微電子芯片封裝第二講

集成電路芯片封裝技術(shù)1、集成電路芯片封裝與微電子封裝課程引入與主要內(nèi)容2、芯片封裝技術(shù)涉及領(lǐng)域及功能3、封裝技術(shù)層次與分類微電子封裝技術(shù)=集成電路芯片封裝技術(shù)封裝技術(shù)的概念微電子封裝：ABridgefromICtoSystemBoardIC微電子封裝的概念狹義：芯片級ICPackaging廣義：芯片級+系統(tǒng)級：封裝工程電子封裝工程：將基板、芯片封裝體和分立器件等要素，按電子整機要求進行連接和裝配，實現(xiàn)一定電氣、物理性能，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓麢C或系統(tǒng)形式的整機裝置或設(shè)備。WaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipment

微電子封裝過程=電子整機制作流程芯片封裝涉及的技術(shù)領(lǐng)域芯片封裝技術(shù)涉及物理、化學、化工、材料、機械、電氣與自動化等學科。所涉及材料包括金屬、陶瓷、玻璃和高分子材料等。芯片封裝技術(shù)整合了電子產(chǎn)品的電氣特性、熱特性、可靠性、材料與工藝應(yīng)用和成本價格等因素，是以獲得綜合性能最優(yōu)化為目的的工程技術(shù)。封裝涉及的技術(shù)領(lǐng)域微電子封裝的功能1、電源分配：傳遞電能-配給合理、減少電壓損耗2、信號分配：減少信號延遲和串擾、縮短傳遞線路3、提供散熱途徑：散熱材料與散熱方式選擇4、機械支撐：結(jié)構(gòu)保護與支持5、環(huán)境保護：抵抗外界惡劣環(huán)境（例：軍工產(chǎn)品）確定封裝要求的影響因素成本外形與結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可靠性性能類比：人體器官的構(gòu)成與實現(xiàn)微電子封裝技術(shù)的技術(shù)層次第一層次：零級封裝-芯片互連級（CLP）第二層次：一級封裝SCM與MCM（Single/MultiChipModule）

第三層次：二級封裝組裝成SubsystemCOB（ChiponBoard）和元器件安裝在基板上第四層次：三級微電子封裝電子整機系統(tǒng)構(gòu)建微電電子子封封裝裝技技術(shù)術(shù)分分級級三維維（（3D））封封裝裝技技術(shù)術(shù)傳統(tǒng)統(tǒng)二二維維封封裝裝基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上向向三三維維z方方向向發(fā)發(fā)展展的的封封裝裝技技術(shù)術(shù)。。實現(xiàn)現(xiàn)三三維維封封裝裝的的方方法法：：【1】】埋埋置置型型元器器件件埋埋置置或或芯芯片片嵌嵌入入【2】】有有源源基基板板半導導體體材材料料做做基基板板WaferScaleIntegration【3】】疊疊層層法法將多多個個裸裸芯芯片片或或封封裝裝芯芯片片在在垂垂直直方方向向上上互互連連抑或或是是MCM疊疊層層：：散熱熱與與基基板板選選擇擇封裝裝的的分分類類按封封裝裝中中組組合合IC芯芯片片數(shù)數(shù)目目分分：：SCP和和MCP（（包包括括MCM)按密密封封材材料料分分：：陶陶瓷瓷封封裝裝和和高高分分子子材材料料封封裝裝（（塑塑封封））按器件與與電路板板互連方方式分：：引腳插入入型（PTH））和表面面貼裝型型（SMT）按引腳分分布形態(tài)態(tài)分：單邊、雙雙邊、四四邊和底底部引腳腳SIP、、DIP、SOP、QFP、、MCP、PGA封裝型式的的發(fā)展發(fā)展方向：：輕、薄、、短、小DIP—SPIP—SKDIPSOP—TSP—UTSOPPGA—BGALeadonChip：：芯片上引引線封裝封裝技術(shù)與與封裝材料料例：陶瓷封封裝與塑料料封裝均可可制作DIP與BGA類芯片片，但兩類類芯片的可可靠性和成成本不同。。封裝形態(tài)、、封裝工藝藝、封裝材材料由產(chǎn)品品的電特性性、導熱性性能、可靠靠性需求、、材料工藝藝技術(shù)和成成本價格等等因素決定定。封裝形形態(tài)與封裝裝工藝技術(shù)術(shù)、封裝材材料之間不不是一一對對應(yīng)關(guān)系。。