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芯片封装与装配技术芯片封装与装配技术封装是IC芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。在微电子器件的总体成本中，设计、芯片制造以及封装测试各占了三分之一。最初的封装其目的是保护芯片免受周遭环境的影响。所以，在最初的微电子封装中，是用金属作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。通常，封装主要有以下五大功能：功率分配（电源分配）、信号分配、散热通道、环境保护及机械支撑。1 封装工艺IC封装步骤因产品而异，但其基本流程是不会有大的变化的。下面为大家简单介绍IC的基本封装流程。1Laminater（贴膜）用辊轴采取适当力度在wafer的正面（线路面）贴上一层保护膜（通常为蓝色的UV tape）以防止wafer在grinding时受到污染或磨损电路。图1为待贴膜的wafer。图1 待贴膜的wafer2Backlap/Grinding（背面打磨）对wafer进行打磨，把wafer的厚度磨至需求厚度，通常达到wafer厚度为230m、320m、80m，而电路本身基本为10m的程度。图2为BACKLAP示意图。图2 背面打磨示意图3Tape remove（去膜）给UV tape照射适当的紫外光以消除粘性，再利用remove tape将其揭开。4Tape mount（贴膜）为了防止在切割时wafer发生分裂影响后续工艺，用胶膜（Tape）和钢圈（Ring）把wafer固定起来。图3左边为Tape，右边为Ring。 图3 Tape和Ring5Sawing/Dicing（切割）沿wafer上的street（切割线），用金刚石切刀（blade）切至wafer厚度的95%，使其分裂成独立的die。将金刚石切刀装在高速旋转的spindle上，靠机械力量将wafer划开。图4 金刚石切刀图4为切割用的切刀，图5为wafer和已经切割的芯片。图5 wafer和已经切割的芯片6Inspection（检测）用高倍显微镜检查出不良的die，目的是减少后续工序的次品。7Die attach（芯片粘贴）利用粘合剂（epoxy或solder）把die和lead frame（引线框架）粘贴在一起，以保证两者之间电气、机械的可靠连接。在die attach前须对切割好的wafer进行紫外光照射，目的是减小胶膜的粘性，以方便将die从胶膜上取走。图6左边为DA的第一步，从sawing好的wafer取走die，右边为第二步，将DA粘贴在lead frame上。图6 芯片粘贴8Oven cure（烘赔）采用高频加热方式，对粘贴上die的lead frame在oven中进行分段加热，使epoxy固化。9Wire bonding（WB，金线键合）用高纯度的金线或铝线把die上的pad和lead frame上的lead连接起来，使die同外部电路导通。在WB之前会先用等离子气体冲击die和lead frame表面，除去杂质。图7为正在进行WB的示意图。图8向我们展示了WB完成后的结果。图7 WB的示意图图8 WB完成后的结果10Inspection（检测）用低倍显微镜检查出不良的W/B产品。11Molding（压模）为了防止周遭环境（热辐射、机械冲击、化学腐蚀等）对die的影响，用EMC（epoxy molding compound，热固性树脂）将W/B后的产品封装起来，完成后的产品即可称为package。EMC在常温下也会缓慢固化，且水分会影响EMC的成型质量，所以一般EMC需保存在低温（通常处于5摄氏度以下）干燥的环境中。图9为mold机台，图10为mold的结果。图9 压模机台图10完成压模的芯片12Mold cure（烘赔）加热以加速EMC的固化速度。13Plating（电镀）为了保护lead不受环境影响，在其表面镀上一层保护膜。14Marking/Laser（印字）在molding产品的正面用激光打印上代表产品名称、生产日期、商标、生产地之类的字样。其目的是防止不同产品的混乱、根据流水码在市场中查找不良品等。15Trim（引脚切割）和 Form（引脚成型）trim 就是将dambar、epodxy切除。图11是一台trim机台，图12是trim完成后的半成品。图11trim机台图12完成引脚切割的芯片form就是将引脚弯曲成型并使各个package独立化。