半導(dǎo)體封裝技術(shù)
本文主要講半導(dǎo)體封裝技術(shù)，電子封裝是集成電路芯片生產(chǎn)完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)對微電子產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為，在微電子器件的總體成本中，設(shè)計占了三分之一，芯片生產(chǎn)占了三分之一，而封裝和測試也占了三分之一，真可謂三分天下有其一。
什么是封裝
半導(dǎo)體封裝技術(shù)，先看看封裝最初的定義是保護電路芯片免受周圍環(huán)境的影響（包括物理、化學(xué)的影響）。
芯片封裝是利用（膜技術(shù)）及（微細加工技術(shù)），將芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的工藝。
電子封裝工程：將基板、芯片封裝體和分立器件等要素，按電子整機要求進行連接和裝配，實現(xiàn)一定電氣、物理性能，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓麢C或系統(tǒng)形式的整機裝置或設(shè)備。
集成電路封裝能保護芯片不受或者少受外界環(huán)境的影響，并為之提供一個良好的工作條件，以使集成電路具有穩(wěn)定、正常的功能。
芯片封裝能實現(xiàn)電源分配；信號分配；散熱通道；機械支撐；環(huán)境保護。
半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展階段詳解
從Foundry廠得到圓片進行減薄、中測打點后，即可進入后道封裝。封裝對集成電路起著機械支撐和機械保護、傳輸信號和分配電源、散熱、環(huán)境保護等作用。
隨著集成電路的迅速發(fā)展，IC封裝技術(shù)也隨著提高，IC行業(yè)應(yīng)用需求越來越大，集成度也越來越高，技術(shù)指標一代比一代先進，芯片面積與封裝面積比例越來越接近1，電器性能以及可靠性也逐漸提高，體積更加小型化和薄型化。
半導(dǎo)體行業(yè)對芯片封裝技術(shù)水平的劃分存在不同的標準，目前國內(nèi)比較通行的標準是采取封裝芯片與基板的連接方式來劃分，總體來講，集成電路封裝封裝技術(shù)的發(fā)展可分為四個階段：
第一階段：20世紀80年代以前（插孔原件時代）
封裝的主要技術(shù)是針腳插裝（PTH），其特點是插孔安裝到PCB上，主要形式有SIP、DIP、PGA，它們的不足之處是密度、頻率難以提高，難以滿足高效自動化生產(chǎn)的要求。
TO（晶體管外形封裝）
TO是晶體管外形封裝，一類是晶體管封裝類，這種能夠使引線被表面貼裝，另一類是圓形金屬外殼封裝無表面貼裝部件類。這種封裝應(yīng)用很廣泛，很多三極管、MOS管、晶閘管等均采用這種封裝。
DIP（雙列封裝）
DIP封裝也叫雙列直插式封裝或者雙入線封裝，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100，采用這種封裝方式的芯片有兩排引腳，可以直接焊在有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上或焊在有相同焊孔數(shù)的焊位中。其特點是可以很方便地實現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。包括CerDIP（陶瓷雙列直插式封裝）、PDIP（塑封）。
SIP（單列直插封裝）
單列直插式封裝引腳從封裝一個側(cè)面引出，排列成一條直線。通常它們是通孔式的，引腳從封裝一個側(cè)面引出，排列成一條直線。當裝配到印刷基板上時封裝呈側(cè)立狀。引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從2 至23，多數(shù)為定制產(chǎn)品。封裝的形狀各異。
PGA（引腳柵陣列）
陳列引腳封裝。插裝型封裝之一，其底面的垂直引腳呈陳列狀排列。封裝基材基本上都采用多層陶瓷基板。用于高速大規(guī)模邏輯LSI電路。管腳在芯片底部，一般為正方形，引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從64到447左右。一般有CPGA（陶瓷針柵陣列封裝）以及PPGA（塑料針柵陣列封裝）兩種。
第二階段：20世紀80年代中期（表面貼裝時代）