封裝材料芯片封裝所所采用的材材料主要包包括金屬、、陶瓷、高高分子聚合合物材料等等。問題：如何何進行材料料選擇？依據(jù)材料的的電熱性質(zhì)質(zhì)、熱-機機械可靠性性、技術(shù)和和工藝成熟熟度、材料料成本和供供應(yīng)等因素素。表1.2-表1.4介電系數(shù)：：表征材料料絕緣程度度的比例常常數(shù)，相對對值，通常常介電系數(shù)數(shù)大于1的的材料通常常認為是絕絕緣材料。。熱膨脹系數(shù)數(shù)（CTECoefficientofexpansion）物體由于溫溫度改變而而有脹縮現(xiàn)現(xiàn)象，等壓壓條件下，，單位溫度度變所導致致的體積變變化，即熱熱膨脹系數(shù)數(shù)表示。介電強度：：是一種材材料作為絕絕緣體時的的電強度的的量度。定定義為試樣樣被擊穿時時，單位位厚度承受受的最大電電壓。物質(zhì)質(zhì)的介電強強度越大，，它作為為絕緣體的的質(zhì)量越好好。封裝材料性性能參數(shù)1970198019902000100100010000100000Volume(cm3)W/SNotebookPCLaptopCellularSMART“Watch”&Bio-sensor電子整機的的發(fā)展趨勢勢微電子封裝裝技術(shù)的演演變PastBulkycomponentsBulkysystemsCurrentThinfilmcomponentsMiniaturizedmodulesFutureEmbeddedcomponentsPackage–sizedsystems微電子封裝裝技術(shù)的演演變微電子封裝裝技術(shù)的演演變CeramicorThinFilmonCeramic100508050603SingleChip:BoardMCM:Discretes:Package/Board:PWB-DPWB-DCeramicRedistributiontoAreaArrayWirebondChipConnector:PTHPeripheralSMTBoardConnector:1970s1980sDIPPGAQFPPASTThinFilmonPWB0402PWB-MicroViaFlipchipAreaArrayArea/BGASMT1990s2000sBGACSPPRESENT02012000sIntegrationtoBEOLIntegrationinPackagelevelIntegrationatSystemlevelWLPSIPSOP2010s01005?IntegrationFUTURE微電子封裝裝技術(shù)的演演變微電子封裝裝技術(shù)發(fā)展展的驅(qū)動力力一、IC發(fā)發(fā)展對微電電子封裝的的推動IC發(fā)展水水平的標志志：集成度度和特征尺尺寸IC發(fā)展方方向：大芯芯片尺寸、、高集成度度、小特征征尺寸和高高I/O數(shù)數(shù)。二、電子整整機發(fā)展對對微電子封封裝的拉動動電子整機的的高性能、、多功能、、小型化和和便攜化、、低成本、、高可靠性性要求促使使微電子封封裝由插裝裝向貼裝發(fā)發(fā)展，并持持續(xù)向薄型型、超薄型型、窄節(jié)距距發(fā)展，進進一步由窄窄節(jié)距四邊邊引腳向面面陣列引腳腳發(fā)展。微電子封裝裝技術(shù)發(fā)展展的驅(qū)動力力三、市場發(fā)發(fā)展對微電電子封裝的的驅(qū)動“吞金業(yè)””向“產(chǎn)金金業(yè)”轉(zhuǎn)變變產(chǎn)品性價比比要求不斷斷提升、電電子產(chǎn)品更更新加速劇劇烈電子產(chǎn)品更更新加速劇劇烈驅(qū)動微電子子封裝技術(shù)術(shù)發(fā)展的是是整個微電電子技術(shù)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)微電子封裝裝技術(shù)的發(fā)發(fā)展趨勢一、微電子產(chǎn)業(yè)業(yè)在曲折中中迅速發(fā)展展“硅周期””——世界界電子元器器件行業(yè)的的生產(chǎn)、銷銷售和效益益出現(xiàn)的高峰和低谷谷交替周期性性（4-5年）波動動。生產(chǎn)電電子元器件件企業(yè)的國國際化程度度越高，受受“硅周期期”影響越越深?！