集成电路材料封装的研究论文

在较长一段时期内，集成电路封装几乎没有多大变化，6～64根引线的扁平和双列式封装，基本上可以满足所有集成电路的需要。对于较高功率的集成电路，则普遍采用金属圆形和菱形封装。但是随着集成电路的迅速发展，多于64，甚至多达几百条引线的集成电路愈来愈多。如日本40亿次运算速度的巨型计算机用一块ECL．复合电路，就采用了462条引线的PGA。过去的封装形式不仅引线数已逐渐不能满足需要，而且也因结构上的局限而往往影响器件的电性能。同时，整机制造也正在努力增加印制线路板的组装密度、减小整机尺寸来提高整机性能，这也迫使集成电路去研制新的封装结构，新的封装材料来适应这一新的形势。因此，集成电路封装的发展趋势大体有以下几个方面：1．表面安装式封装将成为集成电路封装主流 集成电路的表面安装结构是适应整机系统的需要而发展起来的，主要是因为电子设备的小型化和轻量化，要求组装整机的电子元器件外形结构成为片式，使其能平贴在预先印有焊料膏的印制线路板焊盘上，通过再流焊工艺将其焊接牢固。这种作法不仅能够缩小电子设备的体积，减轻重量，而且这些元器件的引线很短，可以提高组装速度和产品性能，并使组装能够柔性自动化。表面安装式封装一般指片式载体封装、小外形双列封装和四面引出扁平封装等形式，这类封装的出现，无疑是集成电路封装技术的一大进步。2．集成电路封装将具有更多引线、更小体积和更高封装密度随着超大规模和特大规模集成电路的问世，集成电路芯片变得越来越大，其面积可达7mm×7mm，封装引出端可在数百个以上，并要求高速度、超高频、低功耗、抗辐照，这就要求封装必须具有低应力、高纯度、高导热和小的引线电阻、分布电容和寄生电感，以适应更多引线、更小体积和更高封装密度的要求。要想缩小封装体积，增加引线数量．唯一的办法就是缩小封装的引线间距。一个40线的双列式封装要比68线的H式载体封装的表面积大20%，其主要区别就是引线目距由改变自或。不难想像，如果引线间距进而改变为，甚至0 50mm，则封装的表面积还会太大地缩小。但是为了缩小引线间距，这势必带来了一系列新的目题，如印线精密制造就必须用光致腐蚀的蚀刻工艺来代替机械模具的冲制加工，并必须解决引线间距缩小所引起的引线间绝缘电阻的降低和分步电容的增大等各个方面研究课题。集成电路芯片面积增大，通常其相应封装面积也在加大，这就对热耗散问题提出了新的挑战。这个问题是一个综台性的，它不仅与芯片功率、封装材料、封装结构的表面积和最高结温有关，还与环境温度和冷玲方式等有关，这就必须在材料的选择、结构的设计和冷却的手段等方面作出新的努力。3.塑料封装仍然是集成自路的主要封装形式塑料模塑封装具有成本低、工艺简单和便于自动化生产等优点，虽然在军用集成电路标准中明文规定，封装结构整体不得使用任何有机聚合物材料，但是在集成电路总量中，仍有85%以上采用塑料封装。塑料封装与其他封装相比，其缺点主要是它属于非气密或半气密封装，所以抗潮湿性能差，易受离子污染；同时热稳定性也不好，对电磁波不能屏蔽等，因而对于高可靠的集成电路不宜选用这种封装形式。但是近几年来，塑料封装的模塑材料、引线框架和生产工艺已经不断完善和改进，可靠性也已大大提高，相信在这个基础上，所占封装比例还会继续增大。4.直接粘结式封装将取得更大发展集成电路的封装经过插入式、表面安装式的变革以后，一种新的封装结构—直接粘结式已经经过研制、试用达到了具有商品化的价值，并且取得了更大的发展，据国际上预测，直接粘结式封装在集成电路中所占比重将从1990年的8%上升至2000年的22%，这一迅速上升的势头，说明了直接粘结式封装的优点和潜力。所谓直接粘结式封装就是将集成电路芯片直接粘结在印制线路板或覆有金属引线的塑料薄膜的条带上，通过倒装压焊等组装工艺，然后用有机树脂点滴形加以覆盖。当前比较典型的封装结构有芯片板式封装（COB）、载带自动焊接封装（TAB）和倒装芯片封转（FLIPCHIP）等树种，而其中COB封装和TAB封装已经大量使用于音乐、语音、钟表程控和照相机快门等直接电路。直接粘结式封装其所以能够迅速发展，最重要的因素是它能适用于多引线、小间距、低成本的大规模自动化或半自动化生产，并且简化了封装结构和组装工艺。例如COB封装不再使用过去的封装所必需的金属外引线；TAB封装采用倒装压焊而不再使用组装工艺必须的内引线键合。这样，一方面减少了键合的工作量，另一方面因减少引线的压焊点数而提高了集成电路的可靠性。在中国COB封装已经大量生产，而TAB封装尚处于开发阶段，相信在今后的集成电路中，这类封装会占据一定的地位和取得更大的发展。5. 功率集成电路封装小型化已成为可能功率集成电路的封装结构，受封装材料的导热性能影响，造成封装体积较大而与其他集成电路不相匹配，已成为人们关注的问题之一，而关键所在是如何采用新的封装材料。功率集成电路所用的封装材料，不仅要求其导热性能好，而且也要求线膨胀系数低，并具备良好的电气性能和机械性能。随着科学的进步，一些新的材料已经开始应用到集成电路方面来，如导热性能接近氧化铍（BeO）线膨胀系数接近硅（Si）的新陶瓷材料—氮化铝（AlN），将成为功率集成电路封装结构的主体材料，从而大大地缩小了体积和改善了电路的性能，相信将来还会有更多的新材料参与到这一领域中来，使功率集成电路能进一步缩小体积。另外，采用氟利昂小型制冷系统对功率集成电路进行强制冷却，以降低其表面环境温度来解决封装的功耗，已在一些大型计算机中得到实现。这样在改变封装结构的外形设计、使用新的封装材料的同时，再改善外部冷却条件，那么集成电路的热性能就可取得更大的改善。

集成电路芯片封装技术浅谈 自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到 ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。 对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装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、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，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于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，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。 下面将对具体的封装形式作详细说明。 一、DIP封装 70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点: 1.适合PCB的穿孔安装; 2.比TO型封装(图1)易于对PCB布线; 3.操作方便。 DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)，如图2所示。 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。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。 二、芯片载体封装 80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，封装结构形式如图3、图4和图5所示。 以焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是: 1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线; 2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用; 3.操作方便; 4.可靠性高。 在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。 三、BGA封装 90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。如图6所示。 BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有: 引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率; 2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能: 3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上; 4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高; 5.组装可用共面焊接，可靠性高; 封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大; Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。 四、面向未来的新的封装技术 BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。 Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装具有以下特点: 1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要; 2.解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题; 3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。 曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有: 1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化; 2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3; 3.可靠性大大提高。 随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。 随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。