表面貼裝封裝的主要特點是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節(jié)距為1.27到0.4mm，適合于3-300條引線，表面貼裝技術(shù)改變了傳統(tǒng)的PTH插裝形式，通過細微的引線將集成電路貼裝到PCB板上。主要形式為SOP（小外型封裝）、PLCC（塑料有引線片式載體）、PQFP（塑料四邊引線扁平封裝）、J型引線QFJ和SOJ、LCCC（無引線陶瓷芯片載體）等。
它們的主要優(yōu)點是引線細、短，間距小，封裝密度提高；電氣性能提高；體積小，重量輕；易于自動化生產(chǎn)。它們所存在的不足之處是在封裝密度、I/O數(shù)以及電路頻率方面還是難以滿足ASIC、微處理器發(fā)展的需要。
SOP（小型封裝）
SOP封裝是一種元件封裝形式，常見的封裝材料有:塑料、陶瓷、玻璃、金屬等，現(xiàn)在基本采用塑料封裝.，應(yīng)用范圍很廣，主要用在各種集成電路中。后面就逐漸有TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP）、
MSOP（微型外廓封裝）、 QSOP（四分之一尺寸外形封裝）、QVSOP（四分之一體積特小外形封裝）等封裝。
LCC（帶引腳或無引腳芯片載體）
帶引腳的陶瓷芯片載體，表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝的四個側(cè)面引出，是高速和高頻IC用封裝，也稱為陶瓷QFN或QFN－C。有CLCC（翼形引腳）、LDCC、PLCC。
QFP （四方扁平封裝）
這種封裝是方型扁平式封裝，一般為正方形，四邊均有管腳，采用該封裝實現(xiàn)的CPU芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。因其其封裝外形尺寸較小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應(yīng)用。這類封裝有：CQFP（陶瓷四方扁平封裝）、 PQFP（塑料四方扁平封裝）、SSQFP（自焊接式四方扁平封裝）、TQFP（纖薄四方扁平封裝）、SQFP（縮小四方扁平封裝）。
第三階段：20世紀90年代出現(xiàn)了第二次飛躍，進入了面積陣列封裝時代
該階段主要的封裝形式有焊球陣列封裝（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）、無引線四邊扁平封裝（PQFN）、多芯片組件（MCM）。BGA技術(shù)使得在封裝中占有較大體積和重量的管腳被焊球所替代，芯片與系統(tǒng)之間的連接距離大大縮短，BGA技術(shù)的成功開發(fā)，使得一直滯后于芯片發(fā)展的封裝終于跟上芯片發(fā)展的步伐。CSP技術(shù)解決了長期存在的芯片小而封裝大的根本矛盾，引發(fā)了一場集成電路封裝技術(shù)的革命。
MCM（多芯片組件）
其實這是一種芯片組件，是一種最新技術(shù)，它是將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線基板上的一種封裝技術(shù)，因此它省去了IC的封裝材料和工藝，從而節(jié)省了材料，同時減少了必要的制造工藝，因此嚴格的是一種高密度組裝產(chǎn)品。
CSP （芯片規(guī)模封裝）
CSP封裝是一種芯片級封裝，我們都知道芯片基本上都是以小型化著稱，因此CSP封裝最新一代的內(nèi)存芯片封裝技術(shù)，可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14，已經(jīng)相當接近1:1的理想情況，被行業(yè)界評為單芯片的最高形式，與BGA封裝相比，同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高三倍。這種封裝特點是體積小、輸入/輸出端數(shù)可以很多以及電氣性能很好，有CSP BGA(球柵陣列)、LFCSP（引腳架構(gòu)）、LGA（柵格陣列）、WLCSP（晶圓級）等。
BGA （球柵陣列）
球形觸點陣列，表面貼裝型封裝之一。在印刷基板的背面按陳列方式制作出球形凸點用以代替引腳，在印刷基板的正面裝配LSI 芯片，然后用模壓樹脂或灌封方法進行密封。也稱為凸點陳列載體(PAC)。BGA主要有：PBGA（塑料封裝的BGA）、CBGA（陶瓷封裝的BGA）、CCBGA（陶瓷柱狀封裝的BGA）、TBGA（載帶狀封裝的BGA）等。目前應(yīng)用的BGA封裝器件, 按基板的種類，主要CBGA（陶瓷球柵陣列封裝）、 PBGA（塑料球柵陣列封裝）、TBGA（載帶球柵陣列封裝）、FC-BGA（倒裝球柵陣列封裝）、EPBG（增強的塑膠球柵陣列封裝）等。
第四階段：進入21世紀，迎來了微電子封裝技術(shù)堆疊式封裝時代，它在封裝觀念上發(fā)生了革命性的變化，從原來的封裝元件概念演變成封裝系統(tǒng)。
