集成电路封装技术及其特性的分析.doc

集成电路封装技术及其特性的分析集成电路封装技术及其特性的分析摘要：电子封装封装最初的定义是：保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。所以，在最初的微电子封装中，是用金属罐 (metal can) 作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。通常认为，封装主要有四大功能，即功率分配、信号分配、散热及包装保护，它的作用是从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。近年来，国内外集成电路(IC)市场的需求不断上升，产业规模发展迅速，IC产业已成为国民经济发展的关键。旺盛的封测市场需求给国内的封测企业带来了良好的发展机遇，中国封装测试产业目前正在逐步走向良性循环。集成电路设计人员虽然不需要直接参与集成电路的工艺流程，了解工艺的每一个细节，但了解集成电路制造工艺的基本原理和过程，对于集成电路设计是大有帮助的。因此，本章首先简单介绍集成电路的基本加工工艺。这些工艺可应用于各类半导体器件和集成电路的制造。关键词：集成电路封装技术、载体、封装形式、芯片集成电路封装技术及其特性的分析一、 集成电路封装技术。1.集成电路封装的作用：（1）对集成电路起4机械支撑和保护作用。集成电路芯片要依托不同类型的封装才能应用到各个领域的不同场所，已满足整机装配的需要。（2）对集成电路起着信号传输和电源分配的作用。各种输入/输出信号和电源/地只有通过封装上的引线才能将芯片和外部电子系统相关联，集成电路的功能才能得到实现和发挥。（3）对集成电路起着散热的作用。集成电路工作时会发热，这些热量如果不散掉，就会使芯片温升过高，从而影响芯片的性能甚至失效。因此，集成电路要通过过封装来散热。（4）对集成电路起着环境保护的作用。集成电路若无封装保护，容易受到化学污染等环境损伤，性能无法实现。所以，封装对集成电路各种性能的正确实现起着重要的保证作用。2.各种形式的集成电路封装：（1） DIP封装形式。(图1)DIP(DualInline Package)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。DIP封装具有以下特点：1.适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。SIP:单列直插式封装.该类型的引脚在芯片单侧排列,引脚节距等特征与DIP基本相同.ZIP:Z型引脚直插式封装.该类型的引脚也在芯片单侧排列,只是引脚比SIP粗短些,节距等特征也与DIP基本相同. S-DIP:收缩双列直插式封装.该类型的引脚在芯片两侧排列,引脚节距为1.778 mm,芯片集成度高于DIP. SK-DIP:窄型双列直插式封装.除了芯片的宽度是DIP的1/2以外,其它特征与DIP相同.PGA:针栅阵列插入式封装.封装底面垂直阵列布置引脚插脚,如同针栅.插脚节距为2.54 mm或1.27mm,插脚数可多达数百脚.用于高速的且大规模和超大规模集成电路. SOP:小外型封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,字母L状.引脚节距为1.27mm. MSP:微方型封装.表面贴装型封装的一种,又叫QFI等,引脚端子从封装的四个侧面引出,呈I字形向下方延伸,没有向外突出的部分,实装占用面积小,引脚节距为1.27mm.（2） 芯片载体封装。80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸2828mm，芯片尺寸1010mm，则芯片面积/封装面积=1010/2828=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是: 1)适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线; 2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用; 3)操作方便; 4)可靠性高。 在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。1（3） BGA球栅阵列封装形式。90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种-球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。如图3 1）PBGA（plasricBGA）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。2）CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（F，简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。3）FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。4）TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。5）CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有: 1）I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率; 2）虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能: 3）厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上; 4）寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高; 5）组装可用共面焊接，可靠性高; 6）BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大; Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium 采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。 （4）PQFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。QFP（Plastic Quad Flat Package）四方扁平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封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式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。引脚端子从封装的两个侧面引出,呈L字形,引脚节距为1.0mm,0.8mm,0.65mm,0.5mm,0.4mm,0.3mm,引脚可达300脚以上.PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与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。 QFP/PFP封装具有以下特点：1）适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。2）适合高频使用。3）操作方便，可靠性高。4）芯片面积与封装面积之间的比值较小。Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。TQFP封装（5）PGA插针网格阵列封装。PGA(Pin Grid Array Package)芯片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封装的CPU在安装和拆卸上的要求。ZIF(Zero Insertion Force Socket)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。PGA封装具有以下特点：1） 插拔操作更方便，可靠性高。 2）可适应更高的频率。（6） CSP芯片尺寸封装随着全球 电子 产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP(Chip Size Package)。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的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:芯片级封装.一种超小型表面贴装型封装,其引脚也是球形端子,节距为0.8mm,0.65mm,0.5mm等.CSP封装又可分为四类：1）Lead Frame Type(传统导线架形式)，代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等等。2）Rigid Interposer Type(硬质内插板型)，代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。