微电子芯片封装第二讲

集成电路芯片封装技术1、集成电路芯片封装与微电子封装课程引入与主要内容2、芯片封装技术涉及领域及功能3、封装技术层次与分类微电子封装技术=集成电路芯片封装技术封装技术的概念微电子封装：ABridgefromICtoSystemBoardIC微电子封装的概念狭义：芯片级ICPackaging广义：芯片级+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，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。WaferPackageSingleICSMA/PCBAElectronicEquipment

微电子封装过程=电子整机制作流程芯片封装涉及的技术领域芯片封装技术涉及物理、化学、化工、材料、机械、电气与自动化等学科。所涉及材料包括金属、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、热特性、可靠性、材料与工艺应用和成本价格等因素，是以获得综合性能最优化为目的的工程技术。封装涉及的技术领域微电子封装的功能1、电源分配：传递电能-配给合理、减少电压损耗2、信号分配：减少信号延迟和串扰、缩短传递线路3、提供散热途径：散热材料与散热方式选择4、机械支撑：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）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微电子封装技术的技术层次第一层次：零级封装-芯片互连级（CLP）第二层次：一级封装SCM与MCM（Single/MultiChipModule）

第三层次：二级封装组装成SubsystemCOB（ChiponBoard）和元器件安装在基板上第四层次：三级微电子封装电子整机系统构建微电电子子封封装装技技术术分分级级三维维（（3D））封封装装技技术术传统统二二维维封封装装基基础础上上向向三三维维z方方向向发发展展的的封封装装技技术术。。实现现三三维维封封装装的的方方法法：：【1】】埋埋置置型型元器器件件埋埋置置或或芯芯片片嵌嵌入入【2】】有有源源基基板板半导导体体材材料料做做基基板板WaferScaleIntegration【3】】叠叠层层法法将多多个个裸裸芯芯片片或或封封装装芯芯片片在在垂垂直直方方向向上上互互连连抑或或是是MCM叠叠层层：：散热热与与基基板板选选择择封装装的的分分类类按封封装装中中组组合合IC芯芯片片数数目目分分：：SCP和和MCP（（包包括括MCM)按密密封封材材料料分分：：陶陶瓷瓷封封装装和和高高分分子子材材料料封封装装（（塑塑封封））按器件与与电路板板互连方方式分：：引脚插入入型（PTH））和表面面贴装型型（SMT）按引脚分分布形态态分：单边、双双边、四四边和底底部引脚脚SIP、、DIP、SOP、QFP、、MCP、PGA封装型式的的发展发展方向：：轻、薄、、短、小DIP—SPIP—SKDIPSOP—TSP—UTSOPPGA—BGALeadonChip：：芯片上引引线封装封装技术与与封装材料料例：陶瓷封封装与塑料料封装均可可制作DIP与BGA类芯片片，但两类类芯片的可可靠性和成成本不同。。封装形态、、封装工艺艺、封装材材料由产品品的电特性性、导热性性能、可靠靠性需求、、材料工艺艺技术和成成本价格等等因素决定定。封装形形态与封装装工艺技术术、封装材材料之间不不是一一对对应关系。。封装材料芯片封装所所采用的材材料主要包包括金属、、陶瓷、高高分子聚合合物材料等等。问题：如何何进行材料料选择？依据材料的的电热性质质、热-机机械可靠性性、技术和和工艺成熟熟度、材料料成本和供供应等因素素。表1.2-表1.4介电系数：：表征材料料绝缘程度度的比例常常数，相对对值，通常常介电系数数大于1的的材料通常常认为是绝绝缘材料。。热膨胀系数数（CTECoefficientofexpansion）物体由于温温度改变而而有胀缩现现象，等压压条件下，，单位温度度变所导致致的体积变变化，即热热膨胀系数数表示。介电强度：：是一种材材料作为绝绝缘体时的的电强度的的量度。定定义为试样样被击穿时时，单位位厚度承受受的最大电电压。物质质的介电强强度越大，，它作为为绝缘体的的质量越好好。封装材料性性能参数1970198019902000100100010000100000Volume(cm3)W/SNotebookPCLaptopCellularSMART“Watch”&Bio-sensor电子整机的的发展趋势势微电子封装装技术的演演变PastBulkycomponentsBulkysystemsCurrentThinfilmcomponentsMiniaturizedmodulesFutureEmbeddedcomponentsPackage–sizedsystems微电子封装装技术的演演变微电子封装装技术的演演变CeramicorThinFilmonCeramic100508050603SingleChip:BoardMCM:Discretes:Package/