电子封装技术第2章.ppt

第二章 电子封装简介 级别和分类 2 1电子封装概述2 2电子封装的演变2 3电子封装的级别2 3 1零级封装技术2 3 2一级封装技术2 3 3二级封装技术2 3 4三级封装技术2 4电子封装的分类 封装技术其实就是一种将集成电路打包的技术 拿我们常见的内存来说 我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌 而是内存芯片经过打包即封装后的产品 这种打包对于芯片来说是必须的 也是至关重要的 芯片必须与外界隔离 以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降 另一方面 封装后的芯片也更便于安装和运输 由于封装技术的好坏直接影响芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板 PCB或PWB 的设计和制造 因此它是至关重要的 2 1电子封装概述 封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳 它不仅起着安放 固定 密封 保护芯片和增强导热性能的作用 而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁 芯片上的焊区用导线连接到封装外壳的引脚上 这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接 因此 对于很多集成电路产品而言 封装技术都是非常关键的一环 在制作芯片时 已经利用金属化工艺将芯片内部的元器件和芯片焊区进行了电路的连通 若要使芯片发挥其应有的功能 则需将芯片焊区最终与印刷电路板的电路进行连通 对于电子封装而言 此过程可以有三种形式 1 对于简单的芯片 或晶体管 此时的I O端口只有3 5个 因此只需要将芯片粘贴在一个底板的中心 底板上没有电路 仅起支撑芯片的作用 底板上有三四个合金引脚 将芯片焊区与引脚键合 一般为WB键合 芯片焊区和引脚一一对应 芯片粘贴和芯片焊区与引脚的键合属于零级封装 然后用塑料 陶瓷或金属等将其气密或非气密密封 完成一级封装 一级封装后的组件通过引脚再与PCB上的金属布线焊区 表面贴装形式 PCB焊区与引脚一一对应 或金属化通孔 通孔插装形式 金属化通孔与引脚一一对应 焊接 以连通外电路 此为二级封装 3 利用WB TAB或FCB技术直接将芯片焊接在PCB的焊区上 即跳过了一级封装 直接进行二级封装 称为直接芯片安装技术 也称无封装组装 前面两种形式均对芯片进行了密封 封装 然后封装体通过引脚 焊球等与PCB连接 而直接芯片安装技术略去了一次封装 直接与PCB或其他基板连接 注 芯片焊区 基板焊区 封装引脚以及PWB通孔或焊区相互之间是一一对应的 2 随着芯片集成的元器件数量的增加 I O端口数 引脚数 急剧增加 需将芯片粘贴在一个含有电路的基板上 基板焊区与基板电路连通 基板可以是单层的 也可以是多层的 对于简单的基板 有对应的引脚与基板表面的焊区钎焊在一起 此时只需将芯片粘贴在基板的承片区域 并用WB技术将芯片焊区与引脚或基板焊区键合 密封之后的封装体通过引脚与PCB连通 复杂的基板往往是多层烧结在一起的 每一层内有金属化布线和金属化的通孔 通孔与基板焊区一一对应 而引脚钎焊在通孔内 芯片粘贴在承片区域后 用WB TAB或FCB技术将芯片焊区与基板焊区键合 键合之后进行密封 这样芯片经芯片焊区 基板焊区 金属化通孔 引脚 PCB板 最终与PCB建立电路连通 微电子封装的定义 所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳 它不仅起着安放 固定 密封 保护芯片和增强电热性能的作用 而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁 科学的定义 封装 这个词用于电子工程的历史并不很久 在真空电子管时代 将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为 组装或装配 当时还没有 封装 这一概念 微电子封装的定义 狭义的封装技术可定义为 利用膜技术及微细连接技术 将半导体元器件及其他构成要素 在框架 底板 或基板上布置 固定及连接 引出接线端子 并通过可塑性绝缘介质灌封固定 构成整体立体结构的工艺技术 主要指一级封装 