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第七章微电子封装的设计技术 陶瓷封装外壳 芯片 低熔点玻璃 陶瓷盖板 封装外壳的设计 封接的设计 封装引线和互连线的设计 互连线 引线 一 封装引线和互连线的设计引线和引线框架是构成集成电路封装外壳的主要组成零件 它的作用就是通过引线能够把电路芯片的各个功能瑞与外部连接起来 由于集成电路的封装外壳的种类甚多 结构形成也不一样 因此其引线的图形尺寸和使用材料也都各有特点 在集成电路使用过程中 由于引线加工和材料使用不当而造成封装外壳的引线断裂和脱焊等事例为数不少 因而如何提高引线质量 改进制造技术和开发一些新型引线是很重要的 引线的结构尺寸是根据封装外壳整体要求来设计的 引线除了要保证两引线间具有一定的距离外 而且在使用时要按一定的规格进行排列和不致松散 所以要设计成引线框架形式 这样在集成电路组装中它既能起到整齐排列的作用 也能达到保护引线的目的 在老化测试前 剪去多余的连条部分 就成为我们所需要的引线 集成电路封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引线的几何形状 在陶瓷外壳中 引线电阻又与陶瓷金属化材料和图形尺寸有关 若引线电阻过大 则会使电路增加一个不必要的电压降 从而使整个电路的功耗增大 并且影响了电路的性能 在高频模拟电路或高速数字中 封装结构的电设计非常重要 在高频模拟电路中 元件的型号及参数直接决定了电路系统的性能 而在高速的数字系统中 大部分的时钟延时被消耗在信号发送和芯片间信号的传输而造成的延迟上 封装结构的电设计 一方面是元件参数的选择及优化或通过控制信号的延迟而最大限度地发挥系统的性能 电设计的另一目标是实现噪声控制 减小系统工作时因噪声导致错误的可能性 现在来考虑传输延迟时间 信号沿传输线以介质中的光速传输 传播速度vprop 将在介质中的传输时间定义为飞行时间tf tf 式中l 内连线长度 m 由上式可见 布线的信号传输延迟时间与基板的介电常数及布线长度成正比 介电常数值越小 传输延迟时间越短 采用介电常数较小的介质作基板材料 有利于降低内连线的传输延迟时间 1 1传输延迟的影响因素 芯片 封装体 芯片 封装外壳 印制板 单芯片封装电路板 多芯片封装电路板 可大幅度减小封体积 减少互连线的长度与时延 电路总延迟时间由各元件的延迟之和组成 不同的生产厂家 由于电路和封装的加工及处理方法不同而可能引起的最大实际延迟也是不同的 1 2传输线的损耗 传输线上的损耗主要有如下三种 1 导体损耗 在信号导体和参考层 接地层与电源层 回路中用的金属材料如铜 铝等存在电阻 电流流过时引起欧姆损耗 2 介质损耗 由于介质材料对电磁波的吸收造成的损耗 3 辐射损耗 传输线的部分能量向外辐射引起的损耗 当传输线的横截面尺寸远小于传输波长时 这部分损耗可以忽略 只有在传输线的不均匀处辐射损耗才较显著 若选择损耗很小的介质如氧化铝陶瓷作基板材料 介质损耗很小 可忽略不计 但若传输线的截面积尺寸很小 特别是在薄膜mcm中的导线都极薄 导线的电阻损耗却不能不考虑 欧姆损耗由传输线的阻值决定 在直流或低频下 导线单位长度的电阻r0为 r0 式中 导线的电阻率 w 导线的宽度 t 导线的厚度 常用导体材料的电阻率 13 18 当频率较高时 导体的损耗要复杂得多 