电子封装原理与技术-ch1

电子封装原理与技术陈李CL2009@成绩构成平时20%考试80%参考书目《微电子封装技术》，电子封装技术丛书编委会，中国科技大学出版社，2002《电子封装工程》，田民波，清华大学出版社，2003《高级电子封装》，RichardK.Ulrich等著，李虹等译，机械工业出版社，2010主要内容1.1可编程逻辑电路技术及其发展1.2EDA技术的主要内容1.3可编程逻辑电路开发流程1.4硬件描述语言1.5EDA软件系统1.6数字系统的设计方法1.7习题第1章绪论1.1概述

电子封装的地位：电子封装是IT产业的重要环节！！！1.1概述半导体芯片生产过程：1.1概述半导体芯片生产过程：封装的作用：芯片电气连接，需要引脚；物理支撑、保护芯片，需要外壳底座；防止芯片污染，外壳密封等；1.1概述封装的定义利用薄膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其它构成要素在框架和基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体结构的工艺。1.1概述微电子封装技术的演变1947年美国贝尔实验室发明第一只晶体管，开创微电子封装的历史。20世纪50年代以三根引线的TO（TransistorOutline）型金属-玻璃封装外壳为主，后来发展为各类陶瓷、塑料封装外壳。1958年第一块集成电路诞生，大大推动多引脚封装技术的发展（以TO型为主）。

1.1概述肖克莱,巴丁,布拉顿第一只晶体管微电子封装技术的演变（续）20世纪60年代中期，IC由SSI（SmallScaleIntegration）发展为MSI（MediumScaleIntegration），相应引脚数目的增加，TO型不再适应封装要求

双列直插式引脚封装（DIP），中小规模的主导形式。20世纪70年代是大规模IC时期（LSI）集成度增加，但尺寸相应增大。20世纪80年代，电子封装的革命——表面安装技术（SurfaceMountTechnology，SMT）迅猛发展。1.1概述微电子封装技术的演变（续）

相应的表面安装元器件（SuifaceMountComponent/Device,SMC/SMD）迅猛发展：无引脚陶瓷片式载体（LeadlessCeramicchipCarrier,LCCC）、塑料有引脚片式载体（PlasticLeadedChipCarrier,PLCC）四边引脚扁平封装（QuadFlatPackage,QFP）等逐渐标准化、批量生产。塑料四边引脚扁平封装（PlasticQuadFlatPackage，PQFP）称为20世纪80年代电子封装的主导产品，引脚208~240个。中、小规模方面采用飞利浦公司开发出的小外形封装（SmallOutlinePackage，SOP），DIP的SMT变形。1.1概述微电子封装技术的演变(续)20世纪80—90年代IC超大规模（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）阶段，引脚数百至上千个，四边引脚的QFP尽管引脚距离一再缩小，仍难以满足需求。引脚由周边型发展成为面阵型，如针栅阵列（PinGridArray,PGA）封装。针栅阵列在更大规模时体积大、重量大、工艺复杂、成本高，不能表面安装，90年代开发出新型焊球阵列封装（BallGridArray，BGA）。1.1概述微电子封装技术的演变（续）芯片小而封装大的矛盾：如40引脚的DIP，封装：芯片=85：1；0.5mm间距，208引脚QFP，封装：芯片=7.8：1。

美国、日本继开发出BGA之后，又开发出芯片尺寸封装（ChipSizePackage,CSP），解决芯片小而封装大的问题(1.2:1)，足以引发再次革命。为充分发挥芯片自身功能和信能，将多个未经封装的芯片安装在多层布线基板上，再将所有芯片互连后整体封装起来，即多芯片组件（MultiChipModule，MCM）。1.1概述微电子封装技术的演变（续）在2D封装技术基础上，又发展了三维电子封装技术，密度更高、功能更强、性能更好、可靠性更低；未来将向系统级封装（SystemOnaPackage，SOP或SystemInaPackage，SIP）发展。1.1概述微电子封装技术的演变（续）20世纪50~60年代是TO型封装的时代；70年代是DIP的时代；80年代是QFP的时代；而90年代则是BGA和MCM的时代。1.1概述微电子封装进展1.1概述1.2微电子封装技术微电子封装的发展首先是IC的发展,影响封装的主要因素：IC尺寸、I/O引脚数、电源电压和工作频率等，一代芯片必有与之相适应的一代电子封装。特征尺寸1.2微电子封装技术1.2微电子封装技术IC发展预测1.2微电子封装技术微电子封装分级