广义的电子封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的 物理的功能 转变为能适用于设备或系统的形式 并使之为人类社会服务的科学与技术 功能性的定义 基板材料有陶瓷 玻璃 有机材料 Si 金刚石或它们的复合材料 基板可以是单层也可以是多层 每一层 基板材料上覆有铜箔 在基板材料 覆铜箔层压板上 有选择地进行孔加工 化学镀铜 电镀铜 蚀刻等加工 得到所需电路图形 PWB或PCB往往特指含印刷电路的有机材质的基板 一般情况下 在PWB上的封装称为二级封装 在框架或基板上的封装称为一级封装 一级封装后 还需利用通孔插装或表面安装的方式与PWB连接 芯片的载体是硅片 芯片上集成晶体管等多种元件 将一级封装和其他元器件组装到印刷电路板上 印刷电路板的材质不是硅片 而是有机材料等 一级封装引脚与PCB建立电路的连通 将独立显卡 或内存条 插到主板上属于三级封装 将一个或多个芯片进行封装 包含芯片焊区与封装引脚或基板焊区的电路连通 将二级封装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板的组装 二级封装的引出端与母板电路连通 通过各级封装和电路的互连 才使芯片和各种元器件实现应有的功能 并保证工作的可靠性 板上芯片 直接芯片封装 将裸芯片直接粘贴在PWB上 键合之后胶封 在IC芯片与各级封装之间 必须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装的引脚或基板焊区连接起来才可以形成功能 这种芯片互连称为芯片的零级封装 包含芯片焊区和各级封装的粘接以及电路的互连 芯片互连 零级封装 在整个电子封装中占有举足轻重的地位 并贯穿于封装的全过程 注 在一级 二级和三级封装过程中 若涉及到芯片的互连 则此封装过程包含零级封装 此外 IC芯片内部的元器件通过金属化进行电路的连通不属于零级封装 属于前道工序 而零级封装等各级封装组装均属于后道工序 电子封装可分为零级封装 晶片级的连接 waferlevel 一级封装 单晶片或多个晶片组件或元件 chiplevel 二级封装 印制电路板级的封装 boardlevel 和三级封装 整机的组装 systemlevel 通常把零级和一级封装称为电子封装 技术 而把二级和三级封装称为电子组装 技术 一级封装 二级封装 三级封装 零级封装 注 也可将芯片通过引线键合 TAB或倒装焊接的方式直接焊接在印刷电路板 板卡 上 跳过了一级封装 直接进行二级封装 In Out 电子封装 包含零级和一级封装 树脂 EMC 金线 WIRE L F外引脚 OUTERLEAD L F内引脚 INNERLEAD 晶片 CHIP 晶片托盘 DIEPAD 一级封装产品结构 WB键合 芯片焊区 电子封装的作用和重要性 一般来说 电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能 即 1 为半导体芯片提供机械支撑和环境保护 2 接通半导体芯片的电流通路 3 提供信号的输入和输出通路 4 提供热通路 散逸半导体芯片产生的热 可以说 电子封装直接影响着集成电路和器件的电 热 光和机械性能 还影响其可靠性和成本 同时 电子封装对系统的小型化常起着关键作用 因此 集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能 热性能 机械性能和光学性能 同时必须具有高的可靠性和低的成本 可以说 无论在军用电子元器件中 或是民用消费类电路中 电子封装具有举足轻重的地位 微电子封装的技术要求 1 电源分配 电子封装首先要通过电源 使芯片与电路能流通电流 还有不同部件所需的电源也不同 因此 将不同部件的电源分配恰当 以减少电源的不必要损耗 这一点尤为重要 2 信号分配 为使电信号延迟尽可能减小 在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I O引出的路径达到最短 对于高频信号 还应考虑信号的串扰 以进行合理的信号分配布线和接地线分配 3 机械支撑 微电子封装为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑 并能适应各种工作环境和条件的变化 4 散热通道 各种微电子封装都要考虑器件 部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题 