%4.1 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(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” ！2003200416.827.4%4.2 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

15、（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)為表面貼裝（SMT）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)距不斷縮小（見表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。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 表1硅片封裝效率的提高年代1970198019

16、901993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/PDIPTQFP/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19801985199019952000典型封裝DIP,PGASDIP,PLCC,BGAQFPQFP,CSPCSP,DCA典型引線節(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. 各類封裝在封裝總量中所占的份額

17、（%）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 33100101308308 1997年（估算值）7618512003年（預(yù)測(cè)值）6820102引線節(jié)距的發(fā)展趨勢(shì) 封裝厚度比較40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-) =50-90%(1993-) 封裝效率的改進(jìn)4.3 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。中國(guó)國(guó)內(nèi)半

18、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 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

19、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。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 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)試廠名次公司名銷售額（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% 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（