第12章集成电路的测试与封装 12.1 集成电路在芯片测试技术 12.2 集成电路封装形式与工艺流程 12.3 芯片键合 12.4 高速芯片封装 12.5 混合集成与微组装技术 12.6 数字集成电路测试方法 设计错误测试 设计错误测试的主要目的是发现并定位设计 错误，从而达到修改设计，最终消除设计错 误的目的 设计错误的主要特点是同一设计在制造后的 所有芯片中都存在同样的错误，这是区分设 计错误与制造缺陷的主要依据 12.1 集成电路在芯片测试技术 功能测试 测试目的 功能测试是针对制造过程中可能引起电路功能不正 确而进行的测试，与设计错误相比，这种错误的出 现具有随机性， 测试的主要目的不是定位和分析错误而是判断芯 片上是否存在错误，即区分合格的芯片与不合格的 芯片 功能测试的困难源于以下两个方面： 一个集成电路具有复杂的功能，含有大量的晶体管 电路中的内部信号不可能引出到芯片的外面，而测试信号和测试结 果只能从外部的少数管脚施加并从外部管脚进行观测 测试的过程 就是用测试仪器将测试向量(1和0组成的序列)， 通过探针施加到输入管脚，同时在输出管脚上通 过探针进行检测，并与预期的结果进行比较。
高速的测试仪器是非常昂贵的设备，测试每个芯 片所用的时间必须尽可能地缩短，以降低测试成 本 集成电路测试所要做的工作，一是要将芯片与测试 系统的各种联接线正确联接；二是要对芯片施加各 种信号，通过分析芯片的输出信号，来得到芯片的 功能和性能指标 芯片与测试系统的联接 分为两种： 芯片在晶圆测试的联接方法 芯片成品测试的联接方法 集成电路测试信号联接方法 （1）芯片在晶圆测试的联接方法 一种10探针头的实物照片GSG组合150um间距微波探头照片 两种芯片在晶圆测试用探针： 集成电路测试信号联接方法 （2）芯片成品测试的联接方法 测试机与被测电路板的联接照片MT9308分选机 12.2集成电路封装形式与工艺流程 封装的作用 (1)对芯片起到保护作用封装后使芯片不受外界 因素的影响而损坏，不因外部条件变化而影响芯片 的正常工作； (2)封装后芯片通过外引出线(或称引脚)与外部系 统有方便相可靠的电连接； (3)将芯片在工作中产生的热能通过封装外壳散播 出去，从研保证芯片温度保持在最高额度之下； (4)能使芯片与外部系统实现可靠的信号传输，保 持信号的完整性 封装的内容 (1)通过一定的结构设计、工艺设计、电设计、热设计和可靠性 设计制造出合格的外壳或引线框架等主要零部件； (2) 改进封装结构、确定外形尺寸，使之达到通用化、标准化 ，并向多层次、窄节距、多引线、小外形和高密度方向发展； (3) 保证自硅晶圆的减薄、划片和分片开始，直到芯片粘接、 引线键合和封盖等一系列封装所需工艺的正确实施，达到一定 的 规模化和自动化； (4) 在原有的材料基础上，提供低介电系数、高导热、高机械 强度等性能优越的新型有机、无机和金属材料； (5) 提供准确的检验测试数据，为提高集成电路封装的性能和 可靠性提供有力的保证。
封装的形式 Package--封装体 指芯片（Die）和不同类型的框架（L/F）和塑封料（EMC）形 成的不同外形的封装体 IC Package的种类 按封装材料划分为： 金属封装、陶瓷封装、塑料封装 按照和PCB板连接方式分为： PTH封装和SMT封装 按照封装外型可分为： SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等； 按封装材料划分为： 金属封装 陶瓷封装 塑料封装 金属封装主要用于军工或航天技术，无 商业化产品； 陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产 品，占少量商业化市场； 塑料封装用于消费电子，因为其成本低 ，工艺简单，可靠性高而占有绝大部分 的市场份额； 按与PCB板的连接方式划分为： PTH SMTPTH-Pin Through Hole, 通孔式 ； SMT-Surface Mount Technology，表面贴装式 目前市面上大部分IC均采为SMT式 的 SMT 按封装外型可分为： SOT 、QFN 、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP等； 决定封装形式的两个关键因素: 封装效率芯片面积/封装面积，尽量接近1:1； 引脚数引脚数越多，越高级，但是工艺难度也相应增加； 封装形式和工艺逐步高级和复杂 其中,CSP由于采用了Flip Chip技术和裸片封装，达到了芯片面积/封装面积 =1:1，为目前最高级的技术； IC Package （IC的封装形式） Company Logo QFNQuad Flat No-lead Package 四方无引脚扁平封装 SOICSmall Outline IC 小外形IC封装 TSSOPThin Small Shrink Outline Package 薄小外形封装 QFPQuad Flat Package 四方引脚扁平式封装 BGABall Grid Array Package 球栅阵列式封装 CSPChip Scale Package 芯片尺寸级封装 常用集成电路封装形式 （1）DIP (Dual In-line Package)双列直插式封装 2.543=7.62 0.52.54 1.5 3.4 3.35 8765 123 4 6.3 9.2 P型8引线封装 正视图 顶视图 常用集成电路封装形式 （2）SOP(Small Outline Package)小外形封装 SOP实际上是DIP的变形，即将DIP的直插式引脚向 外弯曲成90度，就成了适于表面贴装SMT（Surface Mount Technology）的封装了，只是外形尺寸和重量 比DIP小得多。
SOP封装外形图 常用集成电路封装形式 （3）QFP(Quad Flat Package) 四边引脚扁平封装 QFP封装结构 QFP的分类： 塑（Plastic）封 QFP(PQFP) 薄型QFP(TQFP) 窄（Fine） 节距 QFP(FQFP) IC Package Structure（IC结构图） Company Logo TOP VIEW SIDE VIEW Lead Frame 引线框架 Gold Wire 金 线 Die Pad 芯片焊盘 Epoxy 银浆 Mold Compound 环氧树脂 集成电路封装工艺流程 划片 分类 管芯键合 引线绑定 密封 管壳焊封 型模 测试 工序 晶圆 加工好的焊料 聚合物粘结剂 Al丝 Au丝 保形的涂敷材料 加工好的金属 聚合物密封剂 塑模化合物 引线框架 陶瓷管壳 管帽 部件材料 引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框架上的电极 内端（有时称为柱）进行电连接最常用的方法（见下 图）引线键合放置精度通常是5 m键合线或是金 或是铝，因为它在芯片压点和引线框架内端压点都形成 良好键合，通常引线直径是2575 m之间 12.3 芯片键合 引线键合 传统装配与封装 硅片测试和拣选 引线键合引线键合 分片 塑料封装最终封装与测试 贴片 Figure 20.1 引线焊接 EFO打火杆在磁 嘴前烧球 Cap下降到芯片的Pad 上，加Force和Power 形成第一焊点 Cap牵引金 线上升 Cap运动轨迹形成 良好的Wire Loop Cap下降到Lead Frame形成焊接 Cap侧向划开，将金 线切断，形成鱼尾 Cap上提，完成一次 动作 从芯片压点到引线框架的引线键合 压模混合物 引线框架 压点 芯片 键合的引线 管脚尖 集成电路封装示意图 芯片绑定时，应给出载体型号和芯片焊盘与载体上的引 脚关系示意图，如图所示，芯片方向用向上箭头表示， QFP24载体引脚从左下角第二引脚开始，逆时针方向连 续标号，按图连接明确无误。
