(ppt版)集成電路芯片封裝技術(shù)第1章

集成電路(jíchéng-diànlù)芯片封裝dreamtower@163第一頁，共五十一頁。教學(xué)(jiāoxué)目標(biāo)了解集成電路芯片封裝技術(shù)(jìshù)的根本原理熟知集成電路(jíchéng-diànlù)芯片封裝的工藝流程掌握集成電路芯片封裝的主要工藝技術(shù)了解IC芯片先進(jìn)封裝技術(shù)的現(xiàn)狀和開展趨勢第二頁，共五十一頁。封裝技術(shù)(jìshù)的概念微電子封裝：ABridgefromICtoSystemBoardIC第三頁，共五十一頁。封裝概念(gàiniàn)按Tummala教授(jiàoshòu)一書中的定義

“IntroductiontoMicrosystemsPackaging〞GeorgiaInstituteofTechnologyProf.RaoR.Tummala第四頁，共五十一頁?！癐ntegratedCircuit(IC)〞isdefinedasaminiatureormicroelectronicdevicethatintegratessuchelementsastransistors,dielectrics,andcapacitorsintoanelectricalcircuitpossessingaspecialfunction.“集成電路(jíchéng-diànlù)〔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?！癙ackaging〞isdefinedasthebridgethatinterconnectstheICsandothercomponentsintoasystem-levelboardtoformelectronicproducts〞封裝“是指連接集成電路和其他元器件到一個(gè)系統(tǒng)級的基板上的橋梁或手段，使之形成電子產(chǎn)品。第五頁，共五十一頁。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試、評測產(chǎn)品工藝問題定義問題不符合不符合集成電路的制造過程：設(shè)計(jì)工藝加工測試封裝第六頁，共五十一頁?！胺庋b〔Packaging〕〞用于電子工程(gōngchéng)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。封裝的出現(xiàn)(chūxiàn)第七頁，共五十一頁。60多年前的三極管，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)小嬌貴；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(yǐbiàn)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)。第八頁，共五十一頁。封裝的開展(kāizhǎn)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）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)第九頁，共五十一頁。從半導(dǎo)體和電子(diànzǐ)元器件到電子(diànzǐ)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(cóngcǐ)開始第十頁，共五十一頁。封裝工程(gōngchéng)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裝置機(jī)器設(shè)備毫米級的工程領(lǐng)域100μm的工程領(lǐng)域L、C、R分立式半導(dǎo)體器件變壓器LED芯片0.25μm的工程領(lǐng)域50μm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，電子(diànzǐ)封裝工程可分為四個(gè)層次，其中從半導(dǎo)體芯片到50μm的工程領(lǐng)域?yàn)楠M義的封裝第十一頁，共五十一頁。微電子封裝的概念(gàiniàn)狹義：芯片級ICPackaging薄膜技術(shù)和微細(xì)(wēixì)加工技術(shù)廣義：芯片級+系統(tǒng)級：封裝工程電子封裝工程：將基板、芯片(xīnpiàn)封裝體和分立器件等要素，按電子整機(jī)要求進(jìn)行連接和裝配，實(shí)現(xiàn)一定電氣、物理性能，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓麢C(jī)或系統(tǒng)形式的整機(jī)裝置或設(shè)備。第十二頁，共五十一頁。WaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipment

微電子封裝過程(guòchéng)=電子整機(jī)制作流程第十三頁，共五十一頁。微電子封裝技術(shù)(jìshù)的技術(shù)(jìshù)層次第一(dìyī)層次：零級封裝-芯片互連級〔CLP〕第二(dìèr)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(jī)系統(tǒng)構(gòu)建第十四頁，共五十一頁。微電子封裝技術(shù)(jìshù)分級第十五頁，共五十一頁。IC芯片(xīnpiàn)引線(yǐnxiàn)架導(dǎo)線(dǎoxiàn)絲鋁膜外引線封裝樹脂塑料基板塑料封裝DIP工藝導(dǎo)電粘膠超聲鍵合可在較低的溫度下使金屬絲發(fā)生塑性變形，完成固相結(jié)合。引線鍵合本錢較低第十六頁，共五十一頁。雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)(jiégòu)DIP第十七頁，共五十一頁。芯片(xīnpiàn)封裝涉及的技術(shù)領(lǐng)域芯片封裝技術(shù)涉及(shèjí)物理、化學(xué)、化工、材料、機(jī)械、電氣與自動(dòng)化等學(xué)科。所涉及(shèjí)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)用和本錢價(jià)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)。第十八頁，共五十一頁。電子(diànzǐ)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)等四大根底(gēndǐ)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、外表活性劑、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價(jià)和檢測

