第1章集成电路芯片封装技术概述课件

西安邮电大学微电子学系集成电路芯片封装与测试课程概况教师：谢端：88166173邮箱：办公地点：3#实验楼501课程性质：系考学时数：32考核方式：闭卷平时成绩：30%卷面成绩：70%集成电路芯片封装与测试总学时：32第一章：集成电路芯片封装概述第二章：封装工艺流程第三章：印制电路板第四章：陶瓷封装第五章：塑料封装第六章：气密性封装第七章：封装可靠性工程第八章：封装过程中的缺陷分析第九章：先进封装技术第十章：集成电路测试技术

教材：集成电路芯片封装技术李可为编参考书：微系统封装技术概论金玉丰编著第一章

集成电路芯片封装技术概述

一、封装技术概论及相关知识二、封装分类及封装材料三、微电子封装技术历史和发展趋势一、封装技术概论及相关知识微电子学〔Microelectronics）：一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科。微电子技术：利用微细加工技术，基于固体物理、器件物理和电子学理论方法，在半导体材料上实现微小固体电子器件和集成电路的一门技术。集成电路IC〔IntegrateCircuit）：通过半导体工艺技术将电子电路元件〔电阻、电容等无源器件〕和有源器件〔晶体管、二极管等），按照一定的电路互连，“集成〞在一块半导体单晶片〔如硅或砷化镓〕上，封装在一个外壳内，形成完整的有独立功能的电路和系统。芯片〔chip）：没有封装的集成电路，通常与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称。集成电路封装〔ICPackaging,PKG)：是一门将IC芯片加以粘贴固定并密封保护，并与其它必需的元器件组合以成为一项电子产品的科学技术。设计检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求集成电路设计与制造的主要流程芯片的显微照片集成电路制造流程缺陷芯片1.2.3.划片线单个芯片装配封装4.5.由晶锭切成硅片单晶硅Figure1.6封装在IC制造流程中的位置

1、芯片封装技术—概念狭义的封装集成电路芯片封装(Packaging,PKG)，是指利用膜技术及微细加工技术,将芯片布置、粘贴固定及连接在框架或基板上,并引出接线端子。通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺。广义的封装“电子封装工程”（系统封装）=狭义的封装〔芯片封装）+装配和组装即：将芯片封装体与其它元器件组合、装配成完整的系统和电子设备。第1階段封裝

第2階段封裝

第3階段封裝Chip系统封装

封装工程的技术层次从系统角度看，微系统封装包括：芯片级封装〔零级）器件级封装〔一级封装）板级封装（二级封装）系统级封装〔三级封装）微系统工程中几个封装层次零级：晶体管级（芯片级）一级：器件级（芯片到模块）二级：板级模块到PCB〔卡）三级：系统级PCB到主板集成电路的封装层次第二级封装印刷电路板装配第一级封装：IC封装最终产品装配：电路板装到系统中的最终装配 为在印刷电路板上固定的金属管脚管脚管脚插入孔中然后在PCB背面焊接表面贴装芯片被焊在PCB的铜焊点上.边缘连接电极插入主系统PCB组件主电子组件板电极Figure20.3

2.芯片封装的技术领域芯片封装是一门跨学科的综合学科，也是跨行业的综合工程技术。涉及了物理、化学、化工、资料、机械、电气与自动化等多门学科；整合了产品的电气特性、热传导性、可靠性、材料与工艺技术的应用以及成本价格等因素。使用的材料包括：金属、陶瓷、玻璃、高分子等。3.封装目的及实现的功能封装目的：为保护芯片不受或少受外界环境的影响,为之提供一个良好的工作条件,以使集成电路具有稳定、正常的功能。实现功能：传递电能传递电路信号提供散热途径结构保护与支持封装的功能

在集成电路的工艺流程中，封装工艺属集成电路制造工艺的后道工序。所谓“前”、“后〞是以硅圆片〔wafer〕切成芯片〔chip〕为分解点。传统封装的主要流程封装的主要生产过程包括：晶圆切割，将晶圆上每一晶粒加以切割分离。粘晶，（Die-Attach〕将切割完成的晶粒放置在导线架上。焊线，（WireBond〕将晶粒信号接点用金属线连接至导线架上。封胶，将晶粒与外界隔绝。检切/成型，将封胶后多余的残胶去除，并将导线架上IC加以检切成型。印字，在IC表面打上型号、生产日期、批号等信息。检测，测试芯片产品的优劣。传统装配与封装流程硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.1

