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1、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 电话 ：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,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
2、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（Integrate Circuit）：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
3、一个名称。 集成电路封装（IC Packaging, 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。,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,Figure 1.6,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
4、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,Figure 20.3,2.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、材料、机械、电气与自动化等多门学科； 整合了产品的电气特性
5、、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
6、架上。焊线，（Wire Bond）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,Figure 20.1,微芯片封装例子,Figure 1.8,二、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,
7、插入式,SIP ZIP DIP SK-DIP PGA,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,SVP SOP TSOP SSOP SOI QFP LQFP TQFP QFI 针状 PGA 球状 BGA,表面贴装式：SMT（Surface Mount Technology),典型的集成电路封装形式,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256MB DDR 400内存,引脚形态分类（2）,TO52,LCC,PLCC,SO
8、J,J形引线小外形封装,封装形式（术语）小结：,双列直插式封装-DIP(dual in-line package) 单列直插式封装-SIP(single in-line package) 薄小外型封装-TSOP(Thin small Outline package) 四边引脚扁平封装-QFP(quad flat package) 带引线的塑料芯片载体PLCC(plastic leaded chip carrier) 无引脚芯片载体-LCC(Leadless chip carrier) 插针阵列-PGA(pin grid array) 球栅阵列BGA（Ball Grid Array) 芯片尺寸封
9、装CSP（或称BGA）,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； 缺点： 与塑料封装相比，其工艺温度较高、成本较高；,两者都可
10、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
11、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,Photo courtesy of Lucent Technologies Bell Labs Innovations,Photo 1.3,Jack Kilbys 第一块集成电路,Photo courtesy of Texas Instruments, Inc.,Photo 1.4,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
12、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
13、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,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DIP,DIP(Dual Inline Package)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
14、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=33/15.2450=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2828mm，芯片尺寸1010mm，则芯片面积/封装面积=1010/2828=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=33/15.2450=1:86（1.2%）,AMD的QFP封装的286处理器
15、芯片,芯片面积/封装面积=1010/2828=1:7.8 （12.8%）,芯片尺寸型封装CSPChip Size Package,芯片尺寸型封装：它的全称为Chip Scale Package，为芯片级封装，也称BGA。 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0.420.88美分/引线, 下降1/21/5; 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
