第7章现代微电子封装技术介绍课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,7,章 现代微电子封装技术,7.1,概,述,7.2,微电子封装的作用,7.3,现代微电子封装技术的分类,7.4,插装元器件封装技术,7.5,表面组装元器件封装技术,7.6,球栅阵列封装技术,（,BGA,）,7.7,芯片尺寸封装技术（,CSP,）,7.8,其它现代微电子封装技术,7.9,微电子封装技术的现状,第7章 现代微电子封装技术7.1 概 述,7.1,现代微电子封装技术概述,7.1.1,现代微电子封装基本概念,在现代微电子器件制作过程中，有前道工序和后道工序之分，二者以硅圆片切分成芯片为界，在此之前为前道工序，之后为后道工序。,电子封装,（,packaging,）通常是在后道工序中完成的，其定义为：利用膜技术和微连接技术，将微电子器件及其它构成要素在框架或基板上布置、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，构成整体立体结构的工艺,。,7.1 现代微电子封装技术概述7.1.1 现代微电子封装基本,1958,年发明的第一块集成电路，含有,2,个晶体管和,1,个电阻，掀开了微电子封装的历史篇章。,1958年发明的第一块集成电路，含有2个晶体管和1个电阻，掀,7.1.2,现代微电子封装技术的发展历程,近,50,年来，封装技术日新月异，先后经历了,4,次重大发展：,20,世纪,70,年代，为适应中、大规模,集成电路,的迅速发展，发展了双列直插式引线封装技术,(DIP),；,20,世纪,80,年代，随着,SMC/SMD,的批量生产，发展了表面组装技术,(SMT),；,20,世纪,90,年代，随着超大规模集成电路的发展，发展了球栅阵列为代表的封装技术,(BGA),；,进入,21,世纪，随着多芯片组件,(MCM),的开发应用，产生了以系统封装,(SIP),为代表的最新一代封装形式，把半导体封装技术引人一个全新的时代。,7.1.2 现代微电子封装技术的发展历程 近50年来，,微电子封装技术的发展趋势,微电子封装技术的发展趋势,表,7-l,半导体微电子封装技术的进展,七十年代,八十年代,九十年代,2000,年,2005,年,芯片连接,WB,(,丝焊,),WB,WB,FC,(,倒装焊,),FC,装配方式,DIP,SMT,BGA,-,SMT,BGA,-,SMT,BGA-SMT,无源元件,C-,分立,C-,分立,C-,分立,C-,分立组合,集成,基板,有机,有机,有机,DCA,基板,SLIM,封装层次,3,3,3,l,l,元件类型数,5-10,5-10,5-10,5-10,1,硅效率,(,芯片占基板,),面积比,2,7,10,25,75,表7-l 半导体微电子封装技术的进展七十年代八十年代九十,7.2,现代微电子封装的作用,7.2.1,微电子封装技术的重要性,封装的,IC,有诸多好处，如可对脆弱敏感的,IC,芯片加以保护，易于进行测试，易于传送，易于返工及返修，引脚便于实行标准化进而适于装配，还可改善,IC,的热失配，等。,随着整机和系统的小型化、高性能、高密度和高可靠性要求，电子封装对系统的影响已变得和芯片一样重要。封装成本在器件总成本中所占的比重也越来越高，并有继续发展的趋势。,7.2 现代微电子封装的作用7.2.1微电子封装技术的重要性,7.2.2,封装的功能,微电子封装通常有,5,种功能：,电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和保护作用。,（,1,）电源分配,电子封装首先要能接通电源，使芯片与电路流通电流。其次，电子封装的不同部位所需的电源有所不同，要能将不同部位的电源分配恰当以减少电源的不必要损耗，这在多层布线基板上更为重要。同时还要考虑接地线分配问题。,7.2.2 封装的功能,（,2,）信号分配,为使电信号延迟尽可能减小，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，对于高频信号还应考虑信号间的串扰以进行合理的信号分配布线。,（,3,）散热通道,各种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问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的电子封装还应考虑附加热沉或使用强制风冷、水冷方式，以达到在使用温度要求的范围内系统能正常工作。