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1、 微电子封装技术综述论文 摘要：我国正处在微电子工业蓬勃发展的时代，对微电子系统封装材料及封装技术的研究也方兴未艾。本文主要介绍了微电子封装技术的发展过程和趋势，同时介绍了不同种类的封装技术，也做了对微电子封装技术发展前景的展望和构想。 关键字：微电子封装 封装技术 发展趋势 展望 一 封装技术的发展过程 近四十年中，封装技术日新月异，先后经历了3次重大技术发展。 IC封装的引线和安装类型有很多种，按封装安装到电路板上的方式可分为通孔插入式TH和表面安装式SM，或按引线在封装上的具体排列分为成列四边引出或面阵排列。微电子封装的发展历程可分为3个阶段：第1阶段，上世纪70年代以插装型封装为主。7
2、0年代末期发展起来的双列直插封装技术DIP，可应用于模塑料，模压陶瓷和层压陶瓷封装技术中，可以用于IO数从864的器件。这类封装所使用的印刷线路板PWB成本很高，与DIP相比，面阵列封装，如针栅阵列PGA，可以增加TH类封装的引线数，同时显著减小PWB的面积。PGA系列可以应用于层压的塑料和陶瓷两类技术，其引线可超过1000。值得注意的是DIP和PGA等TH封装由于引线节距的限制无法实现高密度封装。第2阶段，上世纪80年代早期引入了表面安装焊接技术，SM封装，比较成熟的类型有模塑封装的小外形，SO和PLCC型封装，模压陶瓷中的CERQUAD层压陶瓷中的无引线式载体LLCC和有引线片式载体LDC
3、C，PLCC，CERQUAD，LLCC和LDCC都是四周排列类封装。其引线排列在封装的所有四边，由于保持所有引线共面性难度的限制PLCC的最大等效引脚数为124。为满足更多引出端数和更高密度的需求，出现了一种新的封装系列，即封装四边都带翼型引线的四边引线扁平封装QFP与DIP，相比QFP的封装尺寸大大减小且QFP具有操作方便，可靠性高，适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，封装外形尺寸小，寄生参数减小适合高频应用。Intel公司的CPU，如Intel80386就采用的PQFP。 第3阶段，上世纪90年代，随着集成技术的进步，设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI，VLSI，ULSI相继出
4、现，对集成电路封装要求更加严格，IO引脚数急剧增加，功耗也随之增大。因此，集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展，出现了球栅阵列封装BGA，并很快成为主流产品。90年代后期，新的封装形式不断涌现并获得应用，相继又开发出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装CSP。与时，多芯片组件MCM发展迅速，MCM是将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线基板上，经过整体封装而构成的具有多芯片的电子组件。封装技术的发展越来越趋向于小型化，低功耗，高密度，典型的主流技术就是BGA技术和CSP技术。BGA技术有很多种形式如陶瓷封装BGA，CBGA塑料封装，BGAPBGA以及MicroBGA。BGA
5、与PQFP相比，BGA引线短，因此热噪声和热阻抗很小，散热好。耦合的电噪声小，同时BGA封装面积更小，引脚数量更多，且BGA封装更适于大规模组装生产，组装生产合格率大大提高。随着对高IO引出端数和高性能封装需求的增长，工业上已经转向用BGA球栅阵列封装代替QFP。 随着封装技术的发展及进步，我国科研院所从事电子封装技术研究是与电子元器件的研制同时起步的，随着电子元器件技术的发展，电子封装技术同步发展。特别是集成电路技术的发展，促进了电子封装技术日新月异的变化。目前，全国从事封装技术研究的科研院所有33家，其中信息产业部系统16家，其他系统17家。从事封装研究的从业人员1890余人，其中技术人员
6、900余人，主要从事：陶瓷外壳封装、塑料外壳封装、金属外壳封装、金属-陶瓷外壳封装以及外壳研制、封装设备研制、封装材料研制、测试技术研究、封装技术培训及咨询服务。封装形式从DIP、SOP、OFP、LCC到BGA、CSP、FC、WLP等，引脚数从8发展到目前的391，标志着封装技术达到了新的水平。二 封装技术概述 微电芯片封装在满足器件的电、热、光机械性能的基础上，主要应实现芯片与外电路和互联，并对器件和系统的小型化、高可靠性、高性价比也起到关键作用。封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其他器件连接，封装形式是指安装半导体集成电路芯片和外壳。它不仅起着安装、固定、密封、
7、保护芯片及增强电热性能等方面作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路连接。因为芯片必须与外界隔离，以防空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成的电气性能的下降，另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与它连接的PCB和设计和制造，因此它是至关重要的。衡量一个芯片封装技术先进与否和重要指标是芯片面积与封装面积比，这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素：1、 芯片面积与封装面积比为提高封装效率，尽量接近1：1；2、 引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，
8、以保证互不干扰，提高性能；3、 基于散热要求，封装越薄越好。封装主要分为DIP双列直插和SDM贴片封装两种从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJ、TSSOP、SOT、SSOP、TSOP、VSOP、SOIC等。从材质方面方面，包括金属、陶瓷、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。三 封装的作用 集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是尖顶又是基座。说它同时处于这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件（如晶体管）的密度这个脚度上来说，IC代表了电子学的尖端。但是IC又是