图13向我们展示了引脚成型的五个详细步骤。图13引脚成型示意图16Inspection（检验）通过外观检测，去除不良品。以上的流程适用于插装型产品及引脚型的表面贴装产品，而对于BGA（引脚为球型）类产品由于它们不需要Trim、Form，所以会有所不同。图14所示为一个简单的BGA产品其主要的流程。图14BGA封装流程从流程示意图上我们可以看出其中不存在trim、form的步骤，而变成了solder ball attach、sorter的步骤，这是因为BGA类产品的引脚改成了球形触点，不需要进行切割、弯曲成型之类的工序。随着技术的发展，不同类型的封装随即出现，那么老的工艺也要做出相应的改变。比如对于FBGA来说，因为它采用的是倒装焊技术，所以是不需要进行W/B的。2 芯片互连芯片互连也称为引线键合工艺，其目的是使芯片与外部的封装框架间电气导通，以确保信号传递的畅通，这样才能发挥芯片既有的功能。目前业界常见的互连技术有WB、TAB及FC。我们重点介绍WB和FC。一Wire bonding（WB，金线键合）1WB工艺流程W/B是将芯片上的焊点（pad）与lead frame或基板上的焊区用金属导线连接起来的技术。只有在die上通过保护层暴露出的金属接触孔才能进行bonding；这些区域称为contact或者pad。首先我们来了解WB的工艺步骤，如图15所示。图15金线键合流程图我们在图中看到的十个步骤描述了WB过程中劈刀以及金线的十个不同动作，在图16中我们可以很清晰地看到十个步骤的示意图。图16金线键合示意图图17WB完成后的结果图17为WB完成后的一个剖面图，我们可以看到连接die上面的pad与lead frame上的lead的金属成型以后的形状。2WB的焊接方式焊接方式主要有热压焊、超声焊、金丝球焊三种。热压焊是利用加热、加压的方式使接触区的金属发生形变，同时破坏其上的氧化层，使金属丝和接触区的金属面之间产生原子间的吸引作用，达到互连的目的。热压焊由于加热温度高，会使焊接区域形成氧化层，且若焊接时间稍长则容易损坏芯片、形成金属间化合物（俗称“紫斑”、“白斑”）使焊区接触电阻增大，从而影响器件的可靠性和寿命。目前，这种焊接方式已很少使用，图18是它的原理示意图。 图18 热压焊示意图 超声焊是利用超声波发生器产生的能量，经过换能器引起劈刀作机械振动，在劈刀上同时施加一定压力。在机械振动和压力共同作用下，由于铝丝和金属铝层间的相互摩擦，破坏了两者表面原有的极薄氧化层。在施加压力的作用下实现了两个纯净金属面间的紧密接触，达到键合的目的。超声焊与热压焊相比焊接的可靠性有所提高。因其不需要加热，所以不会引起芯片的损害，也不会产生金属间化合物，器件的可靠性和寿命都比较高。而且可调节超声能量来时应不同粗细的金属丝，图19是它的原理图。图19超声焊示意图金丝球焊是具有代表性的焊接技术。底座加热到300以上，金丝穿过陶瓷或红宝石劈刀中毛细管，用氢气火焰将金丝端头烧成球后再用劈刀将金丝球压在金属电极上实现键合。此种焊法实际上是一种热压超声焊，由于有超声的配合，焊接过程中加热的温度比普通热压焊低得多。是目前最常采用的焊接方式，图20是它的原理图。图20在表1中对三种焊接方式的其他内容作了相应的比较。焊接方式压力（牛顿）温度超声能量线热压焊（T/C）0.51.5 N/点300-500C不需要Au超声焊(U/ S)0.1 N/点以上25C需要Au、Al金丝球焊( T/S)0.070.09 N/点100C需要Au3引线材料金属导线的选择会影响到焊接质量、器件可靠性等方面。理想的材料应达到下面的要求：可与半导体材料间形成良好的欧姆接触；化学性能稳定；与半导体材料间有很强的结合力；导电性能良好；容易焊接；在键合过程中可保持一定的形状。Au、Al是键合时选择的两种材料。Au的化学稳定性、抗拉性、延展性好，容易加工成丝，因此成为热压焊、金丝球焊的首选材料。但因金与铝之间容易形成金属间化合物，所以在使用Au丝时要避免金铝系统。在多层结构电极中，导电层大多采用金，所以可使用金丝。纯度为99.99%的金线是最常见的材料，为了增加它的机械强度，通常会向其中添加少量的铍或铜。Al线具有良好的导电性，与半导体间也可形成和好的欧姆接触，成本也低，但因其材质太软不易拉丝和键合，一般不采用纯铝丝。标准的铝丝为加入1%硅的硅铝丝、加入0.51%镁的镁铝丝。但其机械强度远比金差，且表面易氧化。是超声波键合最常见的理想材料。 