微芯片封装例子Figure1.8二、封装分类及封装材料迄今还没有一个统一的封装分类方法，业界常常从封装材料、封装形式、应用对象等角度进行分类。从以下四个方面进行分类：按芯片数目；按材料分类；按器件与电路板互连方式；按引脚分布；1.封装的分类(2)按互连方式分类：单边引腳双边引腳底部引腳插入式SIPZIPDIPSK-DIPPGA引脚插入式PTH(Pin-through-hole)

表面贴装式单边引脚双边引脚四边引脚底部引脚SVPSOPTSOPSSOPSOIQFPLQFPTQFPQFI针状PGA球状BGA表面贴装式：SMT〔SurfaceMountTechnology)典型的集成电路封装形式四边形扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插封装(DIP)薄小型封装(TSOP)单列直插封装(SIP)

主板上采用DIP封装的BIOS芯片世界上首款BGA封装的主板芯片组i850

BGA可以使芯片做的更小kingmax最新的彩色Tiny-BGA封装的256MBDDR400内存引脚形态分类〔2）TO52LCCPLCCSOJJ形引线小外形封装SOPPBGACLCCµBGAPLCCBGA封装形式〔术语〕小结：双列直插式封装--DIP(dualin-linepackage)单列直插式封装--SIP(singlein-linepackage)薄小外型封装--TSOP(ThinsmallOutlinepackage)四边引脚扁平封装--QFP(quadflatpackage)带引线的塑料芯片载体PLCC(plasticleadedchipcarrier)无引脚芯片载体--LCC(Leadlesschipcarrier)插针阵列--PGA(pingridarray)球栅阵列—BGA〔BallGridArray)芯片尺寸封装－CSP〔或称μBGA）2.封装材料分类芯片封装使用的材料包括：金属、陶瓷、玻璃、高分子等。金属：电热传导材料陶瓷、玻璃：陶瓷基板的主要成分高分子材料：塑料封装、封装工艺添加物塑料封装---非气密封装塑料封装一般认为属非气密封装。特点：工艺简单、成本低廉、适合自动化大批生产。约占IC市场的的95%。

陶瓷封装：概念：与金属封装一样，陶瓷封装也是一种气密性的密封形式。价格低于金属封装。封装体通常采用的材料：Al2O3特点：气密性好，封装体的可靠性高；优良的电性能，导热性能，好具有对复杂器件进行一体化封装的能力；缺陷：与塑料封装相比，其工艺温度较高、成本较高；两者都可制成DIP封装，陶瓷封装适用于高可靠性元件制作；塑料封装适用于低成本元器件的批量生产。三.微电子封装技术的历史和发展趋势1947年美国贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖克莱发明第一只晶体管，1958年科学家研制成功第一块集成电路(IC)。集成电路的诞生，拉开了集成电路封装的历史，集成电路封装历史大约可分为三个阶段。微电子技术的发展历史1947年12月23日，美国贝尔实验室W.Schokley领导的研制小组，设计出世界上第一只晶体三极管，标志着电子技术从电子管时代进入到晶体管时代。肖力克与布拉顿、巴丁共同获得1956年Nobel物理奖。第一块集成电路第一个晶体管迟到了四十二年的奖1958年美国德州仪器公司技术专家杰克·基尔比〔J.S.Kilby〕发明第一块集成电路，12个器件，Ge晶片；从此，微电子技术进入了IC时代。2000年获得诺贝尔物理学奖。贝尔实验室的第一只晶体管PhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovationsPhoto1.3JackKilby’s第一块集成电路PhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.Photo1.4

集成电路封装历史发展的三个阶段数十年来，微电子封装技术一直跟随者IC的发展，第一阶段：20世纪70年代以前，以插装型为主。从最初的金属圆形封装TO，到随后开发的陶瓷双列直插式封装(DIP),尤其是后开发出的塑料DIP，成为70年代中小规模电子封装系列主流产品。第二阶段：20世纪70年代以后，以表面安装类的四边引线封装为主。表面贴装技术(SMT)称作电子封装的一场革命，得以迅猛发展。如LCCC、PLCC、PQFP、PSOP等,使塑封四边扁平引线封装(PQFP)迅速成为这一时期主导产品。集成电路封装历史发展的三个阶段第三阶段：20世纪90年代以后，以面阵列封装形式为主。90年代初,IC发展到了超大规模阶段，要求封装向更高密度、高速度发展，因此IC封装从四边引线型向平面阵列型发展,发明了新一代微电子封装-----球栅阵列封装(BGA),后来又开发了体积更小的CSP。同一时期，又开发出多芯片组件〔MCM）、3D封装和系统封装。总之，封装技术经历了两边引线、到四边引线、再到面阵引线的封装密度逐步增加过程，目前正进入从平面封装到三维封装的发展阶段。微电子封装发展历程和趋势年份70年代80年代90年代2000年代2019年芯片连接WB(丝焊)WBWBFC(倒装焊）低成本高I/OFC封装形式DIPQFPBGACSP裸芯片装配方式PIHSMTBGA/SMTBGA/SMTDCA/SMT无源元件分立分立分立分立/组合集成基板有机有机有机DCA倒板SLIM封装层次33311元件类型数5~105~105~105~101硅效率%（芯片/基板）271025>75

