集成电路芯片封装技术第1章

1、电子系电子系 苏艺菁苏艺菁20112011年年9 9月月 集成电路芯片封装技术集成电路芯片封装技术 主主 编：李可为编：李可为 单单 位：电子工业出版社位：电子工业出版社 主主 页：页：http:/了解集成电路芯片封装技术的基本原理了解集成电路芯片封装技术的基本原理熟知集成电路芯片封装的工艺流程熟知集成电路芯片封装的工艺流程掌握集成电路芯片封装的主要工艺技术掌握集成电路芯片封装的主要工艺技术了解了解ICIC芯片先进封装技术的现状和发展趋势芯片先进封装技术的现状和发展趋势（1）林明祥）林明祥.集成电路制造工艺集成电路制造工艺.北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社, 2005，9 （2）周良知

2、）周良知.微电子器件封装微电子器件封装. 北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社, 2006（3）吴德馨）吴德馨.现代微电子技术现代微电子技术. 北京：化学工业出版社北京：化学工业出版社, 2001（4）陈力俊）陈力俊.微电子材料与工程微电子材料与工程. 上海：复旦大学出版社上海：复旦大学出版社, 2005平时成绩（平时成绩（40%40%） + +论文一篇（论文一篇（60%60%） = =学期成绩学期成绩平时成绩平时成绩=出勤出勤+作业作业 微电子封装技术微电子封装技术=集成电路芯片封装技术集成电路芯片封装技术封装技术的概念封装技术的概念芯片封装设计的技术领域芯片封装设计的技术领域微电子封装

3、的功能及影响因素微电子封装的功能及影响因素微电子封装技术的技术层次及分类微电子封装技术的技术层次及分类微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变微电子封装技术的发展趋势微电子封装技术的发展趋势微电子封装技术发展对封装的要求微电子封装技术发展对封装的要求封装技术的概念封装技术的概念微电子封装：微电子封装：A Bridge from IC to System微电子封装的概念微电子封装的概念狭义：芯片级狭义：芯片级 IC Packaging 薄膜技术和微细加工技术薄膜技术和微细加工技术广义：芯片级广义：芯片级+ +系统级：封装工程系统级：封装工程电子封装工程：将基板、芯片封装体和分立器件等要素，电子封

4、装工程：将基板、芯片封装体和分立器件等要素，按电子整机要求进行连接和装配，实现一定电气、物理性按电子整机要求进行连接和装配，实现一定电气、物理性能，转变为具有整机或系统形式的整机装置或设备。能，转变为具有整机或系统形式的整机装置或设备。WaferPackageSingle ICSMA/PCBAElectronic Equipment 微电子封装过程微电子封装过程=电子整机制作流程电子整机制作流程芯片封装涉及的技术领域芯片封装涉及的技术领域 芯片封装技术涉及芯片封装技术涉及物理、化学、化工、材料、物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化机械、电气与自动化等学科。所涉及材料包括金属、等学科。所涉

5、及材料包括金属、陶瓷、玻璃和高分子材料等。陶瓷、玻璃和高分子材料等。 芯片封装技术整合了电子产品的电气特性、热芯片封装技术整合了电子产品的电气特性、热特性、可靠性、材料与工艺应用和成本价格等因素，特性、可靠性、材料与工艺应用和成本价格等因素，是以获得是以获得综合性能最优化综合性能最优化为目的的工程技术。为目的的工程技术。封装涉及的技术领域封装涉及的技术领域微电子封装的功能微电子封装的功能1、电源分配：传递电能、电源分配：传递电能-配给合理、减少电压损耗配给合理、减少电压损耗2、信号分配：减少信号、信号分配：减少信号延迟和串扰延迟和串扰、缩短传递线路、缩短传递线路3、提供散热途径：、提供散热途径

