芯片封裝

芯片封裝

安裝半導體集成電路芯片用的外殼
芯片封裝即安裝半導體集成電路芯片用的外殼,具有安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用。[1]芯片封裝是溝通芯片内部世界與外部電路的橋梁,芯片的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上,引腳又通過印制闆上的導線與其他器件建立連接;封裝對CPU和其他LSI集成電路都起着重要的作用,引腳數增多,引腳間距減小、重量減小、可靠性提高,使用更加方便。
    中文名:芯片封裝 外文名: 别名: 對象:CPU和其他LSI集成電路 所屬類别:計算機 電路 作用:安放、固定、密封、保護芯片 公司:Intel公司 常見類型:DIP雙列直插式

常見類型

DIP雙列直插式

DIP(Dual Inline-pin Package)是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片,絕大多數中小規模集成電路(IC)均采用這種封裝形式,其引腳數一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳,需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。

當然,也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路闆上進行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特别小心,以免損壞引腳。

特點:

⒈适合在PCB(印刷電路闆)上穿孔焊接,操作方便。

⒉封裝面積與芯片面積之間的比值較大,故體積也較大。

Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式,緩存(Cache)和早期的内存芯片也是這種封裝形式。

組件封裝式

PQFP(Plastic Quad Flat Package)封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細,一般大規模或超大型集成電路都采用這種封裝形式,其引腳數一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD(表面安裝設備技術)将芯片與主闆焊接起來。

采用SMD安裝的芯片不必在主闆上打孔,一般在主闆表面上有設計好的相應管腳的焊點。将芯片各腳對準相應的焊點,即可實現與主闆的焊接。用這種方法焊上去的芯片,如果不用專用工具是很難拆卸下來的。

PFP(Plastic Flat Package)方式封裝的芯片與PQFP方式基本相同。唯一的區别是PQFP一般為正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是長方形。

特點:

⒈适用于SMD表面安裝技術在PCB電路闆上安裝布線。

⒉适合高頻使用。⒊操作方便,可靠性高。

⒋芯片面積與封裝面積之間的比值較小。

Intel系列CPU中80286、80386和某些486主闆采用這種封裝形式。

PGA插針網格式

PGA(Pin Grid Array Package)芯片封裝形式在芯片的内外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據引腳數目的多少,可以圍成2-5圈。

安裝時,将芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸,從486芯片開始,出現一種名為ZIF的CPU插座,專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。

ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕擡起,CPU就可很容易、輕松地插入插座中。

然後将扳手壓回原處,利用插座本身的特殊結構生成的擠壓力,将CPU的引腳與插座牢牢地接觸,絕對不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片隻需将插座的扳手輕輕擡起,則壓力解除,CPU芯片即可輕松取出。

特點:

⒈插拔操作更方便,可靠性高。

⒉可适應更高的頻率。

Intel系列CPU中,80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。

BGA球栅陣列式

随着集成電路技術的發展,對集成電路的封裝要求更加嚴格。這是因為封裝技術關系到産品的功能性,當IC的頻率超過100MHz時,傳統封裝方式可能會産生所謂的“CrossTalk(串擾)”現象,而且當IC的管腳數大于208Pin時,傳統的封裝方式有其困難度。

因此,除使用PQFP封裝方式外,現今大多數的高腳數芯片(如圖形芯片與芯片組等)皆轉而使用BGA(Ball Grid Array Package)封裝技術。BGA一出現便成為CPU、主闆上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。

BGA封裝技術又可詳分為五大類

⒈PBGA(Plastic BGA)基闆:一般為2-4層有機材料構成的多層闆。Intel系列CPU中,Pentium Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處理器均采用這種封裝形式。

⒉CBGA(CeramicBGA)基闆:即陶瓷基闆,芯片與基闆間的電氣連接通常采用倒裝芯片(FlipChip,簡稱FC)的安裝方式。Intel系列CPU中,Pentium I、Ⅱ、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。

⒊FCBGA(FilpChipBGA)基闆:硬質多層基闆。

⒋TBGA(TapeBGA)基闆:基闆為帶狀軟質的1-2層PCB電路闆。

⒌CDPBGA(Carity Down PBGA)基闆:指封裝中央有方型低陷的芯片區(又稱空腔區)。

特點:

⒈I/O引腳數雖然增多,但引腳之間的距離遠大于QFP封裝方式,提高了成品率。

⒉雖然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,從而可以改善電熱性能。

⒊信号傳輸延遲小,适應頻率大大提高。

⒋組裝可用共面焊接,可靠性大大提高。

BGA封裝方式經過十多年的發展已經進入實用化階段。1987年,西鐵城(Citizen)公司開始着手研制塑封球栅面陣列封裝的芯片(即BGA)。而後,摩托羅拉、康柏等公司也随即加入到開發BGA的行列。

1993年,摩托羅拉率先将BGA應用于移動電話。同年,康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應用。直到五六年前,Intel公司在電腦CPU中(即奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ、奔騰Ⅳ等),以及芯片組(如i850)中開始使用BGA,這對BGA應用領域擴展發揮了推波助瀾的作用。

BGA已成為極其熱門的IC封裝技術,其全球市場規模在2000年為12億塊,預計2005年市場需求将比2000年有70%以上幅度的增長。

CSP芯片尺寸式

随着全球電子産品個性化、輕巧化的需求蔚為風潮,封裝技術已進步到CSP(Chip Size Package)。它減小了芯片封裝外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封裝尺寸就有多大。即封裝後的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍,IC面積隻比晶粒(Die)大不超過1.4倍。

CSP封裝又可分為四類

⒈Lead Frame Type(傳統導線架形式),代表廠商有富士通、日立、Rohm、高士達(Goldstar)等等。

⒉Rigid Interposer Type(硬質内插闆型),代表廠商有摩托羅拉、索尼、東芝、松下等等。

⒊Flexible Interposer Type(軟質内插闆型),其中最有名的是Tessera公司的microBGA,CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表廠商包括通用電氣(GE)和NEC。

⒋Wafer Level Package(晶圓尺寸封裝):有别于傳統的單一芯片封裝方式,WLCSP是将整片晶圓切割為一顆顆的單一芯片,它号稱是封裝技術的未來主流,已投入研發的廠商包括FCT、Aptos、卡西歐、EPIC、富士通、三菱電子等。

特點:

⒈滿足了芯片I/O引腳不斷增加的需要。

⒉芯片面積與封裝面積之間的比值很小。

⒊極大地縮短延遲時間。

CSP封裝适用于腳數少的IC,如内存條和便攜電子産品。未來則将大量應用在信息家電(IA)、數字電視(DTV)、電子書(E-Book)、無線網絡WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手機芯片、藍牙(Bluetooth)等新興産品中。

MCM多芯片模塊式

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題,把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多層互聯基闆上用SMD技術組成多種多樣的電子模塊系統,從而出現MCM(Multi Chip Module)多芯片模塊系統。

特點:

⒈封裝延遲時間縮小,易于實現模塊高速化。

⒉縮小整機/模塊的封裝尺寸和重量。

⒊系統可靠性大大提高。

分類方法

封裝材料

塑料、陶瓷、玻璃、金屬等。

封裝形式

普通雙列直插式,普通單列直插式,小型雙列扁平,小型四列扁平,圓形金屬,體積較大的厚膜電路等。

封裝體積

最大為厚膜電路,其次分别為雙列直插式,單列直插式,金屬封裝、雙列扁平、四列扁平為最小。

引腳間距

普通标準型塑料封裝,雙列、單列直插式一般多為2.54±0.25mm,其次有2mm(多見于單列直插式)、1.778±0.25mm(多見于縮型雙列直插式)、1.5±0.25mm,或1.27±0.25mm(多見于單列附散熱片或單列V型)、1.27±0.25mm(多見于雙列扁平封裝)、1±0.15mm(多見于雙列或四列扁平封裝)、0.8±0.05~0.15mm(多見于四列扁平封裝)、0.65±0.03mm(多見于四列扁平封裝)。

引腳寬度

雙列直插式封轉一般有7.4~7.62mm、10.16mm、12.7mm、15.24mm等數種。

雙列扁平封裝(包括引線長度)一般有6~6.5±mm、7.6mm、10.5~10.65mm等。

四列扁平封裝(40引腳以上的長×寬)一般有10×10mm(不計引線長度)、13.6×13.6±0.4mm(包括引線長度)、20.6×20.6±0.4mm(包括引線長度)、8.45×8.45±0.5mm(不計引線長度)、14×14±0.15mm(不計引線長度)等。