,（2）信号分配,(4),机械支撑,电子封装可为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，还能在各种工作环境和条件变化时与之相匹配。,(5),保护作用,半导体芯片制造出来，在没有将其封装之前，始终都处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件极为恶劣，更需要对芯片严加保护。完成电子封装以后，提供了对芯片的保护，这对芯片来说显得尤为重要。,(4)机械支撑,7.3,现代微电子封装技术的分类,7.3.1,封装分级,7.3 现代微电子封装技术的分类7.3.1 封装分级,7.3.2,封装分类,按安装到,PCB,上的方式分为通孔插装和表面组装两大类型,7.3.2 封装分类,7.4,插装元器件的封装技术,7.4.1,概述,插装元器件按外形结构分类，有圆柱形外壳封装,(TO),、矩形单列直插式引线封装,(SIP),、双列直插式引线封装,(DIP),和阵列网格引脚封装,(PGA),等。这些封装的外形不断缩小，又形成各种小外形封装。,插装元器件按材料分类，有金属封装、陶瓷封装和塑料封装等。,各类插装元器件封装的引脚中心距多为,2.54mm,，,DIP,已形成,4,64,个引脚的系列化产品。,PGA,能适应,LSI,芯片封装的要求，,I/O,数列达数百个。,7.4 插装元器件的封装技术7.4.1概述,7.4.2 SIP,和,DIP,的封装技术,单列直插式封装（,SIP,），其引脚数为,2,23,个，引脚从一个侧面引出，排列成一条直线。其中锯齿型单列直插式封装,(ZIP),的管脚排列成锯齿型，可提高管脚密度。,双列直插式封装（,DIP,），其引脚数一般不超过,100,个，引脚从一个侧面引出，并排列成两条直线。,SIP,、,DIP,引脚需要插入,PCB,的通孔内进行钎焊，其钎焊方法见第,3,章。当装配到,PCB,上时呈侧立状，故其所占的空间相对较大。,7.4.2 SIP和DIP的封装技术,DIP,封装的,8086,处理器,DIP,封装的主板,BIOS,芯片,DIP封装的8086处理器DIP封装的主板BIOS芯片,7.4.3 PGA,的封装技术,阵列网格引脚封装（,PGA,），在其底面的垂直引脚呈阵列状排列，既可采用通孔插装，也可采用表面贴装。,通孔插装型,PGA,引脚长,3,4mm,，表面贴装型,PGA,引脚长,1.5,2mm,。,PGA,基板多数是陶瓷，少数为环氧树脂或塑料基板。通常，引脚中心距为,2.54mm,，引脚数,64,447,。,还有一种引脚中心距为,1.27mm,的短引脚表面贴装型,PGA,，采用碰焊方法进行封装。,PGA,的特点：,（,1,）插拔操作更方便，可靠性高；,（,2,）可适应更高的频率。,7.4.3 PGA的封装技术,图,7-6 PGA,封装示意图,图7-6 PGA封装示意图,7.5,表面组装元器件的封装技术,7.5.1,概述,表面组装元器件,(SMC,或,SMD),是,SMT,的基础。,20,世纪,50,60,年代，出现了厚、薄膜混合集成电路（,HIC,）的安装。对于一个复杂电子线路，难以制作大面积的平整陶瓷基板，往往采用多块,HIC,的陶瓷基板安装片式电阻、电感及晶体管、,IC,芯片，再拼装成大块的基板，这就使,HIC,的体积、重量、成本、可靠性及生产效率受到很大限制。,20,世纪,60,年代，荷兰菲利普公司研制出纽扣状,IC,，其引脚分布在封装体的两边并呈海鸥翼状，引脚中心距为,1.27mm,时可达,28,32,只引脚,，他们,采用表面安装方式生产电子表。这种封装结构后来发展成为小外形封装,IC(SOP),。,7.5 表面组装元器件的封装技术7.5.1概述,7.5.2,主要,SMD,的封装技术,1,、,SOP/SOIC,封装,SOP,即小外形封装，以后逐渐派生出,SOJ,（,J,型引脚小外形封装）、,TSOP,（薄小外形封装）、,VSOP,（甚小外形封装）、,SSOP,（缩小型,SOP,）、,TSSOP,（薄的缩小型,SOP,）及,SOT,（小外形晶体管）、,SOIC,（小外形集成电路）等。,7.5.2主要SMD的封装技术,2.,芯片载体封装,芯片载体,(chip carrier),或,quad,的封装，四边都有管脚，对高引脚数器件来说是较好的选择。如,LCC(lead chip carrier),，,LLCC(leadless chip carrier),用于区分管脚类型。,PLCC(plastic leaded chip carrier),是最常见的塑料四边封装。