3D晶片堆疊技術(shù)
堆疊式存儲模塊
目前，以全球半導(dǎo)體封裝的主流正處在第三階段的成熟期，PQFN和BGA等主要封裝技術(shù)進行大規(guī)模生產(chǎn)，部分產(chǎn)品已開始在向第四階段發(fā)展。
半導(dǎo)體封裝技術(shù)的封裝工藝流程
1.封裝工藝流程 一般可以分為兩個部分，用塑料封裝之前的工藝步驟成為前段操作，在成型之后的工藝步驟成為后段操作。
2.芯片封裝技術(shù)的基本工藝流程 硅片減薄 硅片切割 芯片貼裝，芯片互聯(lián) 成型技術(shù) 去飛邊毛刺 切筋成型 上焊錫打碼等工序。
3.硅片的背面減薄技術(shù)主要有磨削，研磨，化學(xué)機械拋光，干式拋光，電化學(xué)腐蝕，濕法腐蝕，等離子增強化學(xué)腐蝕，常壓等離子腐蝕等。
4.先劃片后減薄：在背面磨削之前將硅片正面切割出一定深度的切口，然后再進行背面磨削。
5.減薄劃片：在減薄之前，先用機械或化學(xué)的方式切割處切口，然后用磨削方法減薄到一定厚度之后采用ADPE腐蝕技術(shù)去除掉剩余加工量實現(xiàn)裸芯片的自動分離。
6.芯片貼裝的方式四種：共晶粘貼法，焊接粘貼法，導(dǎo)電膠粘貼法，和玻璃膠粘貼法。
共晶粘貼法：利用金-硅合金（一般是69%Au,31%的Si），363度時的共晶熔合反應(yīng)使IC芯片粘貼固定。
7.為了獲得最佳的共晶貼裝所采取的方法，IC芯片背面通常先鍍上一層金的薄膜或在基板的芯片承載座上先植入預(yù)芯片。
8.芯片互連常見的方法有，打線鍵合，載在自動鍵合（TAB）和倒裝芯片鍵合。
9.打線鍵合技術(shù)有，超聲波鍵合，熱壓鍵合，熱超聲波鍵合。
10.TAB的關(guān)鍵技術(shù)：1芯片凸點制作技術(shù)2TAB載帶制作技術(shù)3載帶引線與芯片凸點的內(nèi)引線焊接和載帶外引線焊接技術(shù)。
11.凸點芯片的制作工藝，形成凸點的技術(shù):蒸發(fā)/濺射涂點制作法，電鍍凸點制作法置球及模板印刷制作，焊料凸點發(fā)，化學(xué)鍍涂點制作法，打球凸點制作法，激光法。
12.塑料封裝的成型技術(shù)，1轉(zhuǎn)移成型技術(shù)，2噴射成型技術(shù)，3預(yù)成型技術(shù)但最主要的技術(shù)是轉(zhuǎn)移成型技術(shù)，轉(zhuǎn)移技術(shù)使用的材料一般為熱固性聚合物。
13.減薄后的芯片有如下優(yōu)點：
1、薄的芯片更有利于散熱；
2、減小芯片封裝體積；
3、提高機械性能、硅片減薄、其柔韌性越好，受外力沖擊引起的應(yīng)力也越小；
4、晶片的厚度越薄，元件之間的連線也越短，元件導(dǎo)通電阻將越低，信號延遲時間越短，從而實現(xiàn)更高的性能；
5、減輕劃片加工量減薄以后再切割，可以減小劃片加工量，降低芯片崩片的發(fā)生率。
14. 波峰焊：波峰焊的工藝流程包括上助焊劑、預(yù)熱以及將PCB板在一個焊料波峰上通過，依靠表面張力和毛細管現(xiàn)象的共同作用將焊劑帶到PCB板和元器件引腳上，形成焊接點。 波峰焊是將熔融的液態(tài)焊料，借助于泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，裝了元器件的PCB置于傳送鏈上，經(jīng)某一特定的角度以及一定的進入深度穿過焊料波峰而實現(xiàn)焊點的焊接過程。
再流焊：是通過預(yù)先在PCB焊接部位施放適量和適當形式的焊料，然后貼放表面組裝元器件，然后通過重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤上的焊膏，實現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的一種成組或逐點焊接工藝。
15.打線鍵合（WB）：將細金屬線或金屬帶按順序打在芯片與引腳架或封裝基板的焊墊上形成電路互連。打線鍵合技術(shù)有超聲波鍵合、熱壓鍵合、熱超聲波鍵合。載帶自動鍵合（TAB）：將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區(qū)用具有引線圖形金屬箔絲連接的技術(shù)工藝。倒裝芯片鍵合（FCB）：芯片面朝下，芯片焊區(qū)與基板焊區(qū)直接互連的一種方法。
16. 芯片互連：將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區(qū)相連接，只有實現(xiàn)芯片與封裝結(jié)構(gòu)的電路連接才能發(fā)揮已有的功能。
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