目前业界也在积极开发其它新材料，以便可取代成本高的金线和强度低的铝线。银也可作为键合材料，但因为金属间化合物和易腐蚀的问题，目前还处于实验室阶段。焊点的形状也因材料、焊接方式的不同而分为球形和楔形两种。Ball bond （球形） Wedge/Crescend bond（楔形）图21表2中列出了两种焊点的适用范围及焊接情况。方式工具线尺寸（线径的倍数）最高速度球形T/C,T/SCapillaryAu 2.5- 410条线/秒楔形T/S,U/S Wedge Au、Al 1.1- 25条线/秒楔形在键合时，将底座加热至300C左右，劈刀加热至150C左右，对准位置，劈刀加2550g的压力即可完成键合。其优点是对劈刀形状、尺寸无要求，缺点是机械强度小，键合时动作分开，生产效率低。球形在键合时，将底座加热至300C左右，对准位置，劈刀加50g左右的压力即可完成键合。其优点是操作方便、焊接牢固、生产效率也较高，目前广泛应用于中小功率的集成电路焊接中。早期打线键合的质量不够理想，技术熟练程度也差强人意。时至今日，随着材料、工艺技术发展，机台设备的更新，打线键合的技术已相当成熟。虽然出现了不少新的键合技术，但由于它工艺方面的优势仍然是最广泛使用的技术。二倒装焊1倒装焊概况倒装焊（FC，Flip Chip）是芯片与基板直接安装互连的一种方法。WB互连法是芯片面朝上互连，而FC则是芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连，如图22所示。图22倒装芯片起源于可控塌陷芯片互连技术。该技术首先采用铜，然后在芯片与基板之间制作高铅焊球。铜或高铅焊球与基板之间的连接通过易熔焊料来实现。FC不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，在PGA，BGA和CSP中都得到了广泛的应用。由于FC的互连线非常短，而且IO引出端分布于整个芯片表面，同时FC也适合使用SMT的技术手段来进行批量化的生产，因此FC将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。2焊锡凸点然而，由于倒装芯片工艺的固有特点使采用倒装芯片工艺制作的封装并非是全密封的，且还要使用刚性焊锡凸点。许多早期的C4设计都与芯片(热膨胀系数，即CTE约为23-28ppm)一起组装在陶瓷基板(CTE为7ppm)上。这种设计通常需要底部填料以确保芯片与基板的可靠连接。底部填充的主要作用是弥补芯片与基板之间在功率及热循环期间出现的热膨胀系数失配，而不起隔离潮湿的作用。CTE失配有可能造成芯片与基板以不同的速度膨胀和收缩，最终会导致芯片的断裂。图23焊锡凸点的制作是FC的关键步骤。焊料凸点不仅起到了IC和电路板机械互连的作用，同时为两者提供了电和热的通道。在一个典型的FC器件中，芯片上的凸点由UBM（多层金属薄膜）和焊料球两部分组成。UBM是焊盘和焊球之间的金属过渡层，位于圆片钝化层的上部。作为焊料球的基底，UBM与圆片上的金属化层有着非常好的粘附特性，与焊料球之间也有着良好的润湿特性。UBM在焊料球与IC金属焊盘之间作为焊料的扩散层，同时UBM作为氧化阻挡层还起着保护芯片的作用。焊锡凸点的制备方法有多种，目前常用的有蒸发法和电镀法。当使用蒸发法制备时，先用掩膜板或光刻工艺在圆片上形成UBM阻挡层，随后在其上蒸发Sn-Pb合金焊料球，通过回流焊工艺形成球形的焊料球。该工艺比较适合铅含量比较高的焊料球的制备，配合使用陶瓷基板则适合高温条件下的使用。当使用有机基板时，则要求使用共晶焊料。目前，低成本的凸点制备工艺，如电镀法、模板印刷法己得到了广泛的应用。其它合金焊料，包括高铅焊料、无铅焊料、低辐射焊料也同样得到了广泛的应用。 当使用电镀法制备焊锡凸点时，UBM通常溅射到整个晶圆的表面，随后涂覆光刻胶，并通过后续的光刻在芯片焊盘处形成开口。通过电镀法在开口处形成焊料，剥去光刻胶，通过腐蚀去除暴露在外的UBM，并通过回流焊形成焊球。凸点高度的一致性对组装后的成品率有着很大的影响。可利用破坏性凸点剪切强度试验来控制制备凸点工艺，大量试验表明，破坏多发生在焊料球处，而在UBM和芯片焊盘处则很少出现破坏。3FC的填充技术对FC可靠性影响最大的问题是芯片和基座之间CTE匹配度太低，产生应力导致焊点出现裂缝。目前常用的解决办法是在二者之间填充流动的环氧树脂（见图24）来减小应力，这种方法可将应力减小10倍以上。图24倒装芯片的最终结果是一个封装，但它本身是一种工艺而并非封装。