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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=3×3/15.24×50=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0.5mm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=1：7.8，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: 1.I/O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; 6.BGA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0.5mm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=1:1.1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。

2018年4月17日凌晨，美国商务部宣布，将禁止美国公司向中兴通讯销售零部件、商品、软件和技术7年，直到2025年3月13日。该消息一出，在我国国内引起了轩然大波，上至中国政府，下至普通百姓都深刻意识到，中国自行设计、制造芯片已刻不容缓。一块指甲盖大小的芯片，如今已成为全球企业竞争、 科技 比拼的重要筹码。 同年，还在美国密歇根大学攻读博士的叶茂在导师推荐下，开始独立负责一门研究生课程，主讲芯片集成纳米制造技术。看着教室里不同肤色、不同国家的学生，想到闹得沸沸扬扬的中国芯片被美国“卡脖子”事件，站在讲台上传授芯片集成纳米制造技术的叶茂，心中越来越不是滋味。在密歇根冰天雪地的深夜里，有一个想法在他的脑袋里冒了出来：“我或许可以做点什么”。 当这个想法越来越多地出现后，叶茂开始为回国做准备了。“我就在想，我既然掌握着芯片集成纳米制造这门技术，为什么要留在美国给外国学生讲呢，我应该回到国内去，给国内的学生讲这些知识。”几次辗转奔波之后，2020年，叶茂正式加入北京航空航天大学。 春寒料峭，市场的需求，政策的加持，科研的创新……在“中国芯”迎来绝地反击的“春天”里，叶茂就此蓄势发力，向着更多的可能全力奔跑。 即便已经跨入而立之年，叶茂的身上仍保持着最初的那种纯粹：无畏无惧，一往无前；随心而行，随遇而安。 2007年，叶茂考进华中 科技 大学材料科学与工程学院。在大学期间，叶茂并不算一个特别勤奋和“听话”的学生，他在学习上的动力大多来源于兴趣，喜欢做什么就去做什么。有一天，他突然萌生了“想出国去看一看”的想法，于是就自己准备出国考试（托福和GRE），并拿到了奖学金，去了美国密歇根大学攻读机械工程硕士。 叶茂的硕士导师是一个印度人，在美国密歇根大学有着举足轻重的影响力和地位。叶茂来到他的门下时，获得了一份研究工作，以此可以全免学费同时还有一份科研助理的工资，是很好的待遇。叶茂问导师：“我的成绩不是最好的，简历也不是最漂亮的，这么好的待遇为什么给我呢？” 叶茂的导师回答说，因为他觉得叶茂在这项研究上很有自己的想法。在去美国之前，叶茂已经和导师有过一些交流，在交流中，针对一些研究上的问题，他给出了多种解决方案，自此给他的导师留下了深刻的印象。“他觉得这是我很大的一个亮点。”跟随硕士生导师，叶茂从事了利用纳米生物材料仿生骨支架的相关工作，并取得了一系列成果。 2014年，叶茂硕士毕业后原本打算直接工作。他坦言道：“我读博士其实是一件十分偶然的事情。”当时，叶茂刚刚找到工作，偶然在一次学术报告上碰到了刚来到密歇根大学工作的Yasha Yi教授，通过交流，两个人碰撞出了很多新的想法，然后他的博士生导师对他说：“我们或许可以实现它们（这些想法）”。就这样，叶茂放弃了到手的工作机会，选择继续在密歇根大学攻读电子与计算机工程博士。 叶茂的主要研究方向是芯片集成光电子器件与芯片集成纳米制造技术。