不同的封装结构和材料具有不同的散热效果 对于功耗大的微电子器件封装 还要考虑附加的散热方式 以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作 5 环境保护 半导体器件和电路的许多参数 以及器件的稳定性 可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关 半导体芯片制造出来后 在没有将其封装之前 始终都处于周围环境的威胁之中 在使用中 有的环境条件极为恶劣 必须将芯片严加密封和包封 所以 微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要 2 2电子封装的演变 晶体管发明之后 为了方便晶体管在电路中的使用和焊接 需要外壳外接引脚和支撑作用的外壳底座 为了保护芯片不受污染 需要用外壳密封 50年代 封装以三根引线的TO型 TransistorOutline 晶体管外壳 金属 玻璃封装外壳为主 此时的粘贴底板不含电路 后来又发展为各类陶瓷 塑料封装外壳 内含一个或多个晶体管 随着集成度的提高 晶体管越来越小 电路连线也相应缩短 人们将大量的无源元件 电阻 电容和电感等 和布线集成在二维电路中 成为薄膜或厚膜集成电路 再在电路上安装有源器件 晶体管等 从而形成了混合集成电路 HIC 此时的晶体管是单个装在HIC电路中的 之后 科学家将元器件和布线以及晶体管全部集成在一块Si片上 这就是集成电路 IC 早期集成电路的封装仍然采取TO型封装 但随着集成度的提高 IC芯片由集成21 26个元器件的小规模迅速发展为集成26 211个元器件的中等规模 相应的I O引脚也由数个增加至数十个 因此要求封装引脚也越来越多 TO型封装外壳已难以适应 TO型外壳只有3 5个引脚 60年代 相继开发出了SIP 单列直插式引脚封装 和DIP 双列直插式引脚封装 4 64个I O引脚 封装技术 此时的芯片是粘贴在一块内含电路的陶瓷互连基板上 SIP DIP 注 将一级封装体的引脚插在PWB的金属化通孔里 然后进行焊接组装 此为通孔插装技术 70年代是IC飞速发展的时期 一块硅片已可集成211 216个元器件 成为大规模IC LSI 除此之外 集成的对象也发生了根本的变化 集成电路可以是一个具有复杂功能的部件 如电子计算器 也可以是一台电子整机 如单片电子计算机 同时芯片尺寸也在增大 80年代初期 电子封装技术向两个方面发展 通孔插装技术向高I O方向发展 出现了针栅阵列封装工艺 PGA 其引脚由双列排列发展为面阵型 因此引脚数大大提高 引脚数大大提高 可达数百上千个 但仍属于直插式组装 开发出了表面安装技术 随着芯片尺寸以及I O数的增加 用于粘贴芯片的互连基板尺寸也在增加 由于陶瓷很难做成大尺寸的平整基板 逐渐选用有机基板替代陶瓷基板 由于有机基板材质的制约 传统的直插式插装不适于基板的组装 出现了电子封装组装技术的一场革命 表面安装技术 SMT SMT技术产生之后 与此相适应的各类表面安装元器件 SMC或SMD 电子封装也逐渐开发出来 如无引脚陶瓷片式载体 LCCC 塑料有引脚片式载体 PLCC 和四边引脚扁平封装 QFP 等 注 早期的SMD的引脚数较少 如QFP的最大引脚数约为200 500个 LCCC和PLCC则更少 直到BGA技术出现之后 封装的引脚数才满足VLSI的要求 PLCC引脚弯到底部 QFP LCCC城堡式Au凹槽 超大规模集成电路 VLSI 216 221个元器件 上千个引脚数 的出现 使得QFP封装无法满足要求 电子封装引脚由周边形发展成为面阵型 传统的PGA封装可以满足低引脚数的LSI 而用PGA封装VLSI时便有了体积大 工艺复杂 无法使用SMT表面封装等缺点 因此 90年代初 开发出了集QFP和PGA优点的焊球阵列封装 BGA BGA BGA技术虽然能满足高引脚数的要求 但是其封装尺寸仍然太大 DIP技术的封装面积 芯片面积为85 1 QFP封装面积 芯片面积约为7 8 1 为此 又开发出了芯片尺寸封装 CSP 技术 其封装面积和芯片面积之比小于1 2 1 解决了长期存在的芯片小封装大的根本矛盾 CSP 为了充分发挥芯片自身的功能和性能 不需要将单个IC芯片都封装好了再组装 而是将多个未加封装的通用IC芯片和专用IC芯片先安装在多层布线基板上 再将所有芯片互连后整体封装起来 这就是所谓的多芯片组件 MCM 