可以采用不同的方法改变工艺以满足不同的应用要求。最基本的步骤包括：制作芯片封装凸点、切片、将芯片倒装在基板或载体上、芯片与基板再流焊、在芯片与基板之间进行底部填充、老化、制作BGA焊球、将最终的封装组装到另一块印制电路板上。当前仅有少数芯片是利用FC技术组装，但随着微电子及电子封装技术的快速发展，特别是与SMT工艺相互结合后，FC终将会得到为迅速的发展并最终成为一种成熟的工艺技术。4卷带自动结合（TAB）卷带自动结合技术是先将裸体芯片以镀金或镀锡铅的突块反扣结合在卷带脚架的内脚上，经自动测试后，再以卷带架的外脚结合在电路板的焊垫上，这种以卷带式脚架为中间载体，而将裸体芯片直接组装在 PCB上的技术，称为“TAB技术”。TAB技术的流程如图25所示图253 封装材料 芯片封装制程需要使用的材料很多，我们着重介绍其中比较重要的mold材料、lead frame材料。一mold材料mold材料的主要功能是将键合好的芯片加以封装，避免外界环境对其造成影响。mold材料有塑料、陶瓷、金属三大类，现今业界常用的是固态环氧树脂材料。1金属封装是最早期采用的封装形式。其优点是坚固耐用、导热性好、扛机械损伤能力强。重要的是，金属具有电磁屏蔽功能，可以防止外界电磁波的干扰。因此，金属封装器件在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。金属封装采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃金属封接技术的一种电子封装形式。金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些部件(如混合集成的AD或DA转换器)融合为一体，适合于低IO数的单芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足小批量、高可靠性的要求。此外，为解决封装的散热问题，各类封装也大多使用金属作为热沉和散热片。传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、钢以及CuW和CuMo。除了CuW及CuMo以外，传统金属封装材料都是单一金属或合金，它们都有某些不足，难以应对现代封装的发展。材料工作者在这些材料基础上研究和开发了很多种金属基复合材料(MMC)，它们是以金属(如Mg、Al、Cu、Ti)或金属间化合物(如TiAl、NiAl)为基体，以颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的一种复合材料。图26金属封装器件目前的金属封装型器件的型号是以TO开头的，图26是一个TO5型的三极管。但由于金属价格昂贵，可塑性差，不能满足多引线小型化封装的要求且工艺难度高。所以，除了一些小的晶体管外在民用器件方面用之甚少。2陶瓷封装陶瓷材料具有良好的热导性和绝缘性能。因为陶瓷材料致密性高，对水分子有很好的阻隔能力，所以成为气密性封装的主要材料。但因其脆性较高，易受到应力的破坏；工艺温度也很高，且成本较高，故仅用于那些对可靠性要求特别高的芯片，使用范围很窄。陶瓷封装的基本流程如图27所示，金属封装的流程和陶瓷封装的流程相似，只是在粘接外壳时粘接的是金属外壳，其它除了工艺参数不同以外都是一样的。图27陶瓷封装基本流程图陶瓷材料是一种多晶、陶瓷氧化物混合物，玻璃态物质存在于晶粒间隙区域，具有提高材料致密性的作用。封装对陶瓷材料的基本要求是致密性好、介电强度高、热阻小、与金属外引线及芯片的CTE匹配、电阻率高。表3列出了几种常用的陶瓷封装材料的相关特性，供大家作为参考。材料热导率CTE介电强度室温电阻率主要杂质99.6%377.125.6Mg98%BeO2509.09.5Si99.5%AlN1404.410CaSiC2703.70.7Be陶瓷外壳是根据期间要求的封装形式，将陶瓷浆料压模成型，经过高温烧结而成的。为了方便DA和焊接，对其外壳还作了局部金属化处理，金属材料的选择对陶瓷外壳质量的影响很大。图28陶瓷封装的芯片陶瓷封装的类型很多，总的来说有双列直插结构和扁平结构两种。如图28所示，左边为CQFP，右边为陶瓷封装的DIP。其它的还有CPGA（陶瓷封装的PGA）、CBGA（陶瓷封装的BGA）等。3塑料封装用一些树脂或特殊塑料来封装芯片的方法就是塑料封装。