这时电流大部分集中于导体的表面 并以指数规律向内部衰减 这种现象称为趋肤效应 图中假定电流在y方向是均匀分布的 只在x方向才随深度变化而改变 这时导体的电流密度j按如下规律分布 j jse 式中js 导体表面的电流密度 沿导体表面法线方向的坐标 m s 趋肤深度 m 电流的趋肤效应 可见 当频率较高 存在趋肤效应时 就不能简单按式 13 18 计算导线的电阻 由于电流只分布于表面局部范围 导体有效截面积必小于实际截面积 导体的实有电阻比式 13 18 计算所得的结果大 信号电压v0在传输线传输过程中 按指数衰减 经过长为l的传输线后 其值变为v v v0e 式中r0 传输线单位长度上的电阻 z0 传输线的特性阻抗 传输线欧姆损耗的存在 使信号电压经衰减后上升缓慢 上升时间变长 导线电阻损耗的最终影响是导致信号电压衰减 上升时间延长 在导体损耗使信号衰减的同时 也导致反射信号的衰减 在有损耗的信号线上的反射噪声比没有损耗的信号线上的噪声要小 同时 辐射损耗又是引起串扰噪声的主要原因 这部分内容将在后面讨论 1 3反射噪声的影响因素 高速信号传输时会存在两种主要的噪声 反射和串扰 所谓高速信号传输是指信号的上升或下降时间与传输导线的传输延时相比很小 即tr 2tprop 式中 tr 信号的上升或下降时间 s tprop 传输导线的传输延时 s 负载端的电压反射系数 可表示成 式中zl 传输线的负载阻抗 z0 入射波所在传输线的特性阻抗 从上式可看出 当负载与特性阻抗匹配 zl z0时 0 称为无反射工作状态 即行波状态 无耗传输线在行波状态的特点是 沿线电压和电流的幅值不变 沿线电压和电流的相位随离源点距离的增加而连续滞后 电压和电流的相位相同 沿传输线各点的输入阻抗均等于传输线的特性阻抗 当负载短路 zl 0时 1 当负载开路 zl 时 1 当终端接纯电抗负载 zl jxl时 1 这三种情况称为全反射工作状态 即驻波状态 无耗传输线在驻波状态时 线上既无能量损耗 也无能量传输 且沿线各点的输入阻抗为纯电抗 1 4串扰噪声及其影响因素 不同电信号路径之间存在的互感和互电容会产生不必要的电耦合 从而在邻线产生串扰噪声 在信号线 芯片引脚或连接器引脚传输的高频信号 都可在邻近线产生近端串扰噪声和远端串扰噪声 1 一般来讲 随导线耦合长度的增加 串扰信号幅度线性增长 耦合线长直接影响串扰噪声的大小 图5 18是铝共烧陶瓷基板mcm的线间串扰电压与耦合线长关系的仿真结果 图5 18 mcm c中的串扰噪声曲线 2 两条线的线间距和线中心间距 由线宽和线间距组成 直接影响信号串扰噪声的大小 所以根据信号串扰噪声的需要来确定线间距和线中心间距 通常 两导线的线间距是工艺所能允许的最小值的两倍以上 当线间距增加 串扰噪声亦减小 为保持信号串扰电压不变 就应该相应增加线间距 但是线间距的增加会引起内连密度的降低 因此 导线间距的选择 应综合考虑串扰噪声以及最大内连密度等因素 3 有时 也可通过对平行走线重新布线 缩短平行走线的长度来降低串扰噪声的影响 特别是在薄膜mcm中 由于其灵活的布线能力 这种方法实现起来也较容易 相邻信号层间的信号线按互相垂直的方向走线可避免两层间平行走线所带来的巨大串扰 为加强这种交叉走线 在布线设计时总是把每一层交替地设计成x走向层和y走向层 大量正交线的采用会使自电容c0增加 互电容cm减小 电容耦合系数kc降低 从而使串扰噪声减小 