封裝步驟

闆上芯片(ChipOnBoard,COB)工藝過程首先是在基底表面用導熱環氧樹脂(一般用摻銀顆粒的環氧樹脂)複蓋矽片安放點,然後将矽片直接安放在基底表面,熱處理至矽片牢固地固定在基底為止,随後再用絲焊的方法在矽片和基底之間直接建立電氣連接。

裸芯片技術主要有兩種形式:一種是COB技術,另一種是倒裝片技術(FlipChip)。

闆上芯片封裝(COB),半導體芯片交接貼裝在印刷線路闆上,芯片與基闆的電氣連接用引線縫合方法實現,芯片與基闆的電氣連接用引線縫合方法實現,并用樹脂複蓋以确保可靠性。雖然COB是最簡單的裸芯片貼裝技術,但它的封裝密度遠不如TAB和倒片焊技術。

COB主要的焊接方法

(1)熱壓焊

利用加熱和加壓力使金屬絲與焊區壓焊在一起。其原理是通過加熱和加壓力,使焊區(如AI)發生塑性形變同時破壞壓焊界面上的氧化層,從而使原子間産生吸引力達到“鍵合”的目的,此外,兩金屬界面不平整加熱加壓時可使上下的金屬相互鑲嵌。此技術一般用為玻璃闆上芯片COG。

(2)超聲焊

超聲焊是利用超聲波發生器産生的能量,通過換能器在超高頻的磁場感應下,迅速伸縮産生彈性振動,使劈刀相應振動,同時在劈刀上施加一定的壓力,于是劈刀在這兩種力的共同作用下,帶動AI絲在被焊區的金屬化層如(AI膜)表面迅速摩擦,使AI絲和AI膜表面産生塑性變形,這種形變也破壞了AI層界面的氧化層,使兩個純淨的金屬表面緊密接觸達到原子間的結合,從而形成焊接。主要焊接材料為鋁線焊頭,一般為楔形。

(3)金絲焊

球焊在引線鍵合中是最具代表性的焊接技術,因為現在的半導體封裝二、三極管封裝都采用AU線球焊。

而且它操作方便、靈活、焊點牢固(直徑為25UM的AU絲的焊接強度一般為0.07~0.09N/點),又無方向性,焊接速度可高達15點/秒以上。金絲焊也叫熱(壓)(超)聲焊主要鍵合材料為金(AU)線焊頭為球形故為球焊。

倒裝芯片技術的發展

30多年前,“倒裝芯片”問世。當時為其冠名為“C4”,即“可控熔塌芯片互連”技術。該技術首先采用銅,然後在芯片與基闆之間制作高鉛焊球。

銅或高鉛焊球與基闆之間的連接通過易熔焊料來實現。此後不久出現了适用于汽車市場的“封帽上的柔性材料(FOC)”;還有人采用Sn封帽,即蒸發擴展易熔面或E3工藝對C4工藝做了進一步的改進。

C4工藝盡管實現起來比較昂貴(包括許可證費用與設備的費用等),但它還是為封裝技術提供了許多性能與成本優勢。與引線鍵合工藝不同的是,倒裝芯片可以批量完成,因此還是比較劃算。

由于新型封裝技術和工藝不斷以驚人的速度湧現,因此完成具有數千個凸點的芯片設計目前已不存在大的技術障礙小封裝技術工程師可以運用新型模拟軟件輕易地完成各種電、熱、機械與數學模拟。

此外,以前一些世界知名公司專為内部使用而設計的專用工具目前已得到廣泛應用。為此設計人員完全可以利用這些新工具和新工藝最大限度地提高設計性,最大限度地縮短面市的時間。

無論人們對此抱何種态度,倒裝芯片已經開始了一場工藝和封裝技術革命,而且由于新材料和新工具的不斷湧現使倒裝芯片技術經過這麼多年的發展以後仍能處于不斷的變革之中。

為了滿足組裝工藝和芯片設計不斷變化的需求,基片技術領域正在開發新的基闆技術,模拟和設計軟件也不斷更新升級。因此,如何平衡用最新技術設計産品的願望與以何種适當款式投放産品之間的矛盾就成為一項必須面對的重大挑戰。

由于受互連網帶寬不斷變化以及下面列舉的一些其它因素的影響,許多設計人員和公司不得不轉向倒裝芯片技術。

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