塑料封装的散热性、气密性都较陶瓷封装和金属封装差一些，但它价格低、重量轻、工艺简单、可满足小型化封装，且适合自动化量产，所以已成为现今封装技术的主流。塑料封装的基本流程如图29所示图29塑料封装基本流程图塑料封装的材料必须具有以下特征：具有良好的绝缘性；温度适应能力强；吸水性和渗水性很低；抗辐射能力强；CTE很小；良好的化学稳定性；和基板材料之间粘附性良好；致密性好；成本低。用于塑封器件的材料有有机硅和树脂两大类，目前业界是以热固性环氧树脂类为主的。热固性环氧树脂，粘接性极好、电学性质优良、机械强度好、成型后收缩性小、耐化学腐蚀性好、有一定的抗辐射抗潮湿能力，承受温度可高达150。但与硅酮树脂相比，其高频性能和抗湿性都稍差一些。有机硅酮树脂介电性能良好、化学性能稳定，尤其在高温、潮湿的恶劣环境下，电性能非常稳定，可以长期工作在200250的高温条件下，短期可承受300400的高温，唯一的缺点是和其它的材料之间粘附性较差。热固性环氧树脂在成分上是以环氧树脂为主要材料，环氧树脂（淡黄色的透明液体）虽为主体材料，但仅占到EMC总量的25%30%，为了满足整体的性能需求，还需再加入填充剂、硬化剂、加速剂、耐燃剂等多种添加剂。无机填充剂常常选用二氧化硅（直径在50100m之间的颗粒状物质），其作用是强化封装基底、降低CTE、提高散热能力和抗热应力的能力，无机填充剂一般占总量的65%75%左右；耦合基常常选用硅甲烷环氧树脂或氨基硅甲烷，其作用是增加无机填充剂和树脂材料间的粘结性；加速剂和硬化剂为含有胺基、酚基、酸基、酸酐基或硫醇基的高分子树脂，它们的作用是加速mold过程中树脂材料的交联反应，改善EMC粘滞和流变特性；阻燃剂以前通常选用溴化环氧树脂或氧化锑，但由于同其它原料混在一起后具有相当高的化学性质，再加上环保的因素，目前，含氮、磷类及金属氢氧化物的绿色环氧塑封材料、无阻燃剂型绿色环氧塑封料已经走入市场，并且已经逐步主导市场领域了，阻燃剂的作用就是切断燃烧连锁反应过程中的某一个环节，阻止燃烧连锁反应的发生。 现今，业界正在推行无铅化，采用无铅焊工艺将使EMC耐焊温度达到250- 280，这对环氧塑封料的可靠性提出更高的要求。回流焊温度的提高引起的气压的升高（在260回流焊温度下产生的气压比在240条件下所产生的要高出1.4倍），有可能引起的缺陷：环氧塑封料与模具/框架或基底之间的分层；由于压力过高引起的环氧塑封料或硅片的开裂。因此，必须进行配方的调整，以满足半导体封装成型工艺的要求。 图30 塑封器件由于材料本身以及封装工艺方面的优势，其应用非常广泛，从一般性的消费产品到高精密的高科产品随处可见。其产品类型也是相当丰富，如PDIP、PLCC（图28右）、PQFP、PBGA（图30左）等。二lead frame材料 虽然有很多方法对IC封装进行分类，但是IC封装主要可以通过其基本结构的不同进行分类和定义。根据这一标准，IC封装的两个主要类别是引线框架式封装和基板式封装。还可以将后者进一步细分为有机层压基板材料和陶瓷基板材料。现在还出现了一种封装类型，它着眼于在圆片上进行封装，被称作为圆片级封装（WLP）。众多新型封装技术的出现并没有影响引线框架产品在IC封装中的主导地位。 目前来讲，引线框架封装技术已经相当成熟，而且应用范围也是非常广泛，主要用于引线键合互连（WB）的芯片，如DIP、PGA、QFP等这些常见的封装类型都需要用到LEAD FRAME。如图31所示，是一个用于DIP封装的LEAD FRAME。图31引线框架 引线框架是芯片散热、导电的途径，芯片业靠其来机械支撑，所以在封装中需求量很大。理想的引线框架应具有高热传导性、高导电性、足够的机械强于良好的成型性、易焊接、抗腐蚀、耐热等特性。 引线框架的材料主要有镍铁合金（又称Alloy42）和铜合金两大类。表4对Alloy42和铜合金的特性作了一个比较，表5对它们的优缺点以及应用领域作了比较。表4 不同材料的引脚框架特性比较材料CTEppm/热导率W/m电导率%ICAS强度GPaAlloy42 (Fe58-Ni42)4.315.8930.64铜合金16.517.715038030920.340.62表5 优缺点比较材料Alloy42 (Fe58-Ni42)铜合金应用DRAM /SRAM / FlashMain DRAM：sTSOP / TSOP DDP优点工艺简单、不易变形良好的电、热传导性缺点热传导率低、电导率低容易氧化、可塑性差、易变形Alloy42与硅和氧化铝的热膨胀系数相当匹配，又有良好的强度和韧性，再加之无需镀镍便可电镀的优势，广泛应用于封装中。