卷带式自动键合TAB技术 聚合物条带 铜引线 倒装芯片 将芯片的有源面（具有表面键合压点）面向基座的粘贴封 装技术 倒装技术优点： 寄生电感远小于传统键合技术的寄生值 焊接盘可遍布芯片，不仅限于芯片周边 衬底均可被IC覆盖，封装密度高 可靠性高 焊接时，连接柱的表面张力会自我校正 倒装芯片封装 压点上的焊 料凸点 硅芯片 基座 连接管座 金属互连 通孔 硅片压点上的C4焊料凸点 回流 工艺 金属淀 积和刻 蚀 第二层金属淀积 Sn Pb (3) 在回流过程 中焊球形成 (4) Oxide 氮化硅 Al 压点 (1) 第三层复合金属 Cu-Sn Cr+Cu Cr (2) 倒装芯片的环氧树脂填充术 关于倒装芯片可靠性的一个重要问题是硅片和基座之间热 膨胀系数（CTE）失配严重的CTE失配将应力引入C4焊接 点并由于焊接裂缝引起早期失效通过在芯片和基座之间用 流动环氧树脂填充术使问题得以解决 焊料凸点 芯片 环氧树脂 基座 倒装芯片面阵焊接凸点与引线键合 因为倒装芯片技术是面阵技术，它促进了对封装中更 多输入/输出管脚的要求这意味着C4焊料凸点被放在芯 片表面的x-y格点上，对于更多管脚数有效利用了芯片表 面积。
压点周 边阵列 倒装芯片凸 点面阵列 Figure 20.23 12.4 高速芯片封装 在高频和高速系统设计时，不同封装形式的引脚的寄生参 数必须加以考虑 封装类型电容/pF电感/nH 68针塑料DIP435 68针陶瓷DIP720 256针PGA515 金丝压焊11 例装焊0.50.1 几种封装形式下引脚的寄生电容和电感的典型值 12.4 高速芯片封装 12.5 混合集成与微组装技术 MCM技术的发展与进步 由于多芯片模块(MCM)的出现、发展和进步，推动了微组装 技术发展由于信号传输高频化和高速数字化的要求以及裸芯 片封装的需要，因而要求有比起SMT组装密度更高的基板和 母板 多芯片组件，它是在混合集成电路(HIC)基础上发展起来的高技 术电子产品，是将多个LSI和VLSI芯片和其它元器件高密度组装 在多层互连基板上，然后封装在同一封装体内的高密度、高可靠 性的电子产品，可以实现系统功能，达到电子产品的小型化、多 功能、高性能 MCM 基座单个芯片 MCM(Mu1tiChip Module)基 本概念 MCM分类 MCM通常可分为五大类， 即MCML，其基板为多层布线 PWB； MCMC，其基板为多层布线厚 膜或多层布线共烧陶瓷； MCMD，其为薄膜多层布线基 板； MCMCD，其为厚、薄膜混 合多层布线基板； MCMSi，其基板为Si。
以上这些基板上再安装各类Ic芯 片及其它元器件，使用先进封装， 就制作成各类MCM 三级基板（或PCB） MCM的优 势 近似芯片尺寸的超小型封装 可容纳引脚的数最多，便于 焊接、安装和修整更换 电、热性能优良 测试、筛选、老化操作容易 实现 散热性能优良 封装内无需填料 制造工艺、设备的兼容性好 一种六芯片 MCM 12.6 数字集成电路测试方法 概述 数字集成电路测试的意义在于可以直观地检查设计的 集成电路是否能像设计者要求的那样正确地工作 另一目的是希望通过测试，确定电路失效的原因以及 失效所发生的具体部位，以便改进设计和修正错误 测试的难度 为实现对芯片中的错误和缺陷定位，从测试技术的 角度而言就是要解决测试的可控制性和可观测性 数字系统一般都是复杂系统，测试问题变得日益严 重 12.6.1 可测试性的重要性 测试生成 指产生验证电路的一组测试码，又称测试矢量 测试验证 指一个给定测试集合的有效性测度，这通常是通过故障模拟 来估算的 测试设计 目的是为了提高前两种工作的效率，也就是说，通过在逻辑 和电路设计阶段考虑测试效率问题，加入适当的附加逻辑或 电路以提高将来芯片的测试效率 。
数字集成电路可测性的3个方面 集成电路芯片测试的基本形式 完全测试 对芯片进行全部状态和功能的测试，要考虑集成电路的所有状态 和功能，即使在将来的实际应用中有些并不会出现完全测试是 完备集。