三级微电子封装：一级封装，单芯片组件（SCM）和多芯片组件（MCM）二级封装，将一级封装和其它元件一同组装到印刷电路板（PWB）（或其它基板）三级封装即二级封装插装到母板。1.2微电子封装技术微电子封装分级（续）硅圆片和芯片虽然不作为一个封装层次，但却是微电子封装的出发点和核心。各级封装之间须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装焊区连接起来才能形成功能。因此也有将这种芯片互连级称为芯片的零级封装。1.2微电子封装技术微电子封装发展特点：(1)向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向面阵列发展

DIP、SOP只能满足100个以下I/O引脚的封装，FQFP满足376个I/0引脚的封装，陶瓷焊柱阵列（GeramicColumnGridArray，CCGA）可达1089个引脚，陶瓷BGA（CBGA）625个引脚，塑封BGA（PBGA）可达2600引脚。(2)向表面安装式封装（SMP）发展，来适合表面安装技术（SMT）DIP1990占70%，1997占25%，2000占10%SMP1990占12%，1997占73%，2002占89%1.2微电子封装技术微电子封装发展特点：(3)从陶瓷封装向塑料封装发展(4)从注重IC发展芯片向先发展封装，再发展芯片转移由于封装对芯片的制约，芯片制造投资大、发展慢，而封装却投资小、见效快，因此投资多。1.2微电子封装技术微电子封装发展趋势：

I/O引脚数更多 更高的电性能和热性能 更轻、更薄、更小 便于安装、使用和返修 高可靠性 成本更低、物美价廉1.2微电子封装技术微电子封装技术的重要性

IC封装可对IC芯片加以保护、易于进行测试，易于传送、易于返修，引脚标准化易于装配，还可以改善芯片的热失配等。封装不但直接影响IC本身的电、热、光、机械性能，影响其可靠性和成本，还很大程度上决定电子整机系统的小型化、可靠性和成本。封装与IC设计、IC制造、IC测试并列为IC产业四大支柱。1.2微电子封装技术我国微电子封装技术的现状及对策现状：（1）“七五”、“八五”、“九五”科技攻关研发新结构，合资封装企业异军突起，蓬勃发展。（2）与国际相比设备陈旧、工艺技术老土、管理模式落后。（3）我国IC求大于供，2001年需求244块，产量只有63.6亿块。（4）封装技术没有独立发展，长期处于芯片生产的附属位置。1.2微电子封装技术我国微电子封装技术的现状及对策对策：（1）提高认识、转变观念，加大投入封装业的独立发展（2）组织起来，统筹规划，分工协作，共同发展。（3）面向国际市场竞争，立足满足国内的需求。（4）利用世贸条件，积极开展国际合作，主动迎接国际上先进的电子封装厂家前来合资办厂。1.2微电子封装技术芯片互连级（零级封装）（1）芯片粘接：IC芯片固定安装在基板上。

Au-Si合金共熔法：370℃Au与Si共熔，比例69：31时得到，在氮气保护下烧结或超声熔焊法逐个熔焊。1.2微电子封装技术分级芯片互连级（零级封装）（1）芯片粘接：IC芯片固定安装在基板上。Pb-Sn合金片焊接法：芯片背面用Au或Ni层；基板导体除Au、Pd-Ag外，可以是Cu；在保护气氛中烧结，烧结温度视Pb-Sn合金片的成分而定，使Pb-Sn合金片熔化后实现各金属间的焊接。导电胶粘接法（含银、导热导电性好的环氧树脂）：不要求芯片背面和基板具有金属化层，芯片粘接后，采用导电胶固化要求的温度和时间进行固化，可在干净的烘箱中完成固化，操作简便。1.2微电子封装技术分级芯片互连级（零级封装）（1）芯片粘接：IC芯片固定安装在基板上。有机树脂基粘接法：前述方法适合于晶体管或小尺寸IC，对大尺寸IC只要求芯片与基板粘接牢固即可，低应力的有机树脂基可以很好的完成这项任务。