第十九頁，共五十一頁。封裝涉及的技術(shù)(jìshù)領(lǐng)域第二十頁，共五十一頁。電子(diànzǐ)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（3DIC）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）第二十一頁，共五十一頁。電子封裝實(shí)現(xiàn)(shíxiàn)的四種功能電互連和線間電隔離①信號分配：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)

第二十二頁，共五十一頁。信號傳遞電能傳遞主要是將電信號的延遲盡可能減小，在布線時(shí)盡可能使信號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)通第二十三頁，共五十一頁。散熱各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)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)境和條件的變化第二十四頁，共五十一頁。確定封裝要求的影響(yǐngxiǎng)因素本錢(běnqián)外形(wàixínɡ)與結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可靠性性能電路在最正確性能指標(biāo)下的最低價(jià)格機(jī)械沖擊、溫度循環(huán)、加速度——機(jī)械強(qiáng)度第二十五頁，共五十一頁。IC封裝的分類(fēnlèi)IC封裝的主要類型：①按照器件(qìjiàn)與電路板的互連方式可分為：通孔插裝式PTH〔Pinthroughhole〕外表貼裝式SMT〔Sufacemounttechnology〕目前外表貼裝式封裝已占IC封裝總量的80%以上。第二十六頁，共五十一頁。第二十七頁，共五十一頁。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第二十八頁，共五十一頁。

（6~7）%②按主要(zhǔyào)使用材料來分，有裸芯片(xīnpiàn)金屬封裝

陶瓷封裝1~2%

塑料封裝>92%第二十九頁，共五十一頁。歷史的開展過程：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)氣密封裝；金屬或陶瓷封裝可用于“嚴(yán)酷(yánkù)的環(huán)境條件〞，如軍用、宇航等，而塑封只能用于“不太嚴(yán)酷(yánkù)〞的環(huán)境；金屬封裝目前主要用于大功率的混合集成電路〔HIC〕，局部軍品及需空封器件。第三十頁，共五十一頁。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DIP第三十一頁，共五十一頁。封裝型式(xínɡshì)的開展開展(kāizhǎn)方向：輕、薄、短、小DIP—SDIP—SKDIP〔雙列式〕SOP—TSP—UTSOP〔小型(xiǎoxíng)-薄型-超薄型〕PGA—BGA〔點(diǎn)陣列式-球柵陣列式〕LeadonChip：芯片上引線封裝第三十二頁，共五十一頁。單芯片(xīnpiàn)封裝向多芯片(xīnpiàn)封裝的演變（自動(dòng)帶載焊接）芯片尺寸封裝(多芯片組件)單級集成模塊

第三十三頁，共五十一頁。表1．硅片封裝效率(xiàolǜ)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)%第三十四頁，共五十一頁。35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)第三十五頁，共五十一頁。表2．封裝厚度(hòudù)的變化封裝形式PQFP/PDIPTQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封裝厚度(mm)3.6~2.01.4~1.00.8~0.5第三十六頁，共五十一頁。封裝厚度(hòudù)比較第三十七頁，共五十一頁。表3．引線(yǐnxiàn)節(jié)距縮小的趨勢年份19801985199019952000典型封裝DIP,PGASDIP,PLCC,BGAQFPQFP,CSPCSP,DCA典型引線節(jié)距(mm)2.541.270.630.330.15~0.050第三十八頁，共五十一頁。引線(yǐnxiàn)節(jié)距的開展趨勢第三十九頁，共五十一頁。封裝技術(shù)(jìshù)與封裝材料例：陶瓷封裝與塑料(sùliào)封裝均可制作DIP與BGA類芯片，但兩類芯片的可靠性和本錢不同。封裝形態(tài)、封裝工藝、封裝材料由產(chǎn)品的電特性(tèxìng)、導(dǎo)熱性能、可靠性需求、材料工藝技術(shù)和本錢價(jià)格等因素決定。封裝形態(tài)與封裝工藝技術(shù)、封裝材料之間不是一一對應(yīng)關(guān)系。第四十頁，共五十一頁。封裝材料(cáiliào)