9、一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样，IC不仅仅是单片芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装的需求和要求也各不相同。 虽然IC的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大，但是IC封装的作用和功能却差别不大封装的目的也相当的一致。作为“芯片的保护者”，封装起到了好几个作用，归纳起来主要有两个根本的功能：1）保护芯片，免其受物理损伤；2）重新分布，获得更易于在装配中处理的引脚节距。封装还有其他一些次要的作用，比如提供一种更易于标准化的结构，为芯片提供散热通路，使芯片避免产生粒子造成的软错误，以及提供一种更
10、方便于测试和老化试验的结构。封装还能用于多个IC的互连。可以使用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。或者也可用封装提供的互连通路，如混合封装技术、多芯片组件（MCM）、系统级封装（SiP）以及更广泛的系统体积小型化和互连(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互连通路，来间接地进行互连。四 封装技术种类自二十世纪几十年代以来迅速发展的新型微电子封装技术，包括寒秋阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、原片级封装（WLP）、三位封装（3D）和系统封装（SIP）等项技术。1焊球阵列封装(BGA)阵列封装(BGA)是世界上九十年代初发展起来的一种新型封装。 这种BGA的突出的优点：电性能
11、更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感;封装密度更高;由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。例如边长为31mm的BGA，当焊球节距为1mm时有900只引脚，相比之下，边长为32mm，引脚节距为0.5mm的QFP只有208只引脚;BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠;由于焊料熔化时的表面张力具有自对准效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率;BGA引脚牢固，转运方便;焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA得到爆炸性
12、的发展。BGA因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装(PBGA)，陶瓷焊球阵列封装(CBGA)，载带焊球阵列封装(TBGA)，带散热器焊球阵列封装(EBGA)，金属焊球阵列封装(MBGA)，还有倒装芯片焊球阵列封装(FCBGA。PQFP可应用于表面安装，这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距达到0.5mm时，它的组装技术的复杂性将会增加。所以PQFP一般用于较低引线数(208条)和较小的封装休尺寸(28mm见方)。因此，在引线数大于200条以上和封装体尺寸超过28mm见方的应用中，BGA封装取代PQFP是必然的。在以上几类BGA封装中，FCBGA最有希望成为发展最快的BGA封装，我们不妨以它为
13、例，叙述BGA的工艺技术和材料。FCBGA除了具有BGA的所有优点以外，还具有：热性能优良，芯片背面可安装散热器;可靠性高，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲劳寿命大大增强;可返修性强。 FCBGA所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术、倒装芯片焊接技术、多层印制板制作技术(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充技术、焊球附接技术、散热板附接技术等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料：Au、PbSn和AuSn等;凸点下金属化材料：Al/Niv/Cu、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料：PbSn焊料、无铅焊料;多层基板材料：高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基
14、板(LTCC)、BT树脂基板;底部填充材料：液态树脂;导热胶：硅树脂;散热板：铜。目前，国际上FCBGA的典型系列示于表1。 2 芯片尺寸封装(CSP)芯片尺寸封装(CSP)和BGA是同一时代的产物，是整机小型化、便携化的结果。美国JEDEC给CSP的定义是：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%的封装称为CSP。由于许多CSP采用BGA的形式，所以最近两年封装界权威人士认为，焊球节距大于等于lmm的为BGA，小于lmm的为CSP。由于CSP具有更突出的优点：近似芯片尺寸的超小型封装;保护裸芯片;电、热性优良;封装密度高;便于测试和老化;便于焊接、安装和修整更换。因此，九十年代中期
15、得到大跨度的发展，每年增长一倍左右。由于CSP正在处于蓬勃发展阶段，因此，它的种类有限多。如刚性基板CSP、柔性基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片级CSP(WLCSP)等。CSP的引脚节距一般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列。一般地CSP，都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的，而WLCSP则不同，它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP) 。因此，除了CSP的共同优点外，它还具有独特的优点：封装加工效率高，可以多个圆片同时加工;具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小;与前工序相比，只是增加了引脚重新布线(RDL)和凸点制作两个工序，其余全部是传统工艺;减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型IC封装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高。图4示出了WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流程。 WLCSP所涉及的关键技术除了前工序所必须的金属淀积技术、光刻技术、蚀刻技术等以外，还包括重新布线