当正交线之间以最小间距连续布线时 可将电容耦合降低近40 并且 近端串扰噪声降低 远端串扰噪声增加 两个交叉微带层比两个偏置带状层的串扰噪声降低效果要大 5 对于同样的z0 我们也可通过选择不同的微带线结构来减小线间距 如两参考层的偏置带状线结构的电容耦合cm c0就比微带线结构的要小 即其噪声耦合系数kn和kf小 通常 离地层的距离越远 保持同样的z0和串扰电压所要求的线宽和线间距就应越大 因此 只要相邻的微带线或带状线的距离能足以在其之间加进一条地线 我们就可选择在邻近信号线间插入地线的方法来有效地降低串扰噪声 一般能降低噪声近一半 需要注意的是 插入的地线不要离信号线太近 否则会改变信号线的特性阻抗 4 选择低介电常数的基板材料 也有利于对串扰的控制 首先 对于同样的阻抗z0 信号线可离参考层更近 线间距可进一步减小 而保持串扰噪声不变 其次 传输速度vprop将增大 饱和线长将变长 图5 6mcm中三种常用的信号层和参考层 地 电源层 的走线方式 a 单层表面微带线 b 两层掩埋微带线 c 两层偏置带状线 6 还有一种串扰噪声源来自芯片连接引脚 当引脚变长或变密 以及信号上升时间变短时 都会导致引脚间的串扰噪声增大 对于时钟频率达50mhz的高速数字系统 采用线焊或tab焊时 引脚应尽可能短 倒装焊的引脚很短 引脚间的串扰也很小 对单芯片封装也有类似的问题 例如 大多数pga封装具有外延接地层 而大多数表面封装却没有 因此pga封装的引脚串扰要小得多 1 5同步开关噪声 在高速数字系统中 当器件的多个输出端同时转换时 在电源层或地线层会产生大的过渡电流 电流的大小与电路工艺密切相关 cmos电路的过渡电流最大 ttl和ecl电路的过渡电流要小一些 以图5 19的cmos电路为例 当一个缓冲器 驱动器 的输出从高电平变为低电平时 与驱动器相连的负载电容通过对地放电 当过渡电流流过封装 分布 电感时 就产生噪声电压 称为同步开关噪声 也称为 噪声 一般地 电源层噪声比地线层噪声要小得多 有时同步开关噪声仅指地线层噪声 简称为地跳动噪声 1 降低同步开关噪声 可采用外加旁路电容法和选择合适的封装技术 旁路电容应接在每一块集成电路的电源和地之间 在mcm中 由于是裸芯片封装 组装密度很高 采用pcb类似的方法 将旁路电容直接放在芯片旁边是不适宜的 其解决方法是 在薄膜mcm中 利用电源层和接地层代替旁路电容 而在共烧或多层厚膜陶瓷mcm中建立旁路电容 也可以把电容放在mcm边缘或彻底离开mcm 但这种方法会导致接地电感lgnd和等效电感le上升 另外 如果旁路电容放在远离mcm的pcb上 则le还应包括mcm和pcb的连接电感 旁路电容的寄生电感应尽可能小 特别是在高频时减小旁路电容的寄生电感是很重要的 2 可合理利用芯片互连技术降低同步开关噪声 一般地 无论圆形还是方形引脚 其分布电感都随其长度增加而增大 倒装焊的凸点焊技术产生的寄生电感最小 而tab和线焊技术的寄生电感最大 另外 由于互感作用 由参考文献13 22知 接地引脚的等效电感比自身电感值还小 可由式 13 30 表示le ls 式中ls 接地引脚的自感 h lm i 接地引脚和第i个信号引脚之间的互感 h is i 第i个信号引脚上流过的电流 a ig 接地引脚的电流 a 另外 is i与ig之比等于接地引脚数与信号引脚数之比 因此 对于同样数目的信号引脚 