6、：散热材料与散热方式散热材料与散热方式选择选择微电子封装的功能微电子封装的功能4、机械支撑：、机械支撑：结构保护与支持结构保护与支持5、环境保护：抵抗外界恶劣环境（例：军工产品）、环境保护：抵抗外界恶劣环境（例：军工产品）确定封装要求的影响因素确定封装要求的影响因素成本外形与结构产品可靠性性能类比：人体器官的构成与实现电路在最佳电路在最佳性能指标下性能指标下的最低价格的最低价格机械冲击、机械冲击、温度循环、温度循环、加速度加速度机械强度机械强度微电子封装技术的技术层次微电子封装技术的技术层次第一层次：零级封装第一层次：零级封装-芯片互连级（芯片互连级（CLP）第二层次：一级封装第二层次：一级封

7、装 SCM 与与MCM（Single/Multi Chip Module） 第三层次：二级封装第三层次：二级封装 组装成组装成Subsystem COB（Chip on Board）和元器件安装在基板上）和元器件安装在基板上第四层次：三级微电子封装第四层次：三级微电子封装 电子整机系统构建电子整机系统构建微电子封装技术分级微电子封装技术分级三维（三维（3D3D）封装技术）封装技术传统二维封装基础上向三维传统二维封装基础上向三维z方向发展的封装技术。方向发展的封装技术。 实现三维封装的方法：实现三维封装的方法：【1】 埋置型埋置型 元器件埋置或芯片嵌入元器件埋置或芯片嵌入【2】 有源基板有源基板

8、 半导体材料做基板半导体材料做基板Wafer Scale Integration 【3】叠层法叠层法 将多个裸芯片或封装芯片在垂直方向上互连将多个裸芯片或封装芯片在垂直方向上互连 抑或是抑或是MCM叠层：叠层：散热与基板选择散热与基板选择封装的分类封装的分类按封装中组合按封装中组合IC芯片数目分：芯片数目分： SCP（单芯片封装）和（单芯片封装）和MCP（多芯片。包括（多芯片。包括MCM) ) 按密封材料分：陶瓷封装和高分子材料封装（塑封）按密封材料分：陶瓷封装和高分子材料封装（塑封） 按器件与电路板互连方式分：按器件与电路板互连方式分： 引脚插入型（引脚插入型（PTH）和表面贴装型（）和表面

9、贴装型（SMT） 按引脚分布形态分：按引脚分布形态分： 单边、双边、四边和底部引脚单边、双边、四边和底部引脚 常见：常见： SIP、DIP、SOP、QFP、MCP、PGA封装型式的发展封装型式的发展发展方向：轻、薄、短、小发展方向：轻、薄、短、小DIPSDIPSKDIP（双列式）（双列式）SOPTSPUTSOP（小型（小型-薄型薄型-超薄型）超薄型）PGABGA（点阵列式（点阵列式-球栅阵列式）球栅阵列式）Lead on Chip：芯片上引线封装：芯片上引线封装 封装技术与封装材料封装技术与封装材料例：陶瓷封装与塑料封装均可制作例：陶瓷封装与塑料封装均可制作DIP与与BGA类类芯片，但两类芯片

10、的可靠性和成本不同。芯片，但两类芯片的可靠性和成本不同。封装形态、封装工艺、封装材料由产品的电特封装形态、封装工艺、封装材料由产品的电特性、导热性能、可靠性需求、材料工艺技术和性、导热性能、可靠性需求、材料工艺技术和成本价格等因素决定。封装形态与封装工艺技成本价格等因素决定。封装形态与封装工艺技术、封装材料之间不是一一对应关系。术、封装材料之间不是一一对应关系。封装材料封装材料 芯片封装所采用的材料主要包括芯片封装所采用的材料主要包括金属、陶瓷、金属、陶瓷、高分子聚合物材料高分子聚合物材料等。等。问题：如何进行材料选择？问题：如何进行材料选择？依据材料的电热性质、热依据材料的电热性质、热-机械

11、可靠性、技术和机械可靠性、技术和工艺成熟度、材料成本和供应等因素。工艺成熟度、材料成本和供应等因素。表表1.2-表表1.4介电系数：介电系数：表征材料绝缘程度的比例常数，相对值，通常介表征材料绝缘程度的比例常数，相对值，通常介电系数大于电系数大于1的材料通常认为是绝缘材料。的材料通常认为是绝缘材料。热膨胀系数热膨胀系数（CTE Coefficient of expansion ）物体由于温度改变而有胀缩现象，等压条件下，单位温度变物体由于温度改变而有胀缩现象，等压条件下，单位温度变所导致的体积变化，即热膨胀系数表示。所导致的体积变化，即热膨胀系数表示。介电强度：介电强度：是一种材料作为绝缘体时