对于铜合金，因为它的CTE与EMC的CTE非常接近而成为塑封器件的常选LEAD FRAME材料。4 封装类型芯片的封装类型已经历了插针式、表贴式、阵列式、多芯片式等好几代的变迁。从DIP、QFP、PGA、BGA到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率变高，耐温性能变强，引脚数增多、间距减小，重量减小，可靠性提高等等。一插针式插针式的按外形结构来分，有TO、SIP 、DIP和PGA 等。这些封装不断缩小，又形成多种小外形封装。几种插针式元件外形如图32所示。图32插针式元件外形1TO型封装（晶体管外形封装）使用最早、应用最广泛的是TO型的金属封装晶体管，现在也有塑料封装的TO型器件。后来随着引脚的增多，这种结构也应用在IC芯片上，但由于金属不满足小型化的需求，所以现在TO型的一般只用在晶体管上。TO型的内部结构如图33所示：图33晶体管外形封装2SIP与DIP型封装SIP（单列直插封装）通常用于薄膜混合集成电路，其外形结构如图32所示。SIP工艺简单，很适于多品种、小批量的混合集成电路及PWB基板，还便于逐个更换和返修。市面上常见的是PSIP（塑封SIP）。DIP（双列直插封装）是上个世纪六十年代的具有代表性封装类型，在表贴元件出现之前是MSI、SSI的主导封装，至今仍用于很多常见的SSI。其外形结构如图32所示。引脚个数可从464个，如DIP12，就表示该集成电路为双列直插式封装，有12个引脚，引脚间距有2.54mm和1.78mm两种。DIP有CDIP（陶瓷DIP）、PDIP（塑料DIP）、SDIP（窄间距DIP）等。CDIP结构非常简单，有底座、盖板、引线框架三部分。底座和盖板都是用将氧化铝粉末、润滑剂、粘结剂的混合物压制而成的黑色陶瓷制作的。CDIP有良好的机械、电性能，可靠性高，引脚间距一般为2.54mm，体积较大。PDIP具有生产效率高，工艺简单，成本低等特点。但其气密性较差，屏蔽能力弱，所以不能长期工作在潮湿的环境下。但对于民用环境，在一定时期内是可以保证其可靠性的。用于制造PDIP的环氧树脂材料要具备以下特性：CTE与其它材料相匹配；在-65150的环境下能正常工作；有良好的物理、化学性能；良好的绝缘性；能快速固化；辐射性杂质的含量要低。而EMC在这些方面都较有优势，所以已成为国际通用的塑封材料。3PGA封装 PGA（针栅阵列封装）是在DIP、SIP的基础上为了解决高I/O引脚数和降低封装面积而设计的，其外形结构如图32所示。PGA的引脚是以2.54mm的间距在封装底面上成阵列分布（见图34），所以其I/O数可高达上百个到成千个。PGA是气密性封装，所以可靠性高。但其制作工艺复杂、成本高，故仅适用于对可靠性要求非常高的军用产品。PGA的引脚排列为后来的BGA以及QFP提供了很大的帮助。图34 PGA的引脚分布二、表贴式表贴式元件又叫做表面安装元器件（SMC）、表面安装封装件（SMP）。由于直插式元件是无法在PWB板上进行表面安装的，所以要对其进行改良。如SOP、SOJ都是DIP的变形。上个世纪80年代，表贴元件就已经广泛应用在各个领域了。图35是几种比较常见的表贴元件。图35 常见表贴元件1SOT封装SOT原是用来代替混合集成电路的芝麻管，安装在混合集成电路陶瓷基板上。随着SMT技术的发展，更多的SOT已经用于PWB安装上了。表5对几种常见的SOT作了比较。表5 几种常见的SOT SOT23SOT89SOT143外形外形尺寸（mm）功耗150300mW0.32W150300mW应用领域二极管小功率晶体管场效应晶体管带电阻网络的复合晶体管 硅功率表面安装晶体管场效应晶体管高频晶体管此外，还有一些同这三种相近的封装，不再赘述。2SOP型封装SOP是将DIP的引脚弯曲成90度所得，其外形尺寸、重量都比DIP小得多。引脚弯曲的方向不同有不同的SOP，向外弯曲成鸥翼型（即L型）的称为SOP，向内弯曲成J型的称为SOJ。相对SOJ，SOP较容易安装，但占用面积也大。在各类表贴元件中，SOP、SOJ的数量最大，主要用于MSI、SSI封装，I/O引脚数较少的LSI也会采用SOP类封装。图36是SOP的结构，图37是SOJ的结构。图36 SOP结构图37 SOJ结构SOP有普通SOP、TSOP（薄型SOP）、SSOP（窄间距SOP）、VSOP（甚小型SOP）等。表6给出了几种SOP类封装的尺寸参数。