接地引脚越多 同步开关噪声就越小 如果采用电源层和接地层代替接地引脚连接 则能进一步降低等效电感 在多层金属tab和pga中就是采用这种方法 噪声容限表示了整个系统在每条连线上受到各种方式的噪声干扰的上限 当这些干扰超过噪声容限的极限时 该系统就不能够正常工作 如果系统中的噪声低于噪声容限 则系统能够保证它的功能 因此 应使即整个系统的噪声容限最大 以此提高电路系统的抗干扰性 1 6工艺选择及整体方案设计 为使设计出的系统能满足延迟和噪声的要求 必须先详细分析比较后再选择合适的封装布线工艺 封装工艺对时延和噪声有很大影响 例如 内连导线材料会影响导线的电阻和延时 芯片连接技术会影响串扰噪声和同步开关噪声 噪声控制在高速封装设计中占有的比重最大 系统速度越高 上升时间越短 噪声的影响就越大 因而对工艺的要求也越严格 对内连线的阻抗要进行严格控制 芯片间的连线以及所用的连接器的分布电感和互感应应较低 特别是当信号频率超过50mhz时 采用引线键压法和载带自动键压 tab 引线框架方式就不能满足要求 必须采用短引线连接方式或是在引脚下面增加参考层 接地层 当信号频率不是很高时 应尽量采用带状线而不采用微带线 这样有利于降低相邻信号层间交叉线的互感 旁路电容的设计也很关键 为实现快速的初始信号触发 对导线阻抗 基板材料的介电常数和导线的损耗也提出更高的要求 采用铝质导线就很难实现快速的初始信号触发 特别是系统设计的带宽很宽 频率很高时 以致趋肤效应很严重时更是如此 应根据需要选用线损小的铜或钨作导线 缩小导线间距和提高导线特性阻抗是一对矛盾 应根据需要综合考虑 小串扰噪声和高特性阻抗都要求增大导线的线间距 但若线间距很大 组装密度会大大降低 有时需要添加另外一层才能完成布线 系统速度提高 线间距也必须相应增加 走线较长 就不能采用工艺所允许的最小线间距进行布线 在满足系统性能要求的前提下 带状线的线间距可取得比微带线的小 这在层压和陶瓷工艺中显得尤为重要 可避免因增加层数而导致的额外开支 当今的大多数系统 一般采用mcm d的两层布线就能满足要求 短引线键压和短引线tab技术可满足一般系统的要求 对于超高速系统 应采用电气连接性能更优越的倒芯片贴装技术 集成电路外壳是构成集成电路整体的一个主要组成部分 它不仅仅对集成电路芯片起着一个单纯的机械保护和芯片电极向外过渡连接的作用 而且对集成电路芯片的各种功能参数的正确实现和电路使用场所要求的环境条件 以及体现电路特点 都起着根本的保证作用 二 封装外壳的设计 封装外壳的设计要求 外壳设计的主要原则 外壳设计是一项综合性工作 需要对总体布局 结构尺寸 材料选择以及制造工艺和成本等方面进行分折选定出一个最佳方案 电设计和热设计 外壳设计最主要考虑的问题 电性能 热性能和使用场所 1 外壳的电性能设计原则 主要针对金属外壳 对任一集成电路的封装外壳都要求具有一定的电性能 以保证相互匹配而不致对整个集成电路的性能产生失误 其中又以超高频外壳更为突出 分布电容和电感当集成电路处在超高频状态下工作时 由于外壳金属体所形成的分布电容和分布电感常会起不必要的反馈和自激 从而使集成电路的功率增益下降 损耗增加 所以在一般情况下 都希望外壳的分布电容与分布电感愈小愈好 绝缘电阻集成电路封装外壳的绝缘电阻 通常是两相邻的引线间或任一引线与金属底座间的电阻值 这个数值的大小不仅与引线间的距离和外壳结构有关 