暗缆肥乔鄣模扒巴臼枪饷髅鞯摹蔽㈦娮臃庋b裝的發(fā)展趨趨勢二、國際半半導體技術(shù)術(shù)發(fā)展路線線和“摩爾爾定律”“摩爾定律律”：集成成電電路路特特征征尺尺寸寸每每三三年年縮縮小小1/3，，集集成成度度（（即即DRAM單單個個芯芯片片上上的的晶晶體體管管數(shù)數(shù)））每每兩兩年年增增加加一一倍倍。。———1965年年，，戈戈登登··摩摩爾爾（（GordonMoore））當前前，，集集成成電電路路技技術(shù)術(shù)仍仍按按照照摩摩爾爾定定律律發(fā)發(fā)展展。。一、、芯芯片片尺尺寸寸越越來來越越大大：：片上上功功能能的的增增加加，，實實現(xiàn)現(xiàn)芯芯片片系系統(tǒng)統(tǒng)。。二、、工工作作頻頻率率越越來來越越高高運算算速速度度的的提提高高，，提提高高了了對對封封裝裝技技術(shù)術(shù)的的要要求求。。三、、發(fā)發(fā)熱熱量量日日趨趨增增大大途徑徑：：降降低低電電源源電電壓壓；；增增加加散散熱熱通通道道（（成成本本與與重重量量））四、、引引腳腳數(shù)數(shù)越越來來越越多多造成成單單邊邊引引腳腳間間距距縮縮短短。。微電電子子封封裝裝的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢-IC發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢一、、封封裝裝尺尺寸寸小小型型化化（（更更輕輕和和更更薄?。┏⌒⌒托托拘酒夥庋b裝形形式式的的出出現(xiàn)現(xiàn)順順應(yīng)應(yīng)了了電電子子產(chǎn)產(chǎn)品品的的輕輕薄薄短短小小的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢。。解決決辦辦法法：：新新型型封封裝裝型型式式和和微微納納技技術(shù)術(shù)的的采采用用。。獲獲得得芯芯片片尺尺寸寸的的最最小小化化：：IC芯芯片片尺尺寸寸最最小小化化？？圓片片級級封封裝裝技技術(shù)術(shù)（（WLP））：：使使封封裝裝完完成成后后的的IC芯芯片片尺尺寸寸盡盡可可能能接接近近圓圓片片級級裸裸芯芯片片尺尺寸寸，，微電電子子技技術(shù)術(shù)發(fā)發(fā)展展對對封封裝裝的的要要求求二、、適適應(yīng)應(yīng)更更高高得得散散熱熱和和電電性性能能要要求求1、、IC功功能能集集成成度度增增大大，，功功耗耗增增加加，，封封裝裝熱熱阻阻增增大大2、、電電信信號號延延遲遲和和串串擾擾等等現(xiàn)現(xiàn)象象嚴嚴重重解決途徑徑：1、降低低芯片功功耗：雙雙極型-PMOS-CMOS-？？？？2、增加加材料的的熱導率率：成本本微電子技技術(shù)發(fā)展展對封裝裝的要求求三、集成成度提高高適應(yīng)應(yīng)大芯片片要求CTE失失配—熱熱應(yīng)力和和熱變形形解決途徑徑：1、采用用低應(yīng)力力貼片材材料：使使大尺寸寸IC采采用CTE接近近Si的的陶瓷材材料，但但目前環(huán)環(huán)氧樹脂脂封裝仍仍為主流流2、采用用應(yīng)力低低傳遞模模壓樹脂脂消除除封裝過過程中的的熱應(yīng)力力和殘留留應(yīng)力。。3、采用用低應(yīng)力力液態(tài)密密封樹脂脂微電子技技術(shù)發(fā)展展對封裝裝的要求求四、高密密度化和和高引腳腳數(shù)高密度和和高I/O數(shù)造造成單邊邊引腳間間距縮短短、封裝裝難度加加大：焊焊接時產(chǎn)產(chǎn)生短路路、引腳腳穩(wěn)定性性差解決途徑徑：采用BGA技術(shù)術(shù)和TCP（載載帶）技技術(shù)成本高、、難以進進行外觀觀檢查等等。微電子技技術(shù)發(fā)展展對封裝裝的要求求五、適應(yīng)應(yīng)惡劣環(huán)環(huán)境密封材料料分解造造成IC芯片鍵鍵合結(jié)合合處開裂裂、斷路路解決辦法法：尋找找密封替替代材料料六、適應(yīng)應(yīng)高可靠靠性要求求軍工、空空間電子子產(chǎn)品的的高穩(wěn)定定要求。。七、考慮慮環(huán)保要要求無鉛產(chǎn)品品的使用用克服了了鉛污染染，但是是對焊接接溫度和和封裝耐耐熱性提提出了更更高要求求芯片可返返修性、、低成本本……微電子技技術(shù)發(fā)展展對封裝裝的要求求微電子封封裝技術(shù)術(shù)的發(fā)展展特點微電子封封裝向高高密