集成电路ic的电子封装从dip到lga.doc

目前，电子封装技术的定位已从连接、组装等一般性生产技术逐步演变为实现高度多样化电子信息设备的一个关键技术。更高密度、更小凸点、无铅工艺等都需要全新的电子封装技术，以适应消费电子电子产品市场快速变化的特性需求。而电子封装技术的推陈出新，也已成为半导体及电子制造技术继续发展的有力推手，并对半导体前道工艺和表面贴装（smt）技术的改进产生着重大影响。为了迎合后端组件电子封装和前端装配的融合趋势，电子封装业者及其设备供应商与smt制造商和设备商之间只有密切合作，才能真正满足消费电子时代的市场需求。由工艺决定设备及配置，这就是中国电子制造业未来的发展趋势。中国的半导体电子封装正处于高速发展阶段，电子组装业的扩张已有放缓之势。在此背景下，加强电子封装、组装产业间的技术交流与协作，将对推动中国半导体电子封装、电子组装业持续高速发展起到积极的作用。但令人遗憾的是，目前国内将电子封装与电子组装有机衔接的交流平台却较少。如果说倒装芯片凸点生成是半导体前道工艺向后道电子封装的延伸，那么，基于引线键合的硅片凸点生成则是电子封装技术向前道工艺的扩展。我们不难观察到，面向部件、系统或整机的多芯片组件（mcm）电子封装技术的出现，彻底改变了电子封装只是面向器件的概念，由于mcm技术是集pcb、混合电路、smt及半导体技术于一身的集合体，所以我们可称之为保留器件物理原型的系统。随着01005元件、高密度csp电子封装的广泛使用，元件的安装间距将从目前的0.15mm向0.1mm / 发展，这势必决定着smt从设备到工艺都将向着满足精细化组装的应用需求发展。但sip、mcm、3d等新型电子封装形式的出现，使得当今电子制造领域的生产过程中遇到的问题日益增多。料由于多芯片模组等复杂电子封装的物理设计、尺寸或引脚输出没有一定的标准，这就导致了虽然新型电子封装可满足市场对新电子产品的上市时间和功能需求，但其技术的创新性却使smt变得复杂并增加了相应的组装成本。在整个电子行业中，新型电子封装技术正推动制造业发生变化，市场上出现了整合主动和被动组件、模拟和数字电路，甚至含有功率组件的电子封装模组，这种将传统分离功能混合起来的技术手段，正在使后端组件电子封装和前端装配融合变成一种趋势。新型电子封装技术促使组件的后端电子封装工序与贴装工艺前端工序逐渐整合，很有可能会引发smt产生一次工艺革新。可以说，元器件是smt技术的推动力，而smt的进步也推动着芯片电子封装技术不断提升。片式元件是应用最早、产量最大的表面贴装元件，自打smt形成后，相应的ic电子封装则开发出了适用于smt短引线或无引线的lccc、plcc、sop等结构。四侧引脚扁平电子封装（qfp）实现了使用smt在pcb或其他基板上的表面贴装，bga解决了qfp引脚间距极限问题，csp取代qfp则已是大势所趋，而倒装焊接的底层填料工艺现也被大量应用于csp器件中。可以预见，随着无源器件以及ic等全部埋置在基板内部的3d电子封装最终实现，引线键合、csp超声焊接、dca、pop（堆叠装配技术）等也将进入板级组装工艺范围。所以，smt如果不能快速适应新的电子封装技术则将难以持续发展，从foundry厂得到圆片进行减薄、中测打点后，即可进入后道电子封装。电子封装对集成电路起着机械支撑和机械保护、传输信号和分配电源、散热、环境保护等作用。芯片的电子封装技术已经历了好几代的变迁，从dip、qfp、pga、bga到csp再到mcm，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与电子封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。近年来电子电子产品朝轻、薄、短、小及高功能发展，电子封装市场也随信息及通讯电子产品朝高频化、高i/o数及小型化的趋势演进。由1980年代以前的通孔插装(pth)型态，主流电子产品为进展至1980年代以技术衍生出的电子封装方式，在ic功能及i/o脚数逐渐增加后，1997年intel率先由qfp电子封装方式更新为bga(ballgridarray，球脚数组矩阵)电子封装方式，除此之外，近期主流的电子封装方式有csp(chipscalepackage芯片级电子封装)及flipchip(覆晶)。bga(ballgridarray)电子封装方式是在管壳底面或上表面焊有许多球状凸点，通过这些焊料凸点实现电子封装体与基板之间互连的一种先进电子封装技术。bga电子封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年，日本西铁城（citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列电子封装的芯片（即bga）。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发bga的行列。1993年，摩托罗拉率先将bga应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、pc电脑上加以应用。直到五六年前，intel公司在电脑cpu中（即奔腾ii、奔腾iii、奔腾iv等），以及芯片组（如i850）中开始使用bga，这对bga应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前，bga已成为极其热门的ic电子封装技术，其全球市场规模在2000年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。bga电子封装比qfp先进，更比pga好，但它的芯片面积/电子封装面积的比值仍很低。tessera公司在bga基础上做了改进，研制出另一种称为bga的电子封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/电子封装面积的比为1:4，比bga前进了一大步。