也与绝缘体的绝缘性能与环境条件有关 外壳绝缘电阻的降低将会导致电极问的漏电流增大 使整个集成电路的性能下降或变坏 这对mos集成电路则更为突出 绝缘电阻可分为体积电阻和表面电阻 前者的性能好坏决定于本身内在的物质结构 而后者则与所处环境条件及材料表面状态有关 特别是水分 潮气对材料表面电阻影响甚大 因此在进行封装外壳设计时 要注意结构安排的合理性 并考虑到材料加工后的表面状态 应尽量选用一些表面抗电强度和绝缘电阻高的材料 光电外壳在实际应用中具有光电转换性能的集成电路已经为数不少 数字电路中的可改写只读存储器 eprom 则是其中最好的一个例子 但是要使集成电路能够具备这样的功能 就必须要有一个类似窗户一样的结构 使各种不同的光能够透射进去 这样才能达到光电转换的目的 为此这类集成电路的封装外壳需具有特殊的 光窗 结构形式 这类具有光窗的集成电路封装外壳 我们称它为光电外壳 光窗的结构和所用的材料是设计光电外壳时应考虑的主要问题 首先要搞清楚需要透过什么样波长的光 如红外光 紫外光或可见光 其次是透光的强度 最后还要考虑外壳对其他不需要的光如何进行掩蔽 这样才能根据已知的条件来进行设计光电外完 2 外壳的热性能设计原则 主要针对塑料外壳 随着集成电路的组装密度不断增大 将导致功率密度也相应的提高 集成电路单位体积发热量也有所增加 在外壳结构设计上如果不能及时地将芯片内所产生的热量散发出去 设法抑制集成电路的温升 必然对集成电路的可靠性产生极为严重的影响 为此 封装外壳的热设计是一个至关重要的课题 在进行封装外壳的热设计时 需要估计集成电路芯片由于电功率的热效应所产生的热量如何通过外壳散发到周围环境中去 ic芯片 内引线 封装树脂 基板 散热设计 氧化铝 氮化硅 氧化铍 方法 改善底座和散热板的接触状态 加大散热板的面积 改变散热材料 将散热板的热阻降低 热匹配设计目的 尽可能减少器件内部相连材料间热膨胀系数的差别 减少热应力 1 改善芯片与管座间的热匹配加过渡层缓冲 2 改善键合引线与芯片之间的热匹配采用金丝球焊 不用铝丝超声焊 3 改善塑封树脂与硅片之间的热匹配热匹配不好是塑封器件密封性失效的主要原因开发新树脂 4 改善铝金属化层的再结构掺1 2 硅或铜al si a1 cu合金膜铝膜上低温淀积sio2si3n4 缓冲热应力 2 封装塑料的材料选择 好的散热性 热膨胀系数应进可能与硅芯片一致 减小热应力 尽可能低的介电常数 减小信号延迟 尽可能高的电阻率 增强绝缘性 塑料封装所用的有机材料是热固性塑料 以高分子化合物合成的树脂为基体 加入团化刑 反应促进剂 催化剂 填充剂 阻燃剂 脱模剂和着色剂等组成 常用的几种树脂特性环氧树脂这是一种热固性树脂 固化后具有良好的粘接性 电绝线性 耐化学腐蚀性和机械强度 收缩率小 外形几何尺寸稳定性好 并具有较高的耐热性能 170一200 环氧树脂的缺点是不适合在高温下工作 高频性能和耐湿性能较差 环氧树脂的封装方式比较广泛 可采用递模成型法 浇铸法 浸渍涂敷法 填充法和滴涂法 硅酮树脂能在较宽的频率和温度范围内工作 同时它具有更高的耐高温性 350 400 耐气候性和抗辐照性 固化后收缩率小 外形几何尺寸稳定性好 主要缺点就是它与金属和非金屑的粘接性能欠佳 聚丁二烯酯树脂这也是一种热固性树脂 其优点是固化速度快 成型性好 固化后交联密度大 机械强度高 耐热性好 热变形温度大于260 和防潮性能好 