集成电路封装-材料、方法与工艺 课件 第三章-一级封装

集成电路芯片一级电子封装一、双列直插封装（DIP）二、小外形封装（SOP）三、四边扁平封装（QFP）四、栅格阵列封装（LGA）五、球栅阵列封装（BGA）一级封装是将已通过零级封装（如引线键合、载带自动焊等）实现电学互连的一个或多个IC晶片及封装基板用适宜的材料（金属、陶瓷、塑料或它们的组合）封装起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件（SCM）和多芯片组件（MCM）两大种类。在不同时期，为解决不同的封装需求，曾有各式各样的一级封装形式出现，如20世纪70年代的DIP和PGA，80年代中期的SMP、LCCC、PLCC、SOP，80年代末的QFP，以及90年代初的BGA和CSP等。一级封装一级封装的发展历程一级封装技术的不断涌现是随着电子技术的发展与应用场景需求的扩充同步进行的。在电子产业发展的早期，主流的元器件组装技术为通孔插装技术（THT），此时被广泛应用的是与之相适配的DIP和PGA；此后，随着表面安装技术（SMT）的兴起，又出现了LCCC、PLCC、SOP等与之相对应的封装形式。与此同时，一级封装也在不断向着小型化、薄型化、窄节距的方向发展。90年代初，BGA封装研制成功，解决了高I/O引脚数芯片的封装问题，随后CSP出现，推动着MCM技术趋于成熟。可以说，一级封装的演进是整个电子产业发展过程的缩影。双列直插封装双列直插封装（DIP）是一种经典的集成电路封装形式，芯片外形为长方形，两侧有两排平行的金属引脚，称为排针。这种封装方式广泛应用于20世纪70年代的中、小规模集成电路。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，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。这种封装形式在当时的技术条件下，能够满足大多数电子设备的需求，具有较高的可靠性和稳定性。双列直插封装具有以下特点：（1）适合PCB穿孔安装；（2）引脚排列整齐，易于布线；（3）组装操作简单快捷，适合多种应用场景。双列直插封装双列直插封装DIP是20世纪60年代开发出来的最具代表性的IC芯片封装结构，在表面贴装技术出现之前，曾是70年代大量应用于中、小规模IC芯片的主导封装形式。DIP的引脚数一般为4-64，产品呈系列化、标准化，品种规格齐全，至今仍有大量DIP元件投入使用（1997年各种DIP的总量约有110亿只）。DIP的I/O引脚节距一般为2.54mm或1.78mm两种。1.塑料双列直插式封装塑料双列直插式封装（PlasticDIP，PDIP）具有工业自动化程度高、产量大、工艺简单、成本低廉等特点。这种封装使用的是非密封性的塑封外壳，不能完全隔断芯片与周围的环境，具有易吸潮的缺点，但在大量民用产品的使用环境中，其在一定时期内仍可保证器件的可靠工作。DIP封装广泛应用于中、小规模集成电路，如DIP14等。尽管现代封装技术不断发展，DIP封装仍因其简单、可靠和成本低而继续在一些领域使用。随着电子设备的小型化和高性能化，DIP封装的应用范围可能会逐渐缩小，但在一些特定领域，如教育、实验和一些对成本敏感的应用中，DIP封装仍将保持其重要性。2.1陶瓷熔封双列直插式封装陶瓷熔封双列直插式封装（CeramicDIP，CDIP）的引线节距为2.54mm。这种封装结构十分简单，只有底座、盖板和引线架三个零件。其工艺过程包括底座和盖板的准备、玻璃浆料印刷、引线框架放置、芯片键合、焊线、组装和密封等步骤。CDIP结合了引线框架、陶瓷与低熔点玻璃的特点，不需在陶瓷上进行金属化，烧结温度低（一般低于500℃），因此成本很低。在20世纪90年代前，它曾占据国际集成电路封装市场的很大份额。该封装形式的体积较大，空间利用率不足。目前，此类封装已逐渐被多层陶瓷封装和塑料封装所取代。2.2陶瓷熔封双列直插式封装的工艺流程小外形封装小外形封装小外形封装（SmallOut-LinePackage，SOP）是常见的元件封装形式，由DIP变形而来。它将DIP直插式引脚向外弯曲90度，从而适用于SMT表面安装技术。与DIP相比，SOP的外形尺寸和重量显著减小。这种封装结构的引脚主要有两种形式：一种是具有“L”形的翼形引脚，被称为SOP；另一种是将引脚弯曲成“J”形，引脚在封装下面的SOJ。SOP引脚节距多为1.27mm、1.0mm和0.65mm等，引脚数量为8-86只。