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集成电路芯片IC封装技术的发展

时间:2008-07-15 08:54:33

 从80年代中后期开始电子产品正朝着、便携式,小型化、网络化和多媒体化方向发展,这种市场需求。对电路组装技术提出了相应的要求:单位体积信息的提(高密度化)单位时间处理速度的提高(高速化)为了满足这些要求:势必要提高电路组装的功能密度,这就成为了促进蕊片封装技术发展的最重要的因素。

一、什么是封装
封装技术其实就是一种将集成电路打包的技术。
 
拿我们常见的内存来说,我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌.而是内存芯片经过打包即封装后的产品。这种打包对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。
 
因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。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还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(PrintCircuil Board,印刷电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。
 
芯片上的接点通过导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此。对于很多集成电路产品而言。封装技术都是非常关键的一环。
 
芯片的封装技术种类实在是多种多样。诸如DlP、QFP、TSOP、BGA、CSP、QFN等等,一系列名称看上去都十分繁杂,其实,只要弄清芯片封装发展的历程也就不难理解了。芯片的封装技术已经历经好几代的变迁,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越接近。适用频率越来越高,耐温性能越来越好,以及引脚数增多。引脚间距减小.重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等,都是看得见的变化。
 
 
二、快过时的PDIP/SOP/QFP封装
数十年来,芯片封装技术一直追随着lC的发展而发展,一代IC就有相应一代的封装技术相配合.而SMT(Surface Mount Tectlfqology,表面组装技术)的发展.更加促进芯片封装技术不断达到新的水平。六、七十年代的中、小型规模IC,曾大量使用T0型封装,后来又开发出DIP、PDIP.并成为这个时期的主导产品形式;
 
八十年代出现了SMT。相应的lC封装形式开发出适于表面贴装短引线或无引线的LCCC、PLcC、SOP等结构。在此基础上,经十多年研制开发的QFP(Quad Flat Package,扁平封装)不但解决了LSl的封装问题。而且适于使用SMT在PCB或其他基板上表面贴装。
 
QFP四面有欧翘状引脚,I/O引线数要比两面有欧翘状引脚SOP多得多。
 
为了适应电路组装密度的进一步提高。QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了O 3ram。由于引脚间距不断缩小。I/0数不断增加。封装体积也不断加大,给电路组装生产带来了许多困难,导致成品率下降和组装成本的提高。
 
另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制.0 3mm已是QFP引脚间距的极限,这都限制了组装密度的提高。0.5mm引脚间距、304条引脚的QFP已经是目前电子封装生产所能制造QFP封装的最大值.若要容纳更多的引脚,只有寻找更新的封装技术手段.种种迹象表明QFP封装的发展已走到了尽头。
 
三、现在热用的BGA/CSP/QFN封装
技术的发展绝不会因为上述困难就停滞不前,于是一种先进的芯片封装BGA(Ball Grid Array.球栅阵列)出现来应对上述挑战。它的I/O引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面.引线间距大,引线长度短,这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距,消除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和可靠性问题。如图3所示的NVIDIA公司最新的GeForce图形芯片(GPU)体现了当前工程技术的最高成就,相信看到芯片照片上那1144个焊球的人都会惊叹不已。BGA一出现便成为CPU、图形芯片、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。
 
概括起来,和QFP相比,BGA的优点主要有以下几点:
 
(1)I/O引线间距大(如1.O,1.27毫米),可容纳的I/O数目大(如1.27毫米间距的BGA在25毫米边长的面积上可容纳350个I/O,而O.5毫米间距的QFP在40毫米边长的面积上只容纳304个I/O)。
 
(2)封装可靠性高(不会损坏引脚)。焊点缺陷率低(<1ppm/焊点),焊点牢固。
 
(3)管脚水平面同一性较QFP容易保证,因为焊锡球在
 
溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
 
(4)回流焊时,焊点之间的张力产生良好的自对中效果,允许有50%的贴片精度误差。
 
(5)有较好的电特性,由于引线短,导线的自感和导线间的互感很低,频率特性好。
 
(6)能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容。原有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用。
 
BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难。但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求,也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求,所以更新的封装CSP(Chip Size Package.芯片尺寸封装)又出现了。它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSP与BGA结构基本一样,只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了,这样在相同封装尺寸时可有更多的I/0数,使组装密度进一步提高。可以说CSP是缩小了的BGA。
CSP之所以受到极大关注,是由于它提供了比BGA更高的组装密度。而比采用倒装片的板极组装密度低。但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂,没有倒装片的裸芯片处理问题,基本上与SMT的组装工艺相一致,并且可以像SMT那样进行预测和返工。正是由于这些无法比拟的优点,才使CSP得以迅速发展并进入实用化阶段。目前日本有多家公司生产CSP。而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记本电脑等产品上。从CSP近几年的发展趋势来看,CSP将取代QFP成为高I/O引线IC封装的主流。
 