简单来说，后者是为前者服务的，为了制造芯片集成光电器件，往往需要花大量的时间和精力在芯片集成纳米制造技术上面。自2014年起，叶茂就进入美国顶级（state of the art）大型芯片集成实验室劳瑞纳米加工技术实验室（Lurie Nano Fabrication Facility）学习基于硅基材料的纳米制造和芯片集成技术，并在之后的研究工作中逐渐掌握了这项技术。 在国外的学习期间，叶茂主要围绕可见光波段光学超构表面和超构透镜、医用闪烁体的光抓取纳米结构及芯片集成激光雷达光学相控阵（OPA）器件等方面进行了深入系统研究，取得了若干国际领先的重要成果。 叶茂开发了基于大折射率富硅基氮化硅的超构透镜设计与制造工艺体系，突破了可对抗刻蚀延迟的超构透镜和无色散超构透镜设计技术，解决了可见光波段光学超构表面和超构透镜制造难度大、成本高及存在色散等难题，研制了基于可见光波段的光栅结构超构透镜、线偏振超构透镜和具有聚焦结构的超构透镜等集成光子学器件；他开发了可用于医用闪烁体材料的光抓取纳米结构，极大地提高了常规医用闪烁体的发光效率；针对芯片集成激光雷达中的核心偏光组件，他提出了基于光学相位矩阵（OPA）和光学超构表面相结合的非机械式可控偏光方案，可极大地减小激光雷达的体积、重量和成本。相关成果已在领域内知名学术期刊发表论文20余篇，授权国际专利1项。 其中叶茂研发的可设计聚焦结构的光学方法被世界知名 科技 评论《麻省理工 科技 评论》（ MIT Technology Review ）专题报道，并指出了此技术在未来芯片光刻行业具有重要应用前景（文章题目为“为什么超构透镜即将为芯片制造业带来革命”“Why metalens are about to revolutionize chip-making”）。 在国外学习和研究多年，叶茂与导师之间的关系更像是朋友和合作伙伴，这种关系一直维持到现在。叶茂说，他和他的博士生导师都是十分理想主义的人，总想着可以做出一些东西去改变世界。因此，他们的研究十分务实，往往会考虑一些前沿技术在工业界大规模应用的可行性，比如研发比较前沿的超透镜时要去研究如何降低成本，以实现大规模生产。 在与导师及其他老师的不断交流中，叶茂越来越坚定这种价值认知：做出好的成果不是为了发论文，不是为了功与名，而是为了去改善人们的生活，让这个世界变得更好。“我们一直在朝着这个目标前进，我们在做出成果时，往往第一时间就会想到，这个能不能得到应用？跟同行业相比，它的优势在哪里？我们做研究最终的目的一定是让科研成果惠及人类，惠及世界。”叶茂说道。 就像是一场修行，叶茂在美国不断汲取知识，增长见识，提升能力，迅速成长为芯片制造行业内的知名青年学者。他表示：“芯片集成纳米制造工艺的开发是非常费精力的，但是当你亲手制造出40纳米、20纳米的结构及器件后，你了解了芯片制造工艺的每一个细节，这都是非常宝贵的经验。现在，回过头想一想，这是我在美国最大的收获之一。” 即便已经在国外打下了一片自己的天地，但是叶茂回国就职的道路依然不是顺遂的。 在美国待了7年多，叶茂不认识国内学术界任何人，只能在网上搜索求职，海投简历。好在当时国内很多学校都有海外青年论坛，一些高校对叶茂热情地发出了邀约。于是，在2018年短暂的圣诞假期，他回国一次性跑了4所高校。但这不是一次成功的旅程，相比于叶茂拿出的一些纳米制造技术和器件成果，他当时碰到的老师们似乎对简历上论文的影响因子更感兴趣。那年的冬天，他第一次知道还有论文分区这回事。 也曾有人劝叶茂先在一些高影响因子的期刊多发几篇论文，再以此为台阶回国就业。思考过后，叶茂拒绝了。“我或许可以这么做，但这并不是我做研究的初心，研究成果的价值在于它是否能推进其所在领域的进步。我觉得能真正解决问题，能真正可以应用上的研究就是好的研究。”即便2018年的那次短暂回归没什么收获，但叶茂仍然坚持回国的想法。博士毕业后，他继续做了一年的博士后研究，将之前没有完成的工作完成，并于2019年年底又回到了国内。 这一次，叶茂遇到了懂他的“伯乐”——房建成院士。