芯片封裝所采用的材料主要包括金屬(jīnshǔ)、陶瓷、高分子聚合物材料等。問題(wèntí)：如何進(jìn)行材料選擇？依據(jù)材料的電熱性質(zhì)、熱-機(jī)械可靠性、技術(shù)和工藝成熟度、材料本錢和供給等因素。表1.2-表1.4第四十一頁，共五十一頁。介電系數(shù)：表征材料絕緣程度的比例常數(shù)，相對值，通常介電系數(shù)大于1的材料通常認(rèn)為是絕緣材料(juéyuáncáiliào)。熱膨脹系數(shù)〔CTECoefficientofexpansion〕物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象，等壓條件下，單位溫度變所導(dǎo)致的體積變化，即熱膨脹系數(shù)表示。介電強(qiáng)度：是一種材料作為絕緣體時(shí)的電強(qiáng)度的量度。定義為試樣被擊穿時(shí)，單位厚度承受的最大電壓。物質(zhì)的介電強(qiáng)度越大，它作為絕緣體的質(zhì)量越好。封裝材料(cáiliào)性能參數(shù)第四十二頁，共五十一頁。微電子封裝技術(shù)(jìshù)開展的驅(qū)動(dòng)力一、IC開展(kāizhǎn)對微電子封裝的推動(dòng)IC開展水平的標(biāo)志：集成度和特征尺寸(chǐcun)IC開展方向：大芯片尺寸、高集成度、小特征尺寸和高I/O數(shù)。二、電子整機(jī)開展對微電子封裝的拉動(dòng)電子整機(jī)的高性能、多功能、小型化和便攜化、低本錢、高可靠性要求促使微電子封裝由插裝向貼裝開展，并持續(xù)向薄型、超薄型、窄節(jié)距開展，進(jìn)一步由窄節(jié)距四邊引腳向面陣列引腳開展。第四十三頁，共五十一頁。微電子封裝技術(shù)(jìshù)開展的驅(qū)動(dòng)力三、市場(shìchǎng)開展對微電子封裝的驅(qū)動(dòng)“吞金(tūnjīn)業(yè)〞向“產(chǎn)金業(yè)〞轉(zhuǎn)變產(chǎn)品性價(jià)比要求不斷提升、電子產(chǎn)品更新加速劇烈電子產(chǎn)品更新加速劇烈驅(qū)動(dòng)微電子封裝技術(shù)開展的是整個(gè)微電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)第四十四頁，共五十一頁。一、芯片尺寸越來越大：片上功能(gōngnéng)的增加，實(shí)現(xiàn)芯片系統(tǒng)。二、工作頻率越來越高運(yùn)算速度的提高(tígāo)，提高(tígāo)了對封裝技術(shù)的要求。三、發(fā)熱量日趨增大(zēnɡdà)途徑：降低電源電壓；增加散熱通道〔本錢與重量〕四、引腳數(shù)越來越多造成單邊引腳間距縮短。微電子封裝的開展趨勢-IC開展趨勢第四十五頁，共五十一頁。一、封裝尺寸小型化〔更輕和更薄〕超小型芯片封裝形式(xíngshì)的出現(xiàn)順應(yīng)了電子產(chǎn)品的輕薄短小的開展趨勢。解決方法：新型封裝型式和微納技術(shù)(jìshù)的采用。獲得芯片尺寸的最小化：IC芯片尺寸最小化？圓片級封裝技術(shù)(jìshù)〔WLP〕：使封裝完成后的IC芯片尺寸盡可能接近圓片級裸芯片尺寸，微電子技術(shù)開展對封裝的要求第四十六頁，共五十一頁。二、適應(yīng)(shìyìng)更高得散熱和電性能要求1、IC功能集成度增大，功耗增加，封裝熱阻增大2、電信號延遲(yánchí)和串?dāng)_等現(xiàn)象嚴(yán)重解決途徑：1、降低(jiàngdī)芯片功耗：雙極型-PMOS-CMOS-？？？2、增加材料的熱導(dǎo)率：本錢微電子技術(shù)