3）Flexible Interposer Type(软质内插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。4）Wafer Level Package(晶圆尺寸封装)：有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。CSP封装具有以下特点：1）满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。2）芯片面积与封装面积之间的比值很小。3）极大地缩短延迟时间。CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。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 WLANGigabitEthemet、ADSL手机芯片、蓝芽（Bluetooth）等新兴产品中。（7） 面向未来的新的封装技术。BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/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的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其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，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装具有以下特点: 1）满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要; 2）解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题; 3）封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。 曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有: 1）封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化; 2）缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3; 3）可靠性大大提高。 随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。 随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。 二、集成电路封装技术特性的分析。SOJ:小外形J引脚封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,呈J字形,引脚节距为1.27mm. TCP:带载封装.在形成布线的绝缘带上搭载裸芯片,并与布线相连接的封装.与其他表面贴装型封装相比,芯片更薄,引脚节距更小,达0.25mm,而引脚数可达500针以上.1.贴片电阻常见封装有9种，用两种尺寸代码来表示。一种尺寸代码是由4位数字表示的EIA(美国电子工业协会)代码，前两位与后两位分别表示电阻的长与宽，以英寸为单位。我们常说的0603封装就是指英制代码。另一种是米制代码，也由4位数字表示，其单位为毫米。下表列出贴片电阻封装英制和公制的关系及详细的尺寸： 英制(inch)公制(mm)长(L)(mm)宽(W)(mm)高(t)(mm)a(mm)b(mm)020106030.600.050.300.050.230.050.100.050.150.05040210051.000.100.500.100.300.100.200.100.250.10060316081.600.150.800.150.400.100.300.200.300.20080520122.000.201.250.150.500.100.400.200.400.20120632163.200.201.600.150.550.100.500.200.500.20121032253.200.202.500.200.550.100.500.200.500.20181248324.500.203.200.200.550.100.500.200.500.20201050255.000.202.500.200.550.100.600.200.600.20251264326.400.203.200.200.550.100.600.200.600.20Note：我们俗称的封装是指英制。 贴片电阻的功率是指通过电流时由于焦耳热电阻产生的功率。可根据焦耳定律算出：P=I2 R。 额定功率 ： 是指在某个温度下最大允许使用的功率，通常指环境温度为70C时的额定功率。 额定电压：可以根据以下公式求出额定电压。 额定电压(V) 额定功率(W) 标称阻值()最高工作电压 ：允许加载在贴片电阻两端的最高电压。 贴片电阻的封装与功率、电压关系如下表： 封装额定功率(W) 70C最高工作电压(V)工作温度(C)英制(inch)公制(mm)常规功率系列0100504021/3215-55 +125020106031/2025040210051/1650-55 +155060316081/1050080520121/8150120632161/4200121032251/4200-55 +125201050251/2200251264321200图1 (-55 +125)功率及环境温度降额曲线图图2 (-55 +155)功率及环境温度降额曲线图注意事项 ： 设计和使用贴片电阻时，最大功率不能超过其额定功率，否则会降低其可靠性。 一般按额定功率的70%降额设计使用。 也不能超过其最大工作电压，否则有击穿的危险。 一般按最高工作电压的75%降额设计使用。 当环境温度超过70C，必须按照降额曲线图(图1,图2)降额使用。2.贴片电容。贴片电容(单片陶瓷电容器)是目前用量比较大的常用元件，就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格，不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法，这里我们引用的是AVX公司的命名方法，其他公司的产品请参照该公司的产品手册。 NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。 1）NPO电容器 NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。 NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。在温度从-55到 125时容量变化为030ppm/，电容量随频率的变化小于0.3C。NPO电容的漂移或滞后小于0.05%，相对大于2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同，大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。 封 装 DC=50V DC=100V 0805 0.5-1000pF 0.5-820pF 1206 0.5-1200pF 0.5-1800pF 1210 560-5600pF 560-2700pF 2225 1000pF-0.033F 1000pF-0.018F NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容，以及高频电路中的耦合电容。 2） X7R电容器 X7R电容器被称为温度稳定型的陶瓷电容器。当温度在-55到 125时其容量变化为15%，需要注意的是此时电容器容量变化是非线性的。 X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的，它也随时间的变化而变化，大约每10年变化1%C，表现为10年变化了约5%。 X7R电容器主要应用于要求不高的工业应用，而且当电压变化时其容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是在相同的体积下电容量可以做的比较大。下表给出了X7R电容器可选取的容量范围。 封 装 DC=50V DC=100V 0805 330pF-0.056F 330pF-0.012F 1206 1000pF-0.15F 1000pF-0.047F 1210 1000pF-0.22F 1000pF-0.1F 2225 0.01F-1F 0.01F-0.56F 3） Z5U电容器 Z5U电容器称为”通用”陶瓷单片电容器。这里首先需要考虑的是使用温度范围，对于Z5U电容器主要的是它的小尺寸和低成本。对于上述三种陶瓷单片电容起来说在相同的体积下Z5U电容器有最大的电容量。但它的电容量受环境和工作条件影响较大，它的老化率最大可达每10年下降5%。 尽管它的容量不稳定，由于它具有小体积、等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）低、良好的频率响应，使其具有广泛的应用范围。尤其是在退耦电路的应用中。下表给出了Z5U电容器的取值范围。 封 装 DC=25V DC=50V 0805 0.01F-0.12F 0.01F-0.1F 1206 0.01F-0.33F 0.01F-0.27F 1210 0.01F-0.68F 0.01F-0.47F 2225 0.01F-1