在经过一番深入的交流之后，房建成院士对他说：“你的研究做得不错，我们很需要你这样的做芯片集成光电子器件与纳米制造技术方面的人才。相比论文我们更看重能实际应用的成果，能解决问题，能真正有用且好用就行。”就这样，叶茂加入了北京航空航天大学，任副研究员。 “做研究，需要找到志同道合的人，我跟房院士的想法很一致，就是做出实际有用的东西。相比发文章，我们更在乎的是能不能把芯片集成事业做起来，在自己的领域制造出中国自己的芯片并付诸产业化，改变芯片工业的格局，使中国的芯片事业追上，甚至超赶美国。”叶茂说道。 相比于芯片的设计，芯片的制造才是制约我国芯片集成事业发展的关键“短板”。如何将光电子器件进行芯片化，做得那么小的同时还降低成本，有完善的功能、好的性能、高的良品率，是一个较大的难题，而叶茂就为了解决这个难题而归。 利用多年来在芯片集成光电子器件领域的研究积累，面向国家对关键测量与导航仪器的发展需求，叶茂回国后立即开展了芯片集成量子精密测量器件理论方法与制造技术研究工作，主要包括芯片集成原子磁强计、芯片集成原子陀螺仪、功能型光学超构表面技术、面向商用的平面集成光学超构透镜等，致力于为我国在短时间内实现核心关键光电子芯片技术的突破提供强大的技术支撑。同时，叶茂还依托国家重大科研项目的开展进行了相关平台建设和教学工作。 从事科研成果多年，叶茂鲜少有负面情绪的时候。回顾自己一路走来，他说：“有问题就解决问题，我其实没有那么多时间和精力去解决情绪上的事情。” 在美国时，虽然叶茂所在团队的资源不少，但是团队的人却很少，只有他和他的师弟两个博士。那些年，就是他们两个人完成了一项又一项科学研究。在芯片集成光电子器件的制作过程会出现各种各样的问题。但是叶茂和他的师弟没有一句怨言，只是埋头工作，最终完成了多项具有严格工程指标的科研任务。“其实，我们并没有觉得很累，就是一方面有计划地去做研究，另一方面发散思维多想办法，多尝试。我们没有时间去想：这个好难，做不出来怎么办？或者说，这个太难了，不想做了。这不可能，我们既然开始做了，就一定要做出来，而且要做好。” 回国时，虽然一开始没有得到认可，但是叶茂从未想过放弃。他想的还是：什么问题都是可以解决的，只要我把成果做出来，且能用上，总有一天会有人认可的。正是这样的乐观、坚韧的精神造就了现在的叶茂。 基于原子无自旋交换弛豫（SERF）效应的原子磁强计是目前最高精度的磁场测量传感器，其理论精度可达亚飞特量级，是目前战略磁测量与医学生物磁测量设备中的核心器件。原子磁强计的芯片化将极大地缩小目前器件体积（从传统的厘米级缩小至毫米甚至微米级），降低功耗和成本，是未来高精度、微型化、阵列式量子磁传感器件的必经之路。多种军用以及医疗装备如微型量子导航系统、微型深海探潜系统、高分辨脑磁成像装置和体内介入式生物磁测量设备等，都对原子磁强计的芯片化提出了迫切需求。 2014年美国桑迪亚国家实验室受美国国家卫生研究院（NIH）和美国能源部核安全部门（DOE-NNSA）等多家单位的支持，开启了微型芯片化SERF原子磁强计阵列（OPM）原理样机的研制。此外美国国家标准技术研究所（NIST）获得美国策略环境与发展研究计划（SERDP）资助，于近年开发了适用于芯片集成制造方法的垂直键合式原子磁强计原理样机，率先开始了芯片集成原子磁强计的研究。同时，我国也在“十四五”规划中明确提出了对芯片集成量子精密测量器件的迫切需求。而对原子磁强计进行芯片化的核心就是解决芯片集成原子磁强计中光子学操控与耦合的问题，这是一项微纳光子学、芯片集成纳米制造和量子精密测量多学科交叉的卡脖子问题。 为解决这一技术难题，叶茂申请了自然科学基金青年科学基金项目“芯片化原子磁强计中集成光子学操控与耦合问题的研究”。在项目研究中，他将 探索 芯片级微小型原子磁强计中的精准光学操控方法、光/量子耦合机制，在此基础之上开发用于芯片化原子磁强计的集成光子学操控与耦合方案，最后结合微型原子系综进行集成光/量子耦合极弱磁测量实验，以期为实现芯片集成原子磁强计从无到有的突破奠定基础。 芯片集成原子磁强计中光子学操控与耦合问题的解决，是突破现有瓶颈，开发高精度、阵列式、集成化精密量子测量系统的第一步，更是实现国家“十四五”规划纲要提出迫切需求的高分辨脑磁成像、深海/深地磁探测，以及芯片化量子测量系统所要解决的核心问题。 