表6 几种SOP类封装的尺寸参数引脚间距（mm）引脚个数外形尺寸（mm）SOP1.276426.05*5.7227.64*15.24SSOP1.0，0.8，0.65，0.510725.0*5.7229.0*15.24TSOP0.65，0.5，0.4，0.316766.0*7.6228.57*18.4SOJ1.2716407.6*8.93PLCC封装PLCC（塑料有引脚片式载体）是上个世纪70年代针对LSI开发的封装类型，四边引脚呈J性，向封装体下弯曲，所以安装密度高。引脚是用Cu合金做成的，导电、热性能都很好，且引脚具有一定的弹性，这样可缓冲焊接时由于引脚和PWB板的CTE不一致所产生的应力。图38是PLCC的结构图。图38 PLCC的结构外形上，PLCC有矩形和方形两种。矩形的引脚数有18、28、32等，方形的引脚数有20、28、44、52、68、84、100、124等，引脚间距为1.27mm。图39为引脚排列图，将标记置于上方，若每边有奇数个引脚，则上方中间一个为1号引脚，若有偶数个引脚，则中间靠左的为1号引脚。从1号引脚开始逆时针引脚号逐个递增。图39 PLCC引脚排列图4LCCC型封装LCCC（陶瓷无引脚片式载体）是没有引脚的，在陶瓷封装体的四周有城堡式的镀Au凹槽，可直接焊到PWB板的插座上，结构如图35所示。因其是陶瓷气密性封装，寄生电感和寄生电容小，适于高频、高速的LSI芯片，且有良好的电性能、热性能、耐腐蚀性，可以可靠的工作在恶劣的环境下，所以常用于军事和高科领域。LCCC的引脚间距有1.27mm、1.0mm、0.65mm、0.635mm、0.5mm等。LCCC有矩形和方形两种。矩形的引脚数有18、22、28、32、42，方形的引脚数有16、20、24、32、44、52、64、84、88、100、124、156、196、240、256等。在使用LCCC时，若直接将器件焊接在电路板上，如果封装与电路板之间的热膨胀系数不匹配，就会引起焊点开裂。在其上加上引脚，就可以防止开裂。于是有了有引线陶瓷芯片载体，引线是附加在城堡中的。但由于其工艺复杂、制造成本高、不适合大量生产，所以使用很少5QFP封装上个世纪80年为了满足LSI、VLSI高I/O引脚数以及SMT高密度、高性能、多功能、高可靠性的需求，开发了QFP（四边引脚扁平封装）。90年代，QFP已成为LSI和低引脚数VLSI的首选封装类型。QFP的特点为：多引线、细间距，引脚有鸥翼形（见图35）、J形（又叫QFJ，外形如图40所示）。图40 QFJ外形图QFP有很多种，下面我们简单说明一下。PQFP（塑封QFP），使用最广泛、价格最低的QFP，占QFP总量的90%以上。引脚间距通常为1.0mm、0.8mm和0.65mm。CQFP（陶瓷QFP），价格较高的气密性QFP，多用于军事装备和航天设备的尖端高科产品中。引脚间距通常为1.27mm、1.0mm、0.8mm和0.635mm。TQFP（薄型QFP），适用于薄型的电子产品，最小封装厚度可达1.4mm或更薄。早期的手机、笔记本电脑、数码相机等都用到TQFP。引脚间距通常为0.5mm、0.4mm和0.3mm。FQFP（窄间距QFP），引脚间距为0.5mm、0.4mm和0.3mm。翼形引脚QFP的引脚比较纤细，在包装、运输、测试等过程中容易损坏或破坏共面性。BQFP（带缓冲垫的QFP），其特点是四角有突出的缓冲垫，它比引脚长约0.05mm，保护了引脚免受损坏。三BGABGA（Ball Grid Array），即球栅阵列，它是在基板的下面按阵列方式引出球型引脚。图41是一个简单BGA的结构。图41 BGA的结构随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“Crosstalk”现象，而且当IC的管脚数大于208 Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片皆转而使用BGA封装技术。 在封装的发展史上，还没有一种封装形式能像BGA这样引人注目的。它的研究始于60年代，而实用是在1989年以后。Motorola公司开发了塑料封装后，才促进了BGA的发展和应用，并于1991年开始了塑料BGA(PBGA)，用于无线电收发报机、微机、ROM和SRAM中，1993年PBGA投放市场，开始进入实用阶段,1995年开始广泛采用。现在不仅在美国，而且在欧洲、日本和亚洲等地区和国家出现了许多PBGA的封装组装厂，批量生产PBGA，主要在便携通信产品、远程通信设备、计算机系统和工作站中广泛采用。