因其引脚在塑封主体之外，所以焊接操作相对容易，焊点也便于检查。不过，与SOJ相比，SOP占用PCB的面积更大，而SOJ的安装密度更高。SOP、SOJ几乎全部采用模塑封装，其制作方法与一般的PDIP类似。SOP、SOJ的引线框架材料种类丰富，除了可伐合金及42铁镍合金外，Cu合金引线框架也被广泛应用。Cu合金引线框架具有独特的优势，其良好的柔性使其在焊接过程中能够有效吸收应力，减少因热胀冷缩等因素导致的焊接缺陷，提高了焊接的可靠性。同时，它还具备出色的导电导热性能，这对于集成电路中信号的快速传输和热量的散发至关重要。1.小外形封装的引线框架材料2.小外形封装的应用SOP封装的应用范围极为广泛，主要用于中、小规模IC芯片以及I/O引脚较低的LSI芯片的封装。SOP有常规型、窄节距SOP（ShrinkSOP，SSOP）及薄型SOP（ThinSOP，TSOP）等多个种类。除此之外，此后逐渐派生出的小外形J形引脚封装（SOJ）、薄型小外形封装（ThinSOP，TSOP）、甚小外形封装（VerySmallOutlinePackage，VSOP）、窄节距SOP（ShrinkSOP，SSOP）、薄型窄节距SOP（ThinShrinkSOP，TSSOP）及小外形晶体管（SmallOutlineTransistor，SOT）、小外形集成电路（SmallOutlineIC，SOIC）等在集成电路中都起到了举足轻重的作用。例如，计算机主板上的时钟发生器采用的就是SOP封装。在各类表面贴装器件（SMD）中，SOP、SOJ的数量占据了较大比例。据《SMT》1998年第7期刊载的1997-2002年的各类封装产品预测，各个时期的SOP、SOJ产量约占SMD各类封装总产量的60%左右，充分显示了其在电子制造领域的重要地位。总之，小外形封装主要适用于对安装密度要求较高的场合，满足的是电子产品轻薄化、小型化的发展趋势。四边扁平封装四边扁平封装随着集成电路封装技术的发展，为了进一步在不大幅扩大芯片所占面积的前提下为芯片增加更多的I/O引脚数目，在小外形封装技术的基础上，又提出了四边扁平封装（QuadFlatPackage，QFP）的概念。QFP与SOP一样，属于表面贴装类型封装的一种，其将SOP的双排引脚变为围绕整个封装四边的四边引脚，从而增加了单个芯片可容纳的引脚数量，提高了PCB板的布线密度及空间利用效率。QFP封装的引脚数目一般为44~208，甚至可达500，引脚中心距一般小于0.65mm。QFP封装的缺点是引脚中心距小于0.65mm时，引脚易弯曲，为此出现了改进型如BQFP。从包封材质来看，QFP以塑封QFP（PlasticQFP，PQFP）为主，也有陶瓷QFP（CeramicQFP，CQFP）。在90年代初，QFP曾一度成为各类LSI与低引脚数VLSI芯片的主流封装形式。1.塑封四边扁平封装一般的QFP采用塑封形式，封装体为正方形，引脚分布于四周，引脚数目为44~308，甚至可达500。PQFP封装适用于中等性能、中等引脚数的应用场景，具有良好的布线密度和空间利用效率。其封装体厚度一般为2.0~3.6mm，适合多种电子设备。2.陶瓷四边扁平封装陶瓷四边扁平封装（CQFP）采用干压方法制造，具有良好的热性能和电性能。CQFP封装适用于对热处理要求较高的器件，一级互连多采用倒装芯片互连。其引脚中心距最小为0.4mm，引脚数最多可达348，封装体厚度一般为1.0mm。3.带缓冲垫四边扁平封装带缓冲垫四边扁平封装（BQFP）在封装本体四个角放置缓冲垫，防止引脚在运输过程中弯曲变形。BQFP适用于微处理器和专用集成电路等高可靠性需求的电路。其引脚中心距为0.635mm，引脚数为84~196，封装体厚度一般为1.4mm。4.收缩型与薄型四边扁平封装收缩型四边扁平封装（SQFP）的引脚中心距比普通QFP小，可在封装体边缘容纳更多引脚。SQFP也称为小引脚中心距四边扁平封装（FQFP），适用于高密度布线需求的场景。其引脚数可达500，封装体厚度一般为1.4mm，适合对空间要求较高的应用。薄型四边扁平封装（TQFP）相对于普通QFP厚度更小，适合中等性能、低引线数量的应用场景。TQFP封装体厚度一般为1.0mm，支持宽泛的印模尺寸和引脚数量，尺寸范围为7~28mm。其封装效率高，成本较低，适合大规模生产。栅格阵列封装栅格阵列封装栅格阵列封装（LandGridArray，LGA）是一种先进的封装技术，能够提高芯片的集成度、降低成本并提高性能。LGA的工作原理基于芯片与基板之间的直接连接，使用刚性或柔性的电路板作为基板，其上布满了密集的连接器。