,2.芯片载体封装,3.,四侧引脚扁平封装,四侧引脚扁平封装（,QFP,），或称为四方扁平封装，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼状或,J,型等。该技术实现的,CPU,芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在,100,以上。,3.四侧引脚扁平封装,QFP,封装具有以下特点：,（,1,）封装,CPU,时操作方便，可靠性高；,（,2,）封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；,（,3,）适合用,SMT,表面组装技术在,PCB,上安装布线,QFP封装具有以下特点：,7.6,球栅阵列封装技术,(BGA),7.6.1,BGA,的基本概念、特点和封装类型,BGA,封装方式是在管壳底面或上表面焊有许多球状凸点，通过这些焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种先进封装技术。,7.6 球栅阵列封装技术(BGA)7.6.1BGA的基,BGA,封装具有以下特点：,（,1,）,I/O,数较多；,（,2,）提高贴装成品率，降低成本；,（,3,）,BGA,阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热；,（,4,）,BGA,阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，,减小引线电感、电阻，改善了电路的性能；,（,5,）明显地改善了,I/O,端的共面性，极大地减小了组装过程,中因共面性差而引起的损耗,；,（,6,）,BGA,适用于,MCM,封装，能够实现,MCM,的高密度、高,性能；,（,7,）,BGA,和,BGA,都比细节距的脚形封装的,IC,牢固可靠。,BGA封装具有以下特点：,BGA,封装技术又可分为,5,大类：,（,1,）,PBGA,（,plastic BGA,）基板：一般为,2,4,层有机材 料构成的多层板（,Intel,系列,CPU,中，,Pentium II,，,III,，,IV,处理器均采用这种封装形式）,（,2,）,CBGA,（,ceramic BGA,）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（,Flip Chip,，简称,FC,）的安装方式（,Intel,系列,CPU,中，,Pentium II,，,III,，,IV,处理器均采用这种封装形式）；,（,3,）,FCBGA,（,flip chip BGA,）基板：硬质多层基板；,（,4,）,TBGA,（,tape BGA,）基板：基板为带状软质的,1-2,层,PCB,电路板；,（,5,）,CDPBGA,（,carity down PBGA,）基板：指封装中央有方形低陷的芯片区（又称空腔区）。,BGA封装技术又可分为5大类：,7.6.2,BGA,的封装技术,BGA,主要结构分为三部分：主体基板、芯片和,封装,7.6.2BGA的封装技术BGA主要结构分为三部分：主体,7.7,芯片尺寸封装技术（,CSP,）,芯片尺寸封装技术,CSP(chip size package),，它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。封装后的,IC,尺寸边长不大于芯片的,1.2,倍，,IC,面积只比晶粒尺寸不超过,1.4,倍。,CSP,封装具有以下特点：,（,1,）组装面积小，约为相同引脚数,QFP,的,1/4,；,（,2,）高度小，可达,1mm,；,（,3,）易于贴装，球中心距为,0.8mm,和,1mm,时，贴装公差,0.3mm,；,（,4,）电性能好、阻抗低、干扰小、噪声低、屏蔽效果好；,（,5,）高导热性。,7.7 芯片尺寸封装技术（CSP）芯片尺寸封装技术C,图,7-14 CSP,与,QFP,、,BGA,的外形比较,图7-14 CSP 与QFP、BGA的外形比较,CSP,封装可分为四类：,（,1,）,Lead Frame Type(,传统导线架形式,),，引线框架式,CSP,是由日本的,Fujitsu,公司研制开发的一种芯片上引线的封装形式,因此也被称之为,LOC(Lead On Chip),形,CSP,。通常情况下分为,Tape-LOC,型和,MF-LOC,型,(Multi-frame-LOC),两种形式,其基本结构如图,7-14,所示。