12、的电强度的量度。定义是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。定义为试样被击穿时，为试样被击穿时， 单位厚度承受的最大电压。物质的介电单位厚度承受的最大电压。物质的介电强度强度越大越大， 它作为绝缘体的质量它作为绝缘体的质量越好越好。封装材料性能参数封装材料性能参数1970 1980 1990 2000 100100010000100000Volume(cm3)W/SNotebookPCLaptopCellularSMART“Watch” & Bio-sensor电子整机的发展趋势电子整机的发展趋势微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变PastBulky componentsBulky

13、systemsCurrentThinfilm componentsMiniaturized modulesFutureEmbedded componentsPackagesized systems微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变庞大庞大薄、微薄、微型化型化嵌入式嵌入式微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变Ceramic or Thin Film on Ceramic100508050603Single Chip:Board MCM:Discretes:Package/Board:PWB-DPWB-DCeramicRedistribution toArea ArrayWirebondC

14、hip Connector:PTHPeripheralSMTBoard Connector:1970s1980sDIPPGAQFPThin Film on PWB0402PWB-Micro ViaFlipchipArea ArrayArea/BGASMT1990s2000sBGACSP02012000sIntegration to BEOLIntegration in Package levelIntegration at System levelWLPSIPSOP2010s01005?Integration微电子封装技术的演变微电子封装技术的演变微电子封装技术发展的驱动力微电子封装技术发展的

15、驱动力一、一、IC发展发展对微电子封装的推动对微电子封装的推动IC发展水平的标志：集成度和特征尺寸发展水平的标志：集成度和特征尺寸IC发展方向：大芯片尺寸、高集成度、小特征尺寸和发展方向：大芯片尺寸、高集成度、小特征尺寸和高高I/O数。数。二、二、电子整机发展电子整机发展对微电子封装的拉动对微电子封装的拉动电子整机的高性能、多功能、小型化和便携化、低成电子整机的高性能、多功能、小型化和便携化、低成本、高可靠性要求促使微电子封装由本、高可靠性要求促使微电子封装由插装向贴装插装向贴装发展，发展，并持续向薄并持续向薄型、超薄型、窄节距型、超薄型、窄节距发展，进一步由窄节发展，进一步由窄节距四边引脚向

16、距四边引脚向面阵列引脚面阵列引脚发展。发展。微电子封装技术发展的驱动力微电子封装技术发展的驱动力三、三、市场发展市场发展对微电子封装的驱动对微电子封装的驱动“吞金业吞金业”向向“产金业产金业”转变转变产品性价比要求不断提升、电子产品更新加速剧烈产品性价比要求不断提升、电子产品更新加速剧烈电子产品更新加速剧烈电子产品更新加速剧烈驱动微电子封装技术发展的是整个微电子技术产业驱动微电子封装技术发展的是整个微电子技术产业微电子封装技术的发展趋势微电子封装技术的发展趋势 一、一、微电子产业在曲折中迅速发展微电子产业在曲折中迅速发展 “硅周期硅周期”世界电子元器件行业的生产、销售世界电子元器件行业的生产、

17、销售和效益出现的和效益出现的高峰和低谷高峰和低谷交替周期性（交替周期性（4-5年）波动。年）波动。生产电子元器件企业的国际化程度越高，受生产电子元器件企业的国际化程度越高，受“硅周期硅周期”影响越深。影响越深。“道路是曲折的，前途是光明的”微电子封装的发展趋势微电子封装的发展趋势二、国际半导体技术发展路线和二、国际半导体技术发展路线和“摩尔定律摩尔定律”“摩尔定律摩尔定律”： 集成电路特征尺寸每三年缩小集成电路特征尺寸每三年缩小1/3，集成度（即，集成度（即DRAM单个芯片上的晶体管数）每两年增加一倍。单个芯片上的晶体管数）每两年增加一倍。 1965年，戈登年，戈登摩尔（摩尔（Gordon M