这些连接器通过金属化通孔与下面的芯片实现电气连接。LGA封装的芯片通过焊球与基板相连，实现了芯片与基板之间的直接连接。此外，LGA还采用了倒装芯片技术，使得芯片能够以更小的间距与基板相连。LGA封装技术与英特尔处理器的封装技术相对应，它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚，成为了一种“跨越性的技术革命”。栅格阵列封装相较此前的技术，LGA的优势主要体现在以下方面：（1）直接连接：LGA封装通过焊球与基板直接连接，减少了互连长度，提高了封装性能，降低了信号传输延迟。（2）高密度布线：LGA封装的基板上布满了密集的连接器，能够实现高密度的电气连接，适合高I/O引脚数的应用场景。（3）兼容性与可更换性：LGA封装采用金属触点式连接，与传统的针状插脚式封装相比，具有更好的兼容性和可更换性。例如，LGA775接口的处理器可以通过安装扣架固定在Socket上，方便更换芯片。（4）散热性能：LGA封装的结构设计有助于提高散热性能，能够更好地满足高性能处理器的散热需求。LGA封装技术广泛应用于高性能处理器，如英特尔的多款处理器。其高密度布线和良好的散热性能使其成为高性能计算领域的首选封装技术之一。随着技术的发展，LGA封装不断演进，以满足更高的性能需求。例如，LGA1155、LGA1366等接口不断更新，支持更多的引脚数和更高的数据传输速率。未来，LGA封装将继续朝着更高密度、更低功耗、更好散热的方向发展。同时，随着芯片制造工艺的进步，LGA封装将能够支持更多的功能集成，为高性能计算和人工智能等领域提供更强大的支持。球栅阵列封装球栅阵列封装BGA封装是一种先进高性能封装技术，其优点包括提高成品率、焊点中心距较大、改进器件引脚数和本体尺寸、改善共面问题、引脚牢固、信号路径短、有助于散热、适合MCM封装等。BGA可使用多种材料，结构形式多样，有芯片向上和芯片向下两种结构，一级互连多采用传统芯片键合或倒装芯片互连。BGA主要有塑料球栅阵列（PBGA）、陶瓷球栅阵列（CBGA）、陶瓷圆柱栅格阵列（CCGA）和载带球栅阵列（TBGA）四种类型。PBGA是最常用的BGA封装形式，具有成本低、与PCB热匹配性好等优点；CBGA可靠性高，具有优良的热性能和电性能；CCGA是CBGA的扩展，适用于尺寸较大的陶瓷体；TBGA是最薄型的BGA封装，经济性与电性能良好。1.塑料球栅阵列塑料球栅阵列（PBGA）又称为整体模塑阵列载体（OverMoldedPlasticArrayCarriers，OMPAC），是最常用的BGA封装形式。PBGA的制作过程包括基板制备、芯片粘接、引线键合、模塑封装、焊球安装等步骤。PBGA的优点包括利用现有装配技术、成本低、与PCB热匹配性好、焊球焊接可以自对准等。然而，PBGA封装也存在一些缺点，如对湿气敏感、需要解决可靠性问题等。尽管如此，PBGA封装在许多应用中仍然是一个具有性价比的选择，尤其是在I/O数量少于200时。2.陶瓷球栅阵列陶瓷球栅阵列（CBGA）是一种高性能的BGA封装形式。CBGA的制作过程较为复杂，包括多层陶瓷基板制作、芯片倒装焊、气密性封装等步骤。CBGA的优点包括可靠性高、热性能和电性能优良、对湿气不敏感、封装密度高等。然而，CBGA封装也存在一些缺点，如成本高、重量大、热匹配性差等。CBGA封装适用于高性能、高I/O的应用领域，如计算机处理器等。陶瓷焊柱栅格阵列（CeramicColumnGridArray，CCGA）器件也称为圆柱焊料载体（SolderColumnCarriers，SCC），其主要作为大尺寸CBGA（边长大于32mm）器件的替代品，是CBGA的扩展。CCGA与CBGA的最主要区别在于，其采用组分为90%Pb-10%Sn的焊料圆柱阵列来替代陶瓷底面的贴装焊球。与CBGA器件的焊料球不同，CCCA器件上的焊料柱能够承受电路板和陶瓷封装之间的热膨胀系数失配所产生的应力作用。这种封装清洗容易，耐热性好，可靠性高。大量的可靠性测试工作证明，CCGA器件的优点和缺点与CBGA器件非常类似，但焊料圆柱比焊球更容易受到机械损伤。3.陶瓷焊柱栅格阵列4.载带球栅阵列载带球栅阵列（TapeBallGridArray，TBGA）也称为阵列载带自动键合（ArrayTapeAutomatedBonding，ATAB），是一种相对新颖的BGA形式。该方法使用引线键合或倒装芯片方法连接晶片与导电载带，将晶片妥善包封后，将焊球以类似于引线键合的微焊接（Micro-Welding）工艺处理逐一地连接到载