,CSP封装可分为四类：,（,2,）刚性基板封装（,Rigid Substrate Interposer,）由日本,Toshiba,公司开发的这类,CSP,封装,实际上是一种陶瓷基板薄型封装。它主要由芯片、氧化铝基板、铜（,Au,）凸点和树脂构成。通过倒装焊、树脂填充和打印,3,个步骤完成。它的封装效率（芯片与基板面积之比）可达到,75,，是相同尺寸的,TQFP,的,2.5,倍。,（,3,）柔性基板封装（,Flex Circuit Interposer,）由美国,Tessera,公司开发的这类,CSP,封装的基本结构如图,2,所示。主要由,IC,芯片、载带（柔性体）、粘接层、凸点（铜,/,镍）等构成。载带是用聚酰亚胺和铜箔组成。它的主要特点是结构简单，可靠性高，安装方便，可利用原有的,TAB,（,Tape Automated Bonding,）设备焊接。,（2）刚性基板封装（Rigid Substrate Inte,（,4,）圆片级,CSP,封装（,Wafer-Level Package,）由,ChipScale,公司开发的此类封装。它是在圆片前道工序完成后，直接对圆片利用半导体工艺进行后续组件封装，利用划片槽构造周边互连，再切割分离成单个器件。,WLP,主要包括两项关键技术即再分布技术和凸焊点制作技术。它有以下特点：相当于裸片大小的小型组件（在最后工序切割分片）；以圆片为单位的加工成本（圆片成本率同步成本）；加工精度高（由于圆片的平坦性、精度的稳定性）。,（4）圆片级CSP封装（Wafer-Level Packag,7.8,其它现代微电子封装技术,7.8.1,多芯片封装技术,为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用,SMD,技术组成多种多样 的电子模块系统，从而出现,MCM(multi chip model,，多芯片模块系统,),，它是电路组件功能实现系统级的基础。,7.8 其它现代微电子封装技术7.8.1多芯片封装技术,MCM,具有以下特点：,（,1,）封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化；,（,2,）缩小整机,/,模块的封装尺寸和重量；,（,3,）系统可靠性大大提高。,MCM具有以下特点：,7.8.2,圆片级封装技术（,Wafer Level Chip Size Package Technology,）,圆片级封装技术是以圆片为加工对象，直接在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，其封装的全过程都在圆片生产厂内运用芯片的制造设备完成，使芯片的封装、老化、测试完全融合在圆片生产流程之中。封装好的圆片经切割所得到的单个,IC,芯片，可直接贴装到基板或印制电路板上。,7.8.2圆片级封装技术（Wafer Level Ch,圆片级,封装,成本低。,第一，它是以批量生产工艺进行制造的；,第二，圆片级,封装,生产设施的费用低，因为它充分利用了圆片的制造设备，无须投资另建,封装,生产线；,第三，圆片级,封装,的芯片设计和,封装,设计可以统一考虑、同时进行，这将提高设计效率，减少设计费用；,第四，圆片级,封装,从芯片制造、,封装,到产品发往用户的整个过程中，中间环节大大减少，周期缩短很多，这必将导致成本的降低。,此外，应注意圆片级,封装,的成本与每个圆片上的芯片数量密切相关。圆片上的芯片数越多，圆片级,封装,的成本也越低。,圆片级封装成本低。,第7章现代微电子封装技术介绍课件,CSP,封装适用于脚数少的,IC,，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电、数字电视、电子书、无线 网络、,ADSL,手机芯片、蓝牙（,Bluetooth,）等新兴产品中。,CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品,圆片级,封装,主要采用薄膜再分布技术、凸点技术等两大基础技术。前者用来把沿芯片周边分布的铝焊区转换为在芯片表面上按平面阵列形式分布的凸点焊区。后者用于在凸点焊区上制作凸点，形成焊球阵列。,1.,薄膜再分布技术,薄膜再分布技术是指在,IC,圆片上，将各个芯片按周边分布的,I/O,铝焊区，通过薄膜工艺的再布线，变换成整个芯片上的阵列分布焊区并形成焊料凸点的技术。