如何衡量一个芯片封装技术是否先进?硅效率：芯片占封装面积之比，比值越接近1越好。当比值等于“1〞时，称为“裸晶”。即封装的最高境界。上表中：硅效率：从2%---75%双列直插封装DIPDIP(DualIn－linePackage)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。例如采用40根引脚的塑封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1:86〔1.2%）离1相差很远。这种封装尺寸远比芯片大，封装效率很低。以下是一颗AMD的QFP封装的286处理器芯片。0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1:7.8〔12.8%）由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小了。主板上采用DIP封装的BIOS芯片芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1:86〔1.2%）AMD的QFP封装的286处理器芯片芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1:7.8（12.8%）芯片尺寸型封装CSP－ChipSizePackage芯片尺寸型封装：它的全称为ChipScalePackage，为芯片级封装，也称μBGA。CSP封装的芯片面积与封装面积之比超过1：1.14。已经非常接近于1:1的理想情况。新一代的芯片封装技术，在BGA、TSOP的基础上，CSP的性能又有了革命性的提升。TSOP最多为304根引脚，BGA能达到600根引脚的极限，而CSP理论上可以达到1000根。新型封装技术，指封装后的IC大小不得超过原芯片Chip面积的20%以上。tCSP封装的DDR433内存条2.微电子发展趋势微电子技术的发展一直遵循摩〔MOORE〕定律。特征尺寸每3年缩小1/3，集成度每三年提高4倍。预计15年内，最大芯片尺寸增大1倍〔芯片面积：450---937mm2）；最大引脚数：1600---8758个，增加4.47倍；价格下降：IC产品从0.90---1.90美分/引线下降到0.42~0.88美分/引线,下降1/2~1/5;芯片尺寸实现12in〔1in=2.54cm)，65nm的工业化大批量生产。不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍〔18个月翻一番），而加工特征尺寸缩小1/3，这就是摩尔定律微电子技术发展的规律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002019芯片上的晶体管数目微处理器性能每三年翻两番

芯片尺寸越来越大.工作频率越来越高.发热量日趋增大.引脚越来越多.归纳起来，集成电路发展主要表现在以小几个方面:对封装的要求:

小型化适应高发热集成度提高,同时适应大芯片要求高密度化适应多引脚适应高温环境适应高可靠性考虑环保3、国内封装业发展集成电路产业链是半导体产业的组成部分，包含IC设计、芯片制造、IC封装测试三个子产业群。其中，封装测试行业相对来说，投入资金较小，建设快，较利于发展。和其他发展中国家一样，我国集成电路领域首先发展的也是封装测试行业，由于具备成本和地缘优势，目前，我国已经成为全球主要封装基地之一。集成电路产业链组成集成电路产业链IC设计芯片制造IC封装测试中国半导体产业在世界半导体产业中的位置“中国带动了全球90%的半导体消费增长，半导体产业的增长也远高于世界上任何其他国家。”从2000年到2019年间，我国集成电路产量和销售收入年均增长速度超过30%。2019年中国集成电路产业收入首次突破1000亿元”达到1006.3亿元，同比增长达到43.3%；集成电路总产量达到355.6亿块，同比增长36.2%，是中国集成电路产业快速增长的一年。2019年：集成电路产业共实现销售收入1251.3亿元，同比增长24.3%。产业规模占全球8%，提前三年实现国家“十一五〞规划。预计2019-2019年5年间，我国内地集成电路产业年均复合增长率将达到27.5%。到2019年，我国内地集成电路产业收入将突破3000亿元，达到3400亿元左右。届时中国将成为世界重要的集成电路制造基地之一。