单芯片组件和多芯片组件均属于一级封装体 区别是对单个芯片还是多个互连芯片的封装 上述封装都是二维电子封装 在其基础上又发展成为三维封装技术 使得电子产品的密度更高 功能更强 可靠性更高 成本更低 未来的微电子封装将向系统级封装 SOP或SIP SystemInaPackage 发展 即将各类元器件 布线 介质以及各种通用IC芯片和专用IC芯片甚至射频和光电器件都集成于一个电子封装系统内 焊球阵列 BGA 塑封BGA PBGA 倒装芯片BGA FCBGA 载带BGA TBGA 带散热器BGA EBGA 陶瓷BGA CBGA 芯片尺寸封装 CSP 单列直插式封装 SIP 双列直插封装 DIP 针栅阵列封装 PGA 表面安装技术 SMT 表面安装式封装 SMP 陶瓷无引脚片式载体 LCCC 塑料有引脚片式载体 PLCC 小外形封装 SOP 四边引脚扁平封装 QFP 窄节距小外形封装 SSOP 薄型小外形封装 TSOP 超小外形封装 USOP 薄型PQFP TPQFP 70年代末 80年代初 80年代中期 80年代末期 90年代初 晶体管封装TO 微电子封装技术的发展特点 1 向高密度和高I O引脚数发展 引脚由四边引出向面阵列发展DIP适合100个以下引脚的封装要求 QFP适合300个以下的引脚 陶瓷BGA CBGA 为625个引脚 塑封BGA PBGA 为2600个引脚以上 2 微电子封装向表面安装式封装 SMP 发展 以适合表面安装技术 SMT 3 从陶瓷封装向塑料封装发展4 从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移后道工序的封装对芯片有很大的制约 芯片制造投资大 发展慢 而后道封装投资小 见效快 电子封装技术可分为四个级别 从零级封装到一级 二级 三级封装 2 3电子封装的级别 零级封装是通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装建立电路连通 利用引脚或布线焊区 贯穿于一级 二级和三级封装的整个过程 一级封装是将一个或多个集成电路芯片用金属 陶瓷 塑料或它们的组合封装起来 将二级封装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板的组装 将一级封装和其他元器件一同组装到印刷电路板上 2 3 1零级封装技术 芯片互连级 在IC芯片与各级封装之间 必须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装的引脚或焊区连接起来才可以形成功能 这种芯片互连称为芯片的零级封装 包含芯片焊区和各级封装的粘接以及电路的互连 芯片互连级 零级封装 在整个电子封装中占有举足轻重的地位 并贯穿于封装的全过程 芯片互连技术主要有引线键合 wirebonding WB 载带自动焊 tapeautomatedbonding TAB 倒装焊 flipchipbonding FCB 三种 还有一种芯片互连技术 埋置芯片互连技术 后布线技术 从略 WB技术属于引线连接 TAB FCB属于无引线连接 1 WB互连技术这是一种传统的 最常用的 也是最成熟的芯片互连技术 目前各类芯片仍以这种互连方法为主 它可分热压焊 超声焊 热压超声焊 金丝球焊 三种方式 通常所用的焊丝材料是经过退火的细Au丝和掺少量Si的Al丝 Au丝适于在芯片的铝焊区和封装的Au引脚或基板 或印刷电路板 的Au布线焊区上热压焊或热压超声焊 而Al丝适于在芯片的铝焊区和封装Al Au引脚或基板 或印刷电路板 的Al Au布线焊区上超声焊 WB焊接灵活方便 焊点强度高 通常能满足70 m以上芯片焊区尺寸和节距的焊接需要 2 TAB互连技术TAB是1971年由GE公司开发出来的薄型芯片互连技术 1987年以后兴旺起来 它是连接芯片焊区和封装基板 或PCB 焊区的 桥梁 一般不用来与引脚连接 它包括芯片焊区凸点形成 载带引线制作 载带引线与芯片凸点焊接 称为内引线焊接 载带 芯片互连后的基板 或PCB 粘接和最后的载带引线与基板 或PCB 焊区的外引线焊接几个部分 由于封装尺寸小 TAB在一部分高I O引脚数的LSI VLSI及超薄型电子产品中代替了WB TAB技术可以出现在一级和二级封装过程中 与基板焊区的键合封装为一级封装 与PCB焊区的键合封装为二级封装 3 FCB键合互连技术FCB是芯片面朝下 将芯片焊区与基板 或PCB 焊区直接互连的技术 