,圆片级封装主要采用薄膜再分布技术、凸点技术等,薄膜再分布技术的具体工艺过程比较复杂，而且随着,IC,芯片的不同而有所变化，但一般都包含以下几个基本的工艺步骤：,在,IC,圆片上涂复金属布线层间介质材料；,沉积金属薄膜并用光刻方法制备金属导线和所连接的凸点焊区。,IC,芯片周边分布、小至几十微米的铝焊区就转成阵列分布的几百微米大的凸点焊区，且铝焊区和凸点焊区之间有金属导线相连接；,在凸点焊区沉积,UBM(,凸点下金属层,),；,在,UBM,上制作焊料凸点。,薄膜再分布技术的具体工艺过程比较复杂，而且随,2.,凸点技术,焊料凸点通常为球形，制备凸点的方法有三种：,应用预制焊球,丝网印刷,电化学沉积,(,电镀,),2.凸点技术,电镀焊料凸点工艺流程：,Starting Point,；,Step1:Evaporation of Cr+Cu UBM(or Ti/W+Cu or Ti+Cu),蒸发,Cr+Cu UBM,Step2:Patterning of thick photoresist,涂光刻胶,Step3:Electro plating of cu bump 80-100um photoresist 4-6um cu,电镀铜凸点，,80-100um,光刻胶,4-6um,铜,Step4:Electroplating of solder bump(Pb/Su or lead-free),电镀焊料凸点,Step5:Removal of photoresist,去除光刻胶,Step6:,湿化学法 刻蚀,UBM,层,Step7:Reflow of solder bump,焊料凸点回流,电镀焊料凸点工艺流程：Starting Point；,第7章现代微电子封装技术介绍课件,7.9,现代微电子封装技术的现状及发展,7.9.1 IC,、整机、市场对封装技术的推动作用,（,1,）,IC,发展对电子封装的推动,众所周知，反映,IC,的发展水平，通常都是以,IC,的集成度及相应的特征尺寸为依据的。集成度决定着,IC,的规模，而特征尺寸则标志着工艺水平的高低。自七十年代以来，,IC,的特征尺寸，几乎每,4,年缩小一半。,(2),电子整机发展对电子封装的驱动,电子整机的轻、薄、小型化和便携化，高性能、多功能化、高频高速化，使用方便、便宜且可靠性高等要求，促使微电子封装器件由插装型向表面贴装型发展并继续向薄型、超薄型、微细间距发展。,7.9 现代微电子封装技术的现状及发展7.9.1 IC、,（,3,）市场对电子封装的驱动,由于电子产品更新换代快，市场变化大，新的电子封装产品要尽快投放市场，不但要交货及时还要质量好、品种多、花样新、价格低、服务好等。归结起来就是性能价格比要高。近,30,年来，电子封装业从,DIPSOP,、,QFPBGA,、,MCM,是电子封装的必然发展之路，而塑封的低成本、广泛的封装适应性及适于大规模自动化生产，再加上低应力、低杂质含量、高粘附强度模塑料的出现等，使其比金属、陶瓷封装具有更高的性能价格比。所以塑封占整个电子封装的比例高达,90,以上就不足为奇了。,（3）市场对电子封装的驱动,表,7-2,与,IC,安装有关技术的发展趋势,年 份,1985,1990,1995,2000,安装形式,单面,SMT,TIH,和,SMT,混装,双面,SMT,SMC,、,SMD,双面,SMT,、裸片及,SMD,混装,3D,IC,封装形式,SOP,、,QFP,TAB,、,FC,MCML,MCMC,MCMD,I/O,数,50,、,100,300,、,500,1000,、,5000,MPU,工作频率,(MHz),25,50,100,200,有机基板,单面,PCB,、双面,PCB,多层,PCB,6,-,8,层,PCB,埋置,C,、,R,、,IC,陶瓷基板,陶瓷、,Ag,Pd,导体,陶瓷,(A1,2,O,3,),、,Cu,导体,SiC,、,AlN,埋置,C,、,R,、,IC,模块,表7-2 与IC安装有关技术的发展趋势年 份1985199,7.9.2,现代微电子封装技术发展的特点,向高密度及高,I,O,引脚数发展，引脚由四边引出向面阵排列引脚发展；,向表面安装式封装,(SMP),发展，以适合表面安装技术,(SMT),；,从陶瓷封装向塑料封装发展；,从注重发展,IC,芯片向先发展后道封装再发展芯片转移。,7.9.2 现代微电子封装技术发展的特点,7.9.3,现代微电子封装发展趋势,具有的,I/O,数将更多；,应具有更高的电性能和热性能；,将更轻、更薄、更小；,将更便于安装、使用、返修；,可靠性会更高；,性能价格比会更高、成本却更低、达到物美价廉。,7.9.3 现代微电子封装发展趋势,第7章现代微电子封装技术介绍课件,