异质集成技术 4

第三章传统封装技术一、封装概述二、传统封装技术及基本工艺流程三、载带自动焊四、DIP（双列直插式封装）五、SOP/QFP/QFN六、BGA一、集成电路与封装芯片制造与芯片封装半导体集成电路产业链的核心技术包括芯片设计、芯片制造、封装与测试等封装的基本功能芯片封装是将集成电路芯片或裸芯放置在外部保护性壳体内的过程。封装的主要目的是通过外壳提供物理保护和连接引脚，同时改善热管理，增强芯片的可靠性和易用性。(1)信号分配

(2)电源分配

(3)散热：使结温处于控制范围之内

(4)防护：对器件的芯片和互连进行机械、电磁、化学等方面的防护此外，封装还有集成其他无源器件或其他系统功能。如5G通信芯片带动了将天线功能集成在封装中的封装天线（AiP）技术的发展。封装分级封装按照其层次可以分为零级封装、一级封装、二级封装和三级封装等不同阶段。

零级封装集成电路芯片上的互连被称为零级封装。零级封装得到的是芯片。

一级封装一级封装是指将芯片固定在封装基板或引线框架上，将芯片的焊盘与封装基板或引线框架的内引脚互连从而进一步与外引脚连通，并对芯片与互连进行保护性包封。一级封装得到的是封装好的电子器件。二级封装将一级封装和其他电子元件安装在印制线路板表面，得到电子系统的插卡、插板或主板。三级封装将多个电子系统组装并进行互连，最终形成一个完整的电子产品。封装技术的发展封装技术的演进反映了电子封装在应对小型化、高性能和复杂应用需求方面的持续进步传统封装技术传统封装类型包括DIP、SOP、QFP、TAB、BGA等。尽管现代技术发展迅速，新型封装技术逐渐崭露头角，传统封装仍因其成本效益高和广泛应用而继续存在市场上。二、传统封装技术及基本工艺流程典型的封装工艺流程传统封装技术二、传统封装技术及基本工艺流程典型封装工艺示意图载带自动焊(TapeAutomatedBonding，TAB)技术是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集成电路封装技术；在柔性聚合物上做好由图形化金属箔布线形成的引线框架，然后通过热电极一次性将芯片焊区与所有的内引脚进行键合，是芯片引线框架的一种互连工艺。载带为柔性高分子聚合物材质。三、载带自动焊1965美国通用公司发明，当时称为“微型封装”；1971法国BullSA公司称其为“载带自动焊”，沿用至今；直到20世纪80年代中期，TAB技术一直发展缓慢；随着LSI、VLSI以及电子整机的发展，1987年，TAB技术又受到电子封装界的重视；日本使用TAB技术在数量和工艺技术、设备等放都是领先的，至今仍是使用TAB的第一大户，美欧次之，韩国和俄罗斯也有使用；TAB历史与应用情况与WB技术相比具有如下优点:（1）TAB封装结构轻、薄、短、小，封装高度小于1mm。（2）TAB电极尺寸、电极节距区间距较WB小。TAB的电极宽度通常为50μm，可低至20μm，电极节距通常为80μm，可以做到更低。（3）TAB容纳I/O引脚数更多，安装密度高。（4）TAB引线电阻、电容、电感小，有更好的电性能。（5）采用Cu箔引线，导电导热好，机械强度高。（6）TAB键合点抗键合拉力比WB高。单点TAB的键合拉力为0.3~0.5N，比单根焊线拉力（0.05~0.1N）要高3~10倍。（7）TAB采用标准化卷轴长带，对芯片实行多点一次焊接，自动化程度高，生产效率高。TAB优点TAB载带按其结构可分为Cu箔单层带、Cu-PI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带,此外还有Cu-PI-Cu双金属带等四种。(a)Cu箔单层带(b)Cu-PI双层带

(c)Cu-粘接剂-PI三层带

根据封装的使用要求和I/O引脚数量、电性能要求的高低、成本要求等来确定选择哪一种结构的载带。单层带的Cu箔厚度为50~70μm，以保持载带引线图形的强度及保持引脚的共面性。其他结构载带因为有PI支撑，可选择18~35μm或更薄的Cu箔。载带分类TAB分类成本工艺性能能否老化筛选芯片Cu箔单层带低简单耐热性好不能Cu-PI双层带低设计灵活可弯曲，耐热性好能Cu-粘结剂-PI三层带高复杂可制作高精度图形能Cu-PI-Cu双金属带高复杂可改善高频器件的信号特性能四、DIP（双列直插式封装）单列直插式封装SingleIn-linePackage,SIP1960年代开发表面安装器件普及之前大量应用引脚数为4~64外壳：陶瓷DIP(CDIP)和塑料DIP(PDIP)DualIn-linePackage,DIP双列直插式封装陶瓷熔封双列直插式封装（CerDIP）多层陶瓷双列直插式封装（CDIP）涂有低温玻璃的底座和盖板焊接处覆Al的引线框架,IC芯片与引线键合封装、电镀，并切断引线连接塑料双排直插封装PDIP小外形封装SmallOutinePackage,SOP早期表面贴装类型（SMT）封装的代表变形：SmallOut-lineJ-lead（SOJ）常规型、窄节距SOP（SSOP）及薄型SOP（TSOP）五、SOP/QFP/QFN四边扁平封装QuadFlatPackage,QFP20世纪80年代研制成功塑封QFP（PQFP）为主，也有陶瓷QFP（CQFP）薄型QFP（TQFP）塑料QFJ（PLCC）封装及陶瓷QFJ