并具有优良的电绝线性 高频损耗小 吸水率低 它的缺点是不适合封装大功率集成电路 常用的封装方式有递模成型法 浸渍法及浇铸法 聚邻 间 苯二甲酸二丙烯酯这是一种热固性树脂 具有良好的防潮性 防盐雾性 耐腐蚀性和耐气候性 在高温高湿条件下它也有较高电绝缘性 且外形几何尺寸稳定性好 它的缺点是耐热冲击性能差 并只能采用浇铸法成型 常用的塑封添加剂及其作用根据塑封电路的性能要求 为获得某种性能和改进树脂的某些性质 制备过程中增加如下添加剂 填充剂填充剂的作用是改善模塑料的机械强度 减小线膨胀系数 提高耐热冲击强度和耐磨损性 以增加尺寸的稳定性 热传导率和降低收缩率 常用的填充剂有 石英粉 玻璃纤维 云母粉 氧化铝粉 氧化锌粉和有机合成纤维等 脱模剂为了改善模塑料的脱模性能 提高模具的使用寿命和改善塑封制品的外观性能 则在塑料的组成中加入适量的脱模剂 常用的脱模剂称硕脂酸钙 硬脂酸 种类的高级脂肪酸等 着色剂着色刑的加入主要是使塑封后器件具有不同的颜色 阻燃剂为了满足某些塑封器件具有阻燃性能使之安全可靠的要求 可在塑科中加入适量的阻然剂 如卤化物 磷系化合物和三氧化锑等 固化剂这是塑封中主要添加剂 以加速塑料的交联反应而固化 根据不同的树脂和特性 可选用不同的固化剂 如环氧树脂可采用胶类和酚类 硅酮树脂可采用苯丙酸 苯甲酸酐等 三 封接设计 封接材料 根据低温封接的特定要求 封接材料必须具备以下几个条件 封接材料的软化温度要低 应保证能在足够低的温度条件下进行封接 以免封接温度过高而导致芯片上金属连线球化或引线框架变形变坏 同时在封接温度下封接材料的粘度应在1 200pa s范围之间 使封接材料既充分而又不过份地在封接面上流动 封接材料的线膨胀系数应能和被焊的陶瓷 金属相匹配 从而保证封接件具有一定的封接强度和经受得住诸如温度 气候和机械等一系列的环境考验 如果和被焊材料的线膨胀系数相差甚远 则在封接后封接材料中残存应力将使封接材料遭到破坏 从而使封接强度大大降低和无法保证封接体的气密性 当金属用封接材料封接时 要求封接材料对金属有良好的浸润性 同时 为获得牢固的封接强度 要求封接材料能够扩散到金属表面的氧化层中去 在与水 空气或其他介质相接触时 封接材料应仍具有良好的化学稳定性和绝缘性能 在封接过程中 不能由封接材料中产生有害物质 使之挥发或溅落在电路芯片或其他部位上 从而导致集成电路性能变坏或完全失效 低熔玻璃系指软化温度不高于500 的一类粉状玻璃材料 由于它易与金属 陶瓷等材料粘接且本身不透气 当形成密封腔体后可获得较高的气密性 同时又具有不燃性和良好耐热性能 电性能也比较优越 因此它作为一种无机焊料 广泛地被应用在真空和电子产品中 在集成电路封装领域它也是很好的低温密封材料和粘接材料 低熔玻璃 1 常用的封接材料 四 封装技术的计算机模拟分析 随着半导休器件工作频率的不断提高 集成电路集成度与速度的迅速增加 一个封装外壳内所能容纳的芯片数目及其功率也相应地急剧增加 芯片温度的升高将会降低器件的可靠性而温度的急剧变化又会在器件各部分产生热应力 从而有可能引起芯片 衬底和键合点的碎裂或脱落 在高速 高频或紧密组装的电路系统设计中 金属化布线的电容和电感对电路性能的影响也是不能忽视的 所以耍实现高可靠 高密度和高性能的封装 在进行封装结构设计时 在处理好由器件温升而引起的热阻 由分布电容和分布电感而引起的器件高频性能变坏和速度降低等一系列问题时