Board:PWB-DPWB-DCeramicRedistributiontoAreaArrayWirebondChipConnector:PTHPeripheralSMTBoardConnector:1970s1980sDIPPGAQFPPASTThinFilmonPWB0402PWB-MicroViaFlipchipAreaArrayArea/BGASMT1990s2000sBGACSPPRESENT02012000sIntegrationtoBEOLIntegrationinPackagelevelIntegrationatSystemlevelWLPSIPSOP2010s01005?IntegrationFUTURE微电子封装装技术的演演变微电子封装装技术发展展的驱动力力一、IC发发展对微电电子封装的的推动IC发展水水平的标志志：集成度度和特征尺尺寸IC发展方方向：大芯芯片尺寸、、高集成度度、小特征征尺寸和高高I/O数数。二、电子整整机发展对对微电子封封装的拉动动电子整机的的高性能、、多功能、、小型化和和便携化、、低成本、、高可靠性性要求促使使微电子封封装由插装装向贴装发发展，并持持续向薄型型、超薄型型、窄节距距发展，进进一步由窄窄节距四边边引脚向面面阵列引脚脚发展。微电子封装装技术发展展的驱动力力三、市场发发展对微电电子封装的的驱动“吞金业””向“产金金业”转变变产品性价比比要求不断断提升、电电子产品更更新加速剧剧烈电子产品更更新加速剧剧烈驱动微电子子封装技术术发展的是是整个微电电子技术产产业微电子封装装技术的发发展趋势一、微电子产业业在曲折中中迅速发展展“硅周期””——世界界电子元器器件行业的的生产、销销售和效益益出现的高峰和低谷谷交替周期性性（4-5年）波动动。生产电电子元器件件企业的国国际化程度度越高，受受“硅周期期”影响越越深。“道路是曲曲折的，前前途是光明明的”微电子封装装的发展趋趋势二、国际半半导体技术术发展路线线和“摩尔尔定律”“摩尔定律律”：集成成电电路路特特征征尺尺寸寸每每三三年年缩缩小小1/3，，集集成成度度（（即即DRAM单单个个芯芯片片上上的的晶晶体体管管数数））每每两两年年增增加加一一倍倍。。———1965年年，，戈戈登登··摩摩尔尔（（GordonMoore））当前前，，集集成成电电路路技技术术仍仍按按照照摩摩尔尔定定律律发发展展。。一、、芯芯片片尺尺寸寸越越来来越越大大：：片上上功功能能的的增增加加，，实实现现芯芯片片系系统统。。二、、工工作作频频率率越越来来越越高高运算算速速度度的的提提高高，，提提高高了了对对封封装装技技术术的的要要求求。。三、、发发热热量量日日趋趋增增大大途径径：：降降低低电电源源电电压压；；增增加加散散热热通通道道（（成成本本与与重重量量））四、、引引脚脚数数越越来来越越多多造成成单单边边引引脚脚间间距距缩缩短短。。微电电子子封封装装的的发发展展趋趋势势-IC发发展展趋趋势势一、、封封装装尺尺寸寸小小型型化化（（更更轻轻和和更更薄薄））超小小型型芯芯片片封封装装形形式式的的出出现现顺顺应应了了电电子子产产品品的的轻轻薄薄短短小小的的发发展展趋趋势势。。解决决办办法法：：新新型型封封装装型型式式和和微微纳纳技技术术的的采采用用。。获获得得芯芯片片尺尺寸寸的的最最小小化化：：IC芯芯片片尺尺寸寸最最小小化化？？圆片片级级封封装装技技术术（（WLP））：：使使封封装装完完成成后后的的IC芯芯片片尺尺寸寸尽尽可可能能接接近近圆圆片片级级裸裸芯芯片片尺尺寸寸，，微电电子子技技术术发发展展对对封封装装的的要要求求二、、适适应应更更高高得得散散热热和和电电性性能能要要求求1、、IC功功能能集集成成度度增增大大，，功功耗耗增增加加，，封封装装热热阻阻增增大大2、、电电信信号号延延迟迟和和串串扰扰等等现现象象严严重重解决途径径：1、降低低芯片功功耗：双双极型-PMOS-CMOS-？？？？2、增加加材料的的热导率率：成本本微电子技技术发展展对封装装的要求求三、集成成度提高高适应应大芯片片要求CTE失失配—热热应力和和热变形形解决途径径：1、采用用低应力力贴片材材料：使使大尺寸寸IC采采用CTE接近近Si的的陶瓷材材料，但但目前环环氧树脂脂封装仍仍为主流流2、采用用应力低低传递模模压树脂脂消除除封装过过程中的的热应力力和残留留应力。。3、采用用低应力力液态密密封树脂脂微电子技技术发展展对封装装的要求求四、高密密度化和和高引脚脚数高密度和和高I/O数造造成单边边引脚间间距缩短短、封装装难度加加大：焊焊接时产产生短路路、引脚脚稳定性性差解决途径径：采用BGA技术术和TCP（载载带）技技术成本高、、难以进进行外观观检查等等。微电子技技术发展展对封装装的要求求五、适应应恶劣环环境密封材料料分解造造成IC芯片键键合结合合处开裂裂、断路路解决办法法：寻找找密封替替代材料料六、适应应高可靠靠性要求求军工、空空间电子子产品的的高稳定定要求。。七、考虑虑环保要要求无铅产品品的使用用克服了了铅污染染，但是是对焊接接温度和和封装耐耐热性提提出了更更高要求求芯片可返返修性、、低成本本……微电子技技术发展展对封装装的要求求微电子封封装技术术的发展展特点微电子封封装向高高密