无引脚封装四边扁平无引脚封装QuadFlatNo-leadpackage，QFN塑料QFN为主，也有陶瓷QFN小外形无引脚Small-OutlineNo-leadpackage，SON内部互连内部结构BGA(BallGridArray)即“焊球阵列”，其外引线为焊球或焊凸点，它们成阵列分布于封装基板的底部平面上。在基板上面装配LSI芯片(也有的BGA引脚端与芯片在基板同一面),是LSI芯片的一种表面组装封装类型。BGA的出现解决了QFP等周边引脚封装长期难以解决的高I/O引脚数LSI的封装问题。BGA已成为目前市场份额最大的封装形式。六、球栅阵列（BGA）封装球栅阵列（BGA）封装类型根据气密性不同进一步分类BGA封装分类a.周边阵列b.交错阵列c.全阵列根据焊球分布分类BGA封装分类塑料BGA封装PBGA采用的基板类型为PCB基板材料（BT树脂/玻璃层压板），裸芯片经过粘结和WB技术连接到基板顶部及引脚框架后采用注塑成型（环氧模塑混合物）方法实现整体塑模。BGA封装分类塑料BGA封装早期的焊球材料为低熔点共晶焊料合金63Sn37Pb，直径约1mm，间距范围1.27-2.54mm，焊球与封装体底部的连接不需要另外使用焊料。组装时焊球熔融，与PCB表面焊盘接合在一起，呈现桶状。PBGA的特点制作成本低，性价比高焊球参与再流焊点形成，共面度要求宽松与环氧树脂基板热匹配性好、装配至PCB时质量高、性能好对潮气敏感，PoPCorneffect严重，可靠性存在隐患“爆米花”现象的产生的原因是，塑料封装器件受潮后在塑料内会吸收湿气，封装回流焊时，器件温度迅速升高，器件内部的湿气膨胀会产生足够的蒸汽压力从而损伤或毁坏元件。常见的失效机理包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离、焊线损伤、芯片损伤、塑料内部裂纹等；严重情况下，会产生器件鼓胀和爆裂，也就是“爆米花”现象。陶瓷BGA封装陶瓷BGA封装是将裸芯片安装在多层陶瓷布线基板，倒装或焊线实现芯片与陶瓷基板电气连接，然后用金属盖板用密封焊料焊接在基板上，用以保护芯片、引线及焊盘。封盖工艺采用玻璃封接或焊料焊接可以实现气密封装，提高器件可靠性和物理保护性能。CBGA封装的优点如下：（1）对湿气不敏感，可靠性好。（2）电性能优良。（3）热阻低，散热性能好。（4）芯片与陶瓷基板CTE匹配性好，可靠性高。（5）连接芯片和组件可返修性较好。（6）裸芯片可采用FCB技术，互连密度更高。CBGA的不足之处如下：（1）封装成本高。（2）与环氧树脂等塑料基板CTE匹配性差。TBGA封装与PBGA封装比CBGA封装稍晚出现一种采用倒装芯片键合的TBGA的结构示意图加强筋芯片背面涂敷导热粘结剂加强筋和芯片背面与散热器粘贴散热性能好载带BGA封装采用引线键合的TBGA封装结构铜散热封盖形成空腔，空腔外围的平面用作柔性胶带粘结的底座焊线塑封使用柔性互连的优点是能够实现细线。典型特征是75μm节距上的35μm线宽。对于引线键合应用，这允许载带上一排焊盘与芯片焊盘匹配。对于倒装芯片应用，单层互连可以排布3排焊盘。双层布线载带可铺设深达6排焊盘。图

多引脚数TBGA封装的示例整体来看，TBGA封装的优点如下：（1）热阻低，散热性能好；（2）载带与环氧树脂等塑料基板CTE匹配性好；（3）电性能比PBGA封装优良；（4）比PBGA封装薄。TBGA封装的不足之处如下：（1）不是气密封装，对湿气敏感；（2）成本高于PBGA。载带BGA封装金属BGA封装Olin公司实现了一个类似TBGA封装的BGA封装版本，MBGA封装不使用独立的柔性层或载带层，但基本上得到了相同的结构。金属BGA封装结构图MBGA封装的优点：MBGA封装同TBGA封装一样具有好的散热性和电性能。薄膜加工技术的进步使MBGA封装朝着更低的成本方向发展。大面积面板（LAP）工艺提供了更接近PCB的成本结构。BGA主要封装工艺BGA封装主要工艺芯片贴装与一级互连包封（塑封或封盖）外引脚的制作：焊球阵列外引脚引线键合，芯片朝上引线键合，芯片朝下1.芯片安装：多种方式2.一级互连：WB，FC，TAB倒装焊/TBGA群压焊一种采用倒装芯片键合的TBGA的结构示意图CBGA的结构示意图（1）塑封，如PBGA，塑封料在上表面，此类型封装散热稍差；（2）塑封，塑封料在封装底面中间，如TBGA、MBGA，表面可以设置散热片，散热较好；TBGAPBGA3.包封（3）芯片下部底部填充，芯片上部高导热粘结封盖，如CBGA，可实现气密封装；CBGA（4）芯片下部底部填充，芯片上部高导热粘结封盖，TBGA，非气密封装。TBGA植球和回流的过程及对应的设备4.植球及回流（Ball

PlacementandReflow）植球和回流的过程示意图凸点材料选择BGA焊球通常是预制的早期的焊球尺寸一般为0.76mm或0.89mm，材料是铅锡焊料；现在主要采用SnAgCu等无铅材料。且尺寸缩小。BGA的安装工艺BGA安装前需检查BGA焊球的共面性以及有无脱落。BGA在PWB上的安装与目前的SMT工艺设备和工艺基本兼容。安装过程为：将低熔点焊膏用丝网印刷印制到PWB上的焊区阵列→用安装设备将BGA对准放在印有焊膏的焊区上→SMT再流焊。BGA