目前市场上出现的BGA按基板材料不同，主要分为塑料焊球阵列封装(Plastic BGA)，陶瓷焊球阵列封装(Ceramic BGA)，金属球栅阵列封装（Metal BGA），载带焊球阵列封装(Tape BGA)，带散热器焊球阵列封装(EBGA)，金属焊球阵列封装(Metal BGA)，还有倒装芯片焊球阵列封装(Flip Chip BGA)，小间距焊球阵列封装(Fine Pitch BGA)，小型球栅阵列封装（Tiny BGA），微型球栅阵列封装（Micro BGA）等。 接下来，我们介绍几种比较常见的BGA。1PBGA (塑料球栅阵列封装)PBGA中的焊球是做在PWB基板上的，在DA和WB后进行MOLD。PWB一般为2-4层有机材料构成的多层板。PBGA封装用的焊球材料是共晶或准共晶Pb-Sn合金。图42是PBGA的封装结构。图42 PBGA的封装结构PBGA的优点是：与环氧树脂电路板的CTE很匹配；对焊球的共面性要求较低；成本较低；良好的电性能；焊球有自对准功能；可用于MCM封装。缺点是塑料的气密性较差，所以PBGA 对湿气比较敏感。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。2CBGA (陶瓷球栅阵列封装)CBGA采用了倒装芯片工艺，用高熔点的10%Sn-90%Pb焊料制作芯片上的焊球，用低熔点的共晶焊料63%Sn-37%Pb制作封装体的焊球。图43是CBGA的结构。图43 CBGA的结构CBGA的优点是：可靠性高；电性能好；共面性好；气密性高；封装密度高；和MCM工艺相容；返修性好。缺点是：与环氧树脂电路板的CTE相差较大，热匹配性差，热疲劳寿命短；封装成本高。Intel系列CPU中，Pentium I、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。3TBGA (载带球栅阵列封装)TBGA是TAB的延伸，利用TAB来实现芯片的连接。图44是TBGA的结构图。图44 TBGA的结构图TBGA的优点是：与环氧树脂电路板的CTE比较匹配；是最薄的BGA；成本较低。缺点是：对湿气敏感；耐热性差。4FCBGA (倒装芯片球栅阵列封装)FCBGA通过FC实现芯片与BGA衬底的连接，有望成为发展最快的一种BGA封装。图45是FCBGA的结构图。图45 FCBGA的结构图FCBGA的优点是：导热、电率高；可靠性高；封装密度高；可返修性强；成本低。另外还有一种EBGA，它采用倒装技术，在芯片背面连有散热器，所以EBGA的散热性非常好，同时其消耗功率也较大。与PBGA相比除了散热性好以外其它性能相似。四CSPCSP(Chip Scale/Size Package)，是芯片级封装的意思。CSP封装新一代芯片封装技术。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通BGA的1/3，仅仅相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。CSP封装内存不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有 0.2毫米，大大提高了内存芯片在长时间运行后的可靠性，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度提高。CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%-20%。在CSP的封装方式中，内存颗粒是通过一个个锡球焊接在PCB板上，由于焊点和PCB板的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为35/W，而TSOP热阻40/W。 目前，CSP产品已有100多种，封装类型也多，主要有如下五种。1柔性基片CSP 柔性基片CSP的IC载体基片是用柔性材料制成的，主要是塑料薄膜。在薄膜上制作有多层金属布线。采用TAB键合的CSP，使用周边焊盘芯片。此种CSP结构简单、可靠性高、安装方便。2硬质基片CSP硬质基片CSP的IC载体基片是用多层布线陶瓷或多层布线层压树脂板制成的。硬质基片CSP的厚度只有0.50.6mm（其中芯片厚度0.3mm，基板厚0.2mm），仅为TSOP厚度的一半3引线框架CSP 引线框架CSP（LOC型CSP），使用类似