半导体封装是指将通过测试的
晶圆按照
产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为:来自晶圆
前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片(Die),然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(
引线框架)架的小岛上,再利用超细的金属(金锡铜铝)导线或者
导电性树脂将晶片的接合
焊盘(Bond Pad)连接到基板的相应引脚(Lead),并构成所要求的电路;然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护,塑封之后还要进行一系列操作,封装完成后进行成品测试,通常经过入检Incoming、测试Test和包装
Packing等工序,最后入库出货。
简介
半导体
生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。塑封之后,还要进行一系列操作,如
后固化(Post Mold Cure)、切筋和成型(Trim&Form)、电镀(Plating)以及打印等工艺。典型的封装
工艺流程为:划片 装片
键合 塑封 去飞边 电镀 打印 切筋和成型
外观检查 成品测试 包装出货。
分类
各种半导体封装形式的特点和优点:
DIP(DualIn-line 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(IC)均采用这种
封装形式,其引脚数一般不超过100个。采用
DIP封装的
CPU芯片有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然,也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心,以免损坏引脚。
DIP封装具有以下特点:
1.适合在
PCB(
印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。
2.芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。
Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式,缓存(Cache)和早期的
内存芯片也是这种封装形式。
BGA球栅阵列封装
随着
集成电路技术的发展,对集成电路的封装要求更加严格。这是因为
封装技术关系到产品的功能性,当IC的频率超过100MHz时,传统
封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象,而且当IC的管脚数大于208 Pin时,传统的封装方式有其困难度。因此,除使用
QFP封装方式外,现今大多数的高脚数芯片(如
图形芯片与
芯片组等)皆转而使用
BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。BGA一出现便成为CPU、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。
BGA封装技术又可详分为五大类:1.PBGA(Plasric 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(CeramicBGA)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(FlipChip,简称FC)的安装方式。Intel系列CPU中,
Pentium I、II、
Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。
3.FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。
4.TBGA(
TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层
PCB电路板。
5.CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封装中央有方型低陷的芯片区(又称
空腔区)。
1.I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离
远大于QFP封装方式,提高了
成品率。
2.虽然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善电热性能。
BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年,日本
西铁城(Citizen)公司开始着手研制塑封
球栅面阵列封装的芯片(即BGA)。而后,
摩托罗拉、
康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年,摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年,康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前,Intel公司在电脑CPU中(即奔腾II、
奔腾III、奔腾IV等),以及
芯片组(如i850)中开始使用BGA,这对BGA
应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。BGA已成为极其热门的
IC封装技术,其全球
市场规模在2000年为12亿块,预计2005年
市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。
QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装
QFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式,其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用
SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应管脚的
焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用
专用工具是很难拆卸下来的。
PFP(Plastic Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相同。区别是QFP一般为
正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。
1.适用于SMD
表面安装技术在
PCB电路板上安装布线。
2.适合高频使用。
3.操作方便,可靠性高。
4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。
Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。
PGA(Pin Grid Array Package)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的
插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少,可以围成2-5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸,从486芯片开始,出现一种名为ZIF的CPU插座,专门用来满足
PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。
ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的
扳手轻轻抬起,CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处,利用插座本身的特殊结构生成的
挤压力,将CPU的引脚与插座牢牢地接触,绝对不存在
接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起,则压力解除,CPU芯片即可轻松取出。
PGA封装具有以下特点:1.插拔操作更方便,可靠性高。
2.可适应更高的频率。
Intel系列CPU中,80486和Pentium、Pentium Pro均采用这种封装形式。
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。
MCM具有以下特点:
2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。
总之,由于CPU和其他超大型集成电路在不断发展,集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化,而封装形式的进步又将反过来促进
芯片技术向前发展。
随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮,封装技术已进步到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。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍,IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。
1.Lead Frame Type(传统导线架形式),代表厂商有
富士通、
日立、
Rohm、高士达(Goldstar)等等。
2.Rigid Interposer Type(硬质
内插板型),代表厂商有
摩托罗拉、
索尼、
东芝、
松下等等。
3.Flexible Interposer Type(软质内插板型),其中最有名的是Tessera公司的microBGA,CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括
通用电气(
GE)和
NEC。
4.Wafer Level Package(
晶圆尺寸封装):有别于传统的单一芯片封装方式,
WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片,它号称是封装技术的未来主流,已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、
卡西欧、
EPIC、
富士通、三菱电子等。
CSP封装具有以下特点:
1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。
2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。
3.极大地缩短延迟时间。
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(
IA)、数字电视(
DTV)、
电子书(E-Book)、
无线网络WLAN/GigabitEthemet、ADSL/
手机芯片、
蓝牙(Bluetooth)等新兴产品中。