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IC封装技术知识

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发表于 2016-1-19 17:31:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
封装是什么?
封装,就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接.封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用,而且还通过芯片上的接点用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相连接,从而实现内部芯片与外部电路的连接。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(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。

衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好。
封装时主要考虑的因素
1
芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1;
2
引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能;
3
基于散热的要求,封装越薄越好。
封装大致经过了如下发展进程
结构方面:TO->DIP->PLCC->QFP->PGA->BGA ->CSP->MCM;

材料方面:金属、陶瓷->陶瓷、塑料->塑料;

引脚形状:长引线直插->短引线或无引线贴装->球状凸点;

装配方式:通孔插装->表面组装->直接安装
封装的分类
封装有不同的分类方法。按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型(SMD,见注释)和高级封装。

从不同的角度出发,其分类方法大致有以下几种:1,按芯片的装载方式;2,按芯片的基板类 型;3,按芯片的封接或封装方式;4,按芯片的封装材料等;5,按芯片的外型结构.前三类属一级封装的范畴,涉及裸芯片及其电极和引线的封装或封接,笔者 只作简单阐述,后二类属二级封装的范畴,对PCB设计大有用处,笔者将作详细分析.

1.按芯片的装载方式分类

裸芯片在装载时,它的有电极的一面可以朝上也可以朝下,因此,芯片就有正装片和倒装片之分,布线面朝上为正装片,反之为倒装片.

另外,裸芯片在装载时,它们的电气连接方式亦有所不同,有的采用有引线键合方式,有的则采用无引线键合方式

2.按芯片的基板类型分类

基板的作用是搭载和固定裸芯片,同时兼有绝缘,导热,隔离及保护作用.它是芯片内外电路连接的桥梁.从材料上看,基板有有机和无机之分,从结构上看,基板有单层的,双层的,多层的和复合的.

3.按芯片的封接或封装方式分类

裸芯片裸芯片及其电极和引线的封装或封接方式可以分为两类,即气密性封装和树脂封装,而气密性封装中,根据封装材料的不同又可分为:金属封装,陶瓷封装和玻璃封装三种类型.

4.按芯片的封装材料分类

按芯片的封装材料分有金属封装,陶瓷封装,金属-陶瓷封装,塑料封装.

金属封装:金属材料可以冲,压,因此有封装精度高,尺寸严格,便于大量生产,价格低廉等优点.

陶瓷封装:陶瓷材料的电气性能优良,适用于高密度封装.

金属-陶瓷封装:兼有金属封装和陶瓷封装的优点.

塑料封装:塑料的可塑性强,成本低廉,工艺简单,适合大批量生产.

5.按芯片的外型,结构分类大致有:DIP,SIP,ZIP,S-DIP,SK-DIP,PGA,SOP,MSP,QFP,SVP,LCCC,PLCC,SOJ,BGA,CSP,TCP等,其中前6种属引脚插入型,随后的9种为表面贴装型,最后一种是TAB型(见注释).
1. DIP:双列直插式封装.顾名思义,该类型的引脚在芯片两侧排列,是插入式封装中最常见的一种,引脚节距为2.54 mm,电气性能优良,又有利于散热,可制成大功率器件.

2. SIP:单列直插式封装.该类型的引脚在芯片单侧排列,引脚节距等特征与DIP基本相同.ZIP:Z型引脚直插式封装.该类型的引脚也在芯片单侧排列,只是引脚比SIP粗短些,节距等特征也与DIP基本相同.

3. S-DIP:收缩双列直插式封装.该类型的引脚在芯片两侧排列,引脚节距为1.778 mm,芯片集成度高于DIP.

4. SK-DIP:窄型双列直插式封装.除了芯片的宽度是DIP的1/2以外,其它特征与DIP相同.PGA:针栅阵列插入式封装.封装底面垂直阵列布置引脚 插脚,如同针栅.插脚节距为2.54 mm或1.27mm,插脚数可多达数百脚.用于高速的且大规模和超大规模集成电路.

5. SOP:小外型封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,字母L状.引脚节距为1.27mm.

6. MSP:微方型封装.表面贴装型封装的一种,又叫QFI等,引脚端子从封装的四个侧面引出,呈I字形向下方延伸,没有向外突出的部分,实装占用面积小,引脚节距为1.27mm.

7. QFP:四方扁平封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,呈L字形,引脚节距为1.0mm,0.8mm,0.65mm,0.5mm,0.4mm,0.3mm,引脚可达300脚以上.

8. SVP:表面安装型垂直封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的一个侧面引出,引脚在中间部位弯成直角,弯曲引脚的端部与PCB键合,为垂直安装的封装.实装占有面积很小.引脚节距为0.65mm,0.5mm .

9. LCCC:无引线陶瓷封装载体.在陶瓷基板的四个侧面都设有电极焊盘而无引脚的表面贴装型封装.用于高速,高频集成电路封装.

10. PLCC:无引线塑料封装载体.一种塑料封装的LCC.也用于高速,高频集成电路封装.

11. SOJ:小外形J引脚封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,呈J字形,引脚节距为1.27mm.

12. BGA:球栅阵列封装.表面贴装型封装的一种,在PCB的背面布置二维阵列的球形端子,而不采用针脚引脚.焊球的节距通常为1.5mm,1.0mm,0.8mm,与PGA相比,不会出现针脚变形问题.

13. CSP:芯片级封装.一种超小型表面贴装型封装,其引脚也是球形端子,节距为0.8mm,0.65mm,0.5mm等.

14. TCP:带载封装.在形成布线的绝缘带上搭载裸芯片,并与布线相连接的封装.与其他表面贴装型封装相比,芯片更薄,引脚节距更小,达0.25mm,而引脚数可达500针以上.
按封装历史介绍封装形式
(TO->DIP->PLCC->QFP->PGA->BGA->CSP->MCM)
1
DIP双列直插式封装
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:
适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。

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。

2
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(表面贴装设备技术)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。唯一的区别是QFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。

QFP/PFP封装具有以下特点:
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。

3
PGA插针网格阵列封装
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。

4
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)。

BGA封装具有以下特点:
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。

3)信号传输延迟小,适应频率大大提高。

4)组装可用共面焊接,可靠性大大提高。

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。目前,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。

5
CSP芯片尺寸封装
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。

CSP封装又可分为四类:
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、蓝芽(Bluetooth)等新兴产品中。

6
MCM多芯片模块
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:
1)封装延迟时间缩小,易于实现模块高速化。

2)缩小整机/模块的封装尺寸和重量。

3)系统可靠性大大提高。

注释:
SMD:它是Surface Mounted Devices的缩写,意为:表面贴装器件,它是SMT(Surface Mount Technology 中文:表面贴装技术)元器件中的一种。
TAB:正载带自动焊(Tape Automated Boning)技术是一种基于将芯片组装在金属化柔性高分子载带上的集成电路封装技术。它的工艺主要是先在芯片上形成凸点,将芯片上的凸点同载带上的焊点 通过引线压焊机自动的键合在一起,然后对芯片进行密封保护。载带既作为芯片的支撑体,又作为芯片同周围电路的连接引线。
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