1.2微电子封装技术分级芯片互连级（零级封装）（2）芯片互连技术主要有引线键合（WireBonding，WB）、载带自动焊（TapeAutomatedBonding，TAB）和倒装焊（FlipChipBonding，FCB）以及埋置芯片互连技术（后布线技术）。WB技术最成熟的互联技术，分为热压焊、超声焊和热压超声焊（金丝球焊），特点灵活方便，焊点强度高可满足70微米以上尺寸和艰巨的焊接需要。Au丝，Si-Au丝。1.2微电子封装技术分级芯片互连级（零级封装）（2）芯片互连技术

TAB技术TAB是连接芯片焊区和基板焊区的“桥梁”，包括芯片焊区凸点形成，载带引线制作，载带引线与芯片凸点焊接，载带-芯片互连焊后的基板粘接和最后的载带引线与基板焊区的外引线焊接几个部分。

TAB有单层带、双层带、三层带和双金属带几种，综合性能比WB优越。1.2微电子封装技术分级芯片互连级（零级封装）（2）芯片互连技术

FCB技术芯片面朝下、将芯片焊区和基板焊区直接互连的技术。因为互连焊接的引脚超度既是凸点的高度，所以互联线最短，芯片的安装面积比其他方法面积小。无论凸点多少，均一次完成，省工省时。比WB、TAB综合性能都高，发展迅速。1.2微电子封装技术分级一级微电子封装技术

一级封装是将一个或多个IC芯片用于适宜的材料（金属、陶瓷、塑料或他们的组合）封装起来，同时，在芯片的焊区与封装的外引脚间用上述三种芯片互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组合。1.2微电子封装技术分级二级微电子封装技术二级封装实际上是组装，是将上一级各种微电子封装产品、各种类型的元器件及板上芯片（COB）一同安装到PWB或其他基板上。除特别要求外，这一级一般不再单独加以封装。包括通孔安装技术（THT）、表面安装技术（SMT）和芯片直接安装（DCA）技术三部分。1.2微电子封装技术分级三级微电子封装技术

三级封装密度更高，功能更全，组装技术更加庞大复杂，是由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的。这是一种立体组装技术。1.2微电子封装技术分级三级微电子封装技术三维（3D）封装技术以上所述均为xy平面内实现的二维（2D）封装，由于电子整机和系统在航空、航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高，在MCM的基础上，对于有限的面积，电子组装必然在二维组装的基础上向z方向发展，这就是所谓的三维（3D）封装技术。1.2微电子封装技术分级三级微电子封装技术

3D封装三种实现方法：埋置型：即将元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。电容、电阻随多层布线埋置与多层基板中，而IC芯片一般要紧贴基板。有源基板化，形成有源基板，再实施多层布线，顶层仍安装各种其他IC芯片或其他元器件，实现3D封装。叠层法：将两个或多个裸芯片或封装芯片在垂直方向上互连成为简单的3D封装。更多的是将各个已单面或双面组装的MCM叠装在一起，再进行上下多层互连，从而实现3D封装。1.2微电子封装技术分级1.3微电子封装的功能1.电源分配微电子封装首先要能接通电源，其次要封装的部位电源分配恰当来减少损耗（多层布线基板尤为重要）。2.信号分配为减小信号延迟，在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O引出的路径达到最短。对高频还要考虑串扰，合理分配布线。3.散热通道各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。对大功耗封装，考虑附加热沉、强风制冷、水冷方式等来保证其正常工作。4.机械支撑微电子封装可为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并适应各种工作环境和条件的变化。1.3微电子封装的功能5.环境保护半导体芯片制造出来后，在没有封装前，始终处于周围环境的威胁中。在使用中，有的环境极为恶劣，必须将芯片严加密封盒包封。因此，微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。1.3微电子封装的功能1.4微电子封装技术发展的驱动力1.IC发展对微电子封装的推动（摩尔定律）集成度决定着IC的规模，而特征尺寸标志着工艺水平的高低。自20世纪70年代来，IC特征尺寸几乎每4年缩小一半。RAM,DRAM,MPU的集成度每年分别递增50%和35%，每3年就推出新一代DRAM，IC集成度的提高，相应I/O数随之提高