在更加贴近人们生活的应用方面，叶茂也提道：“举个例子，我们的手机里面有陀螺仪传感器，虽然对于人们的生活已经够用了，但是其实还没有到很理想的状态。如果把量子陀螺仪做到芯片化，那手机的导航定位会更加灵敏和精确。目前，大部分自动驾驶系统依靠激光雷达作为核心测距传感器，但现在的雷达还是比较大，只能放在车顶，如果做到芯片化，不但可以减小体积，更重要的是降低成本，这样一辆车上可以安装多个不同维度扫描的芯片集成激光雷达，从而使自动驾驶更加精确和安全。” 目前，相关的工作正在有序进行当中。叶茂表示，饭要一口一口吃，路也要一步一步走。制造中国自己的芯片不是一蹴而就的，但他愿意为了这个目标不懈努力。 除此之外，叶茂以全美顶级的芯片集成超净间实验室劳瑞纳米加工技术实验室为模板，致力于建造芯片集成超净间实验室体系。芯片集成超净间实验室是微结构微系统方向重要的实验制造平台，它对未来整个电子、电气、机械、材料、生物和光学等学科可以起到重要的支撑作用。不过，平台的建设是一个长期的项目，初期的目标是以建设百级的超净间和气体净化内循环体系，人员管理和使用体系为主。5年的预期目标是可以在实验室里自行制造超越我国目前工业芯片精度的纳米结构。 “回国后，我发现国内的芯片发展已经热了。如雨后春笋般，很多制造芯片的实验室也都搭建起来了。但是，相对的，国内缺少专业的设备调试、维护及工艺开发等相关人才。”虽然实验室的建设已经提上日程，但在前期的研究当中，叶茂提出暂时使用国内建设的公共纳米制造平台。他说：“因为国家在建造芯片制造实验室方面已经花了很多钱了，我们要充分地利用好它们。相比于欧美一些成熟实验室，它们可能没有足够的工艺积累，但设备还是很好的。我们可以进行合作，利用海外的工艺经验一起开展研究攻关，提升精度，达到一个利益最大化。” 同时，叶茂也表示，为了技术的自主可控，肯定要建立自己的实验室，但是在这之前，首先要培养或引进一批相关的人才，等搭建好成熟的人才储备与管理体系，才能更好地助力实验平台的建设。 在北京航空航天大学，叶茂拟开设全英文芯片集成纳米制造课程。这门课程目前在国内学校还比较少见，即便在美国，也只有条件优秀的几所大学开设了。然而整个工业界对于电子和光学器件的趋势都在往小型化、微型化方面发展，因此芯片集成纳米制造技术不光是用来制造芯片，更是制造多种功能的新型纳米结构/器件的必经之路。这项技术在未来必然会越来越普及。依托在美国教授这门课程的经验，叶茂希望通过开设这门课程，使国内学生更加了解这项技术，为我国培养更多的芯片集成纳米制造方面的人才。 对于自己的学生，叶茂有着自己的要求和期望。一是，他希望学生拥有一颗强大的内心，不能因为研究工作难而回避，甚至放弃，要有百折不挠的精神；二是，他希望学生可以将研究的过程变快乐一点，去享受科研的过程。“经验是最宝贵的财富，哪怕这个事情你最终没有做出来，但是过程中已经积累了很多宝贵经验。如果你不去尝试，不去 探索 ，怎么可能会获得经验呢？我还是那句话，有问题解决问题，不要去逃避，不要放弃，要有把它干成的精神。” 打篮球，学习吉他，跟着短视频练就一手好厨艺……工作之余的叶茂也很认真地在生活。无论是工作，还是生活，他保持着自己的节奏，不骄不躁。对于未来，叶茂不做过多设想，也不会因为未知而焦虑，于他而言，唯一明确要做的事情，就是把握当下、拼搏努力，全身心投入到自己热爱的科研事业里。

意味着尽早尽快地为我们国家培养和积累更多的芯片研发技术人才。中美摩擦和伴随华为被美国的禁令封杀，整个半导体领域技术封锁越来越明显，领域内80%以上人才都在学业有成后选择去美国就业发展，留给中国内地的芯片设计和研究人才仅有4%，而在美国禁令压制和出口管制的封锁下，华为在美国硅谷的芯片设计和研究团队也无法将技术输送回中国，这意味着如果封锁进一步升级未来我们真的会面临无人可用的境地。

《半导体器件应用》电子刊，主办单位：大比特资讯机构（big-bit）承办单位：半导体器件应用网这个是跟半导体相关的，看看用不用得着。