近几年来,QFN封装(Quad Flat No—lead,方形扁平无引脚封装)由于具有良好的电和热性能、体积小、重量轻,其应用正在快速增长。采用微型引线框架的QFN封装称为MLF封装(Micro Lead Frame一微引线框架),QFN封装和CSP(Chip Size Package,芯片尺寸封装)有些相似,但元件底部没有焊球。封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热,围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连接的导电焊盘,如图5所示。由于QFN封装不像传统的SOIC与TSOP封装那样具有鸥翼状引线,内部引脚与焊盘之间的导电路径短,自感系数以及封装体内布线电阻很低,所以它能提供卓越的电性能。此外,它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能,该焊盘具有直接散热通道,用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上,并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中,从而吸收多余的热量。由于体积小、重量轻,加上杰出的电性能和热性能,这种封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有要求的应用。我们以32引脚QFN与传统的28引脚PLCC封装相比为例,面积(5mm×5mm)缩小了84%,厚度(0.9mm)降低了80%,重量(0.06g)减轻了95%,电子封装寄生效应也降低了50%。所以非常适合应用在手机、数码相机、PDA以及其它便携小型电子设备的高密度印刷电路板上。
四、以后的封装-MCM封装
为了适应目前电路组装高密度要求,芯片封装技术的发展正日新月异,各种新技术、新工艺层出不穷。最新出现的CSP更是使裸芯片尺寸与封装尺寸基本相近,这样在相同封装尺寸时可有更多的I/0数。使电路组装密度大幅度提高。
 
但是人们在应用中也发现。无论采用何种封装技术后的裸芯片,在封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些。于是人们对传统的混合集成电路(HlC)进行彻底的改变.提出了多芯片组件(Multi Chip ModtJle,即MCM)这种先进的封装模式。它把几块IC芯片或CSP组装在一块电路板上,构成功能电路板,就是多芯片组件(如图7所示的带有八颗核心的IBM Power 5处理器)。
 
它是电路组件功能实现系统级的基础。随着MCM的兴起,使封装的概念发生了本质的变化,在80年代以前,所有的封装是面向器件的,而MCM可以说是面向部件的或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷电路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面安装技术、半导体集成电路技术于一体,是典型的垂直集成技术,对半导体器件来说,它是典型的柔型封装技术,是一种电路的集成。MCM的出现使电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障。
 
对MCM发展影响最大的莫过于lC芯片。因为MCM高成品率要求各类lC芯片都是良好的芯片(KGD),而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选,给组装MCM带来了不确定因素。CSP的出现解决了KGD问题。CSP不但具有裸芯片的优点。还可象普通芯片一样进行测试老化筛选,使MCM的成品率才有保证.大大促进了MCM的发展和推广应用。目前MCM已经成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中。今后将用于工作站、个人计算机、医用电子设备和汽车电子设备等领域。1992年至1996年MCM以11.1%的年递增率发展,2005年产值有可能突破110亿美元,21世纪初将进入全面实用化阶段,迎来MCM全面推广应用和电子设备革命的年代。
 
QFN的主要特点
QFN(Quad Flat No—lead Package,方形扁平无引脚封装)是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术。由于底部中央的大暴露焊盘被焊接到PCB的散热焊盘上,这使得QFN具有极佳的电和热性能。
 
QFN的主要特点有:
 
·表面贴装封装
 
·无引脚焊盘设计占有更小的PCB区域
 
·非常薄的元件厚度(<1mm),可以满足对空间有严格要求的应用
 
·非常低的阻抗、自感,可满足高速或者微波的应用
 
·具有优异的热性能,主要是因为底部有大面积散热焊盘
 
·重量轻。适合便携式应用
 
·无引脚设计
 
QFN导电焊盘有两种类型:全引脚封装(Full Connecting Bar 简称FCB)和引脚缩回封装(Half Etch Connecting Bar) 简称-HECB,也称为Lead
PulIback packages)。全引脚封装为整个引脚厚度可从器件的四边观察到。引脚缩回封装具有底部半蚀刻引脚结构,引脚厚度只有一半暴露在封装的四边,而引脚的底部被蚀刻掉,被一种塑料混合物充填。
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