18、oore）当前，集成电路技术仍按照摩尔定律发展。当前，集成电路技术仍按照摩尔定律发展。一、芯片尺寸越来越大：一、芯片尺寸越来越大： 片上功能的增加，实现芯片系统。片上功能的增加，实现芯片系统。二、工作频率越来越高二、工作频率越来越高 运算速度的提高，提高了对封装技术的要求。运算速度的提高，提高了对封装技术的要求。三、发热量日趋增大三、发热量日趋增大 途径：降低电源电压；增加散热通道（成本与重量）途径：降低电源电压；增加散热通道（成本与重量）四、引脚数越来越多四、引脚数越来越多 造成单边引脚间距缩短。造成单边引脚间距缩短。微电子封装的发展趋势微电子封装的发展趋势-IC-IC发展趋势发展趋势一、封

19、装尺寸小型化（更轻和更薄）一、封装尺寸小型化（更轻和更薄） 超小型芯片封装形式的出现顺应了电子产品的轻薄超小型芯片封装形式的出现顺应了电子产品的轻薄短小的发展趋势。短小的发展趋势。解决办法：新型封装型式和微纳技术的采用。获得芯片解决办法：新型封装型式和微纳技术的采用。获得芯片尺寸的最小化：尺寸的最小化：IC芯片尺寸最小化？芯片尺寸最小化？圆片级封装技术（圆片级封装技术（WLP）：使封装完成后的）：使封装完成后的IC芯片尺寸芯片尺寸尽可能接近圆片级裸芯片尺寸，尽可能接近圆片级裸芯片尺寸，微电子技术发展对封装的要求微电子技术发展对封装的要求二、适应更高得散热和电性能要求二、适应更高得散热和电性能要

20、求1、IC功能集成度增大，功耗增加，封装热阻增大功能集成度增大，功耗增加，封装热阻增大2、电信号延迟和串扰等现象严重、电信号延迟和串扰等现象严重解决途径：解决途径：1、降低芯片功耗：双极型、降低芯片功耗：双极型-PMOS-CMOS-？2、增加材料的热导率：成本、增加材料的热导率：成本微电子技术发展对封装的要求微电子技术发展对封装的要求三、集成度提高三、集成度提高 适应大芯片要求适应大芯片要求热膨胀系数（热膨胀系数（CTE）失配）失配热应力和热变形热应力和热变形解决途径：解决途径：1、采用、采用低应力贴片低应力贴片材料：使大尺寸材料：使大尺寸IC采用采用CTE接近接近Si的陶瓷材料，但目前环氧树

21、脂封装仍为主流的陶瓷材料，但目前环氧树脂封装仍为主流2、采用、采用应力低传递模压树脂应力低传递模压树脂 消除封装过程中的热应消除封装过程中的热应力和残留应力。力和残留应力。3、采用、采用低应力液态密封树脂低应力液态密封树脂微电子技术发展对封装的要求微电子技术发展对封装的要求四、高密度化和高引脚数四、高密度化和高引脚数高密度和高高密度和高I/O数造成单边引脚间距缩短、封装数造成单边引脚间距缩短、封装难度加大：焊接时产生短路、引脚稳定性差难度加大：焊接时产生短路、引脚稳定性差解决途径：解决途径：采用采用BGA技术和技术和TCP（载带）技术（载带）技术成本高、难以进行外观检查等。成本高、难以进行外观检查等。微电子技术发展对封装的要求微电子技术发展对封装的要求五、适应恶劣环境五、适应恶劣环境密封材料分解造成密封材料分解造成IC芯片键合结合处开裂、断路芯片键合结合处开裂、断路解决办法：寻找密封替代材料解决办法：寻找密封替代材料六、适应高可靠性要求六、适应高可靠性要求 军工、空间电子产品的高稳定要求。军工、空间电子产品的高稳定要求。七、考虑环保要求七、考虑环保要求无铅产品的使用克服了铅污染，但是对焊接温度和封无铅产品的使用克服了铅污染，但是对焊接温度和封