一般不需引脚连接 先将芯片的焊区形成一定高度的金属凸点 然后倒装焊到基板或PCB相对应的焊区上 也可在基板或PCB焊区位置上形成凸点 因为互连焊接的 引脚 长度即是凸点的高度 所以互连线最短 芯片的安装面积小 且不论芯片凸点多少 都可一次倒装焊接完成 工艺简单 效率高 特别适于高I O引脚数的LSI和VLSI芯片的互连 适合需要多芯片安装的高速电路应用 前两种互连技术一般是将芯片面朝上与基板等相连 2 3 2一级封装技术一级封装是将一个或多个集成电路芯片用合适的金属 陶瓷 塑料以及它们的组合封装起来 同时 在芯片的焊区与封装的引脚或基板布线焊区间建立电路连通 一级封装包括单芯片 singlechipmodules SCM 组件和多芯片 multichipmodules MCM 组件 键合 装片 划片 贴片 卸膜 来料检查 清洗 贴膜 磨片 键合检查 塑封 后烘 电镀 打标 切筋打弯 包装 品质检验 产品出货 切筋检验 一级封装工艺框图 具体封装工艺流程见下页 已经集成了晶体管 电路等的硅圆片 一级封装工艺 用高倍显微镜检查具有图形矩阵的硅片 芯片在制造和搬运过程中产生的缺陷 来料检查lncominglnspection 对硅片背面研磨时 需要将硅片正面粘接固定 因此 磨片之前 在硅片正面的表面上贴一层保护膜以防止在磨片过程中硅片表面电路受损 在划片之前 会去除此保护膜 贴膜Attaching和卸膜 对硅片背面进行减薄 使其变得更轻更薄 以满足封装工艺要求 磨片Backgrinding 在将硅片切割成单个芯片之前 使用保护膜和金属框架将其固定 贴片WaferMounting 将硅片切成单个的芯片 并对其进行检测 只有切割后经过检测合格的芯片可进入下道工序 划片Dicing 1 钻石划片法 钻石划法是第一代划片技术 此方法要求晶片在精密工作台上精确地定位 然后用尖端镶有钻石的划片器从划线的中心划过 划片器在晶片表面划出了一条浅痕 晶片通过加压的圆柱滚轴后芯片得以分离 当晶片超过一定厚度时 划片法的可靠性就会降低 划片有两种方法 钻石划片分离和锯片分离 2 锯片法 厚晶片的出现使得锯片法的发展成为划片工艺的首选方法 此工艺使用了两种技术 并且每种技术开始都用钻石锯片从芯片划线上经过 对于薄的晶片 锯片降低到晶片的表面划出一条深入1 3晶片厚度的浅槽 芯片分离的方法仍沿用划片法中所述的圆柱滚轴加压法 第二种划片的方法是用锯片将晶片完全锯开成单个芯片 将切割好的芯片从划片贴膜上取下 将其放到引线框架 封装底板或基板上 并用导电胶等固定 装片DieAttaching 引线框架是用合金材料制作的框架 将芯片粘贴在框架中心 经键合和密封后将框架下部切断形成引脚 若不用引线框架 则需将芯片粘贴在底板或基板上 并在底板或基板焊区钎焊引脚 用金线将芯片上的焊区 或引线孔 与封装内引脚或布线焊区连接 完成内引线的键合 使芯片与封装体电路相连 键合WireBonding 注 装片和引线键合属于零级封装 塑封元件的线路 以保护元件免受外力损坏 同时加强元件的物理特性 便于使用 塑封后的芯片要对塑封材料进行固化 使其有足够的硬度和强度经过整个封装过程 同时 使用铅或锡等电镀材料进行电镀 防止引线框架生锈或者受到其他污染 塑封Molding 根据客方的需要 使用不同的材料在封装的表面进行打印标记 用于识别 打标Marking 去除管脚根部多余的塑膜和管脚连接边 并将引脚弯曲 封装体外面的引脚称为外引脚 切筋打弯Trimming Forming 封装好的芯片最后要经过品质检验合格才能出货 品质检验QualityAssurance 产品出货Shipping 树脂 EMC 金线 WIRE L F外引脚 OUTERLEAD L F内引脚 INNERLEAD 晶片 CHIP 晶片托盘 DIEPAD 一级封装产品结构 WB键合 芯片焊区 2 3 3二级封装技术二级封装实际上是一种组装 未体现 封 装的概念 将一级封装件 各种类型的元器件及板上芯片一同安装到印刷电路板上 二级封装中 一般不单独加以封装 即二级封装件不进行 塑封 等处理 如显卡等 只有当二级封装件已是完整的功能部件或整机 如计算器 手机 为便于使用并保护封装件 最终也要将其安装在统一的壳体中 二级封装技术又分通孔安装技术 THT 表面安装技术 SMT 芯片直接安装技术 DCA 三种 三种封装经常组合进行 这一封装后使其成为电子系统 或整机 的插卡 插板 或母板 一级封装 其中包含零级封装 二级封装 基板 2 3