微电子产业在中国的机遇21世纪是我国微电子产业赶上世界先进水平的最后机遇世界半导体市场亚洲是全世界增长最快的地区中国将成为亚洲增长最快的地区无论对世界还是对中国都是IC设计公司的机遇：

2000201920192019201920192019产业规模(亿美元)2044139014071664213022752477增长率36.8%-32.0%1.3%18.3%28.0%6.8%8.9%数据来源：WSTS国内IC封装业发展现状：全国集成电路封装测试业近几年一直保持较快增长的势头。2019年IC封装测试企业销售收入246亿元，同比增长23.3%；占整个IC产业链70%；2019年IC封装测试业全年销售收入达到294.16亿元，比2019年增长15.8%。2019年IC封装测试业充满生机，全年销售收入达到351亿元，比2019年增长19.3%。2019年内地IC封装测试业加速发展，产能大幅提升。行业销售收入达到496.6亿元，年度增幅提高到48.5%是增长最快的一年。2019年国内集成电路封装测试业共实现销售收入627.7亿元，同比增长26.4%，保持了快速增长势头。2019—2019年我国IC封装测试企业销售收入〔平均增长26.7%）中高档封测产品占比将逐年提升目前内地封装测试企业的分布与整个半导体产业的发展是一致的，主要集中于长三角、珠三角、环渤海和西部地区。长三角地区的上海、江浙一带仍是外资、台资封装测试企业进入中国内地的首选之地。过去20多年，半导体产业经历了从欧美到日韩、中国台湾，再到中国内地、新加坡、马来西亚等地的迁移，产业迁移是一种必然趋势。与封装测试业发达的台湾地区相比，目前我国内地本土企业的IC封装测试主要是一些中低档产品，如DIP、SOP(SSOP、TSOP)、QFP(LQFP、TQFP)等，与国际先进封装测试技术相比存在较大差距。但随着产业迁移的加速，一些外资或合资企业相继引入和开发了MCM(MCP)、BGA、CSP、MEMS、SiP等先进封装测试技术。。2019年度国内IC封装测试企业销售收入排名排名

企业名称销售额〔亿元）

企业类型1

飞思卡尔半导体〔中国〕

134.63

外资2

奇梦达科技〔苏州〕

100.33

外资3

威讯联合半导体〔北京〕

54.15

外资4江苏新潮科技集团有限公司37.8

内资5

上海松下半导体有限公司

32.67

合资6

深圳赛意法半导体有限公司

30.61

合资7

南通华达微电子集团有限公司

25.87

内资8

星科金朋〔上海〕

20.59

外资9

瑞萨半导体〔北京〕

20.23

外资10

英飞凌科技〔无锡〕

19.02

外资2019年国内IC封装测试企业现状2019年前10家IC封装测试企业中，内资企业：江苏新潮科技、南通华达集团2家合资企业：上海松下半导体、深圳赛意法2家外资企业：6家2019年前10家IC封装测试企业中，内资及合资企业销售收入为126.95亿元，占年度销售收入的19%，外商独资企业销售收入达348.95亿元，占年度销售收入的52.4%。这表明，内资及合资企业仍较弱小，外资企业在IC封装测试业中占主导地位。飞思卡尔半导体〔中国〕〔2019年封装测试排名第一）飞思卡尔半导体是全球领先的半导体公司，为汽车、消费、工业、网络和无线市场设计并制造嵌入式半导体产品。这家企业总部位于德州奥斯汀，在全球30多个国家和地区拥有设计、研发、制造和销售机构。飞思卡尔半导体是全球最大的半导体公司之一，2019年的总销售额达到57亿美元。2019年在我国封装测试销售额134.63亿元。飞思卡尔半导体〔中国〕〔2019年封装测试排名第一）飞思卡尔一直是摩托罗拉下属机构，2019年5月2日摩托罗拉将其半导体部门独立成立了新公司飞思卡尔，飞思卡尔成为独立企业开始了新的生活。目前飞思卡尔成为中国优秀的制造中心，利用高新技术从事与半导体有关的软件开发和高级集成电路研发和设计，以及在中国出售半导体产品。封装形式：MAP

BGA81

TAB

SO1C28

PDIP飞思卡尔在许多领域居市场领先地位：汽车半导体产品市场位居第一通信处理器市场位居第一整个微控制器市场位居第二数字信号处理器市场位居第二无线手机射频微处理器市场位居第四飞思卡尔设计、研发(R&D)、生产和销售机构遍及全球30多个国家。拥有七个全资晶片制造厂、两个组装测试厂，在法国Crolles建有30