随着全球电子电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，对集成电路电子封装要求更加严格。1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/电子封装面积=1:1.1的电子封装结构，其电子封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个ic芯片有多大，电子封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的电子封装形式，命名为芯片尺寸电子封装，简称csp(chipsizepackage或是一种电子封装外壳尺寸最接近籽芯(die)尺寸的小型电子封装，具有多种电子封装形式，其电子封装前后尺寸比为1：1.2。它减小了芯片电子封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，电子封装尺寸就有多大。即电子封装后的ic尺寸边长不大于芯片的1.2倍，ic面积只比晶粒（die）大不超过1.4倍。csp有两种基本类型：一种是电子封装在固定的标准压点轨迹内的，另一种则是电子封装外壳尺寸随芯尺寸变化的。常见的csp分类方式是根据电子封装外壳本身的结构来分的，它分为柔性csp，刚性csp，引线框架csp和圆片级电子封装(wlp)。柔性csp电子封装和圆片级电子封装的外形尺寸因籽芯尺寸的不同而不同；刚性csp和引线框架csp电子封装则受标准压点位置和大小制约。csp电子封装适用于脚数少的ic，如内存条和便携电子电子产品。未来则将大量应用在信息家电（ia）、数字电视（dtv）、电子书（e-book）、无线网络手机芯片、蓝芽（bluetooth）等新兴电子产品中。flipchip技术起源于1960年代，为ibm开发出之技术，flipchip技术是在i/opad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转佳热利用熔融的锡铅球与陶瓷机板相结合此技术替换常规打线接合，逐渐成为未来的电子封装主流，当前主要应用于高时脉的及chipset等电子产品为主。lga(landgridarray)：矩栅阵列(岸面栅格阵列)是一种没有焊球的重要电子封装形式，它可直接安装到印制线路板(pcb)上，比其它bga电子封装在与基板或衬底的互连形式要方便的多，被广泛应用于微处理器和其他高端芯片电子封装上圆柱栅格阵列，又称柱栅阵列电子封装1999年第三季度，wavecom的工程师开始研究插座形式以外的其它解决方法。他们首先尝试球栅矩阵电子封装（ballgridarray）直接在pcb板上进行焊装。这种方法同时解决了装配和屏蔽问题，因为球珠组成的环形可以减少电磁干扰。但球珠型式体积超大，造成了整体尺寸的相应扩大。最终，这个问题在1999年底得到了解决。当时wavecom的工程师发现用2微米长、0.4微米宽的微型金属柱组成格栅，它既可提供电路连接，又控制了电磁干扰，并且有效地节约了部件的总体体积。柱栅阵列电子封装方法使用特别设计的塑料框架，其中放置200多个微型格栅，它最终解决了电磁屏蔽和电路连接问题，同时易于使用。pga芯片电子封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的pga插座。为使cpu能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为zif的cpu插座，专门用来满足pga电子封装的cpu在安装和拆卸上的要求是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，cpu就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将cpu的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸cpu芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，cpu芯片即可轻松取出。qfp电子封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种电子封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式电子封装的芯片必须采用smd（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用smd安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的方式电子封装的芯片与qfp方式基本相同。唯一的区别是qfp一般为正方形，而pfp既可以是正方形，也可以是长方形。芯片直接贴装技术（directchipattach简称dca），也称之为板上芯片技术（chip-on-board简称cob），是采用粘接剂或自动带焊、丝焊、倒装焊等方法，将裸露的集成电路芯片直接贴装在电路板上的一项技术。倒装芯片是cob中的一种（其余二种为引线键合和载带自动键合），它将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈现阵列排列的焊料凸点来实现芯片与衬底的互连。它提供了非常多的优点；消除了对引线键合连接的要求；增加了输入/输出（i/o）的连接密度；以及在印刷电路板上所使用的空间很小。与引线键合相比,它实现了较多的i/o数量、加快了操作的速度。sop也是一种很常见的电子封装形式，始于70年代末期。sop电子封装的应用范围很广，而且以后逐渐派生出soj（j型引脚小外形电子封装）、tsop（薄小外形电子封装）、vsop（甚小外形电子封装）、ssop（缩小型sop）、tssop（薄的缩小型sop）及sot（小外形晶体管）、soic（小外形集成电路）等在集成电路中都起到了举足轻重的作用。像主板的频率发