【文章內(nèi)容簡介】 且與每個家庭的現(xiàn)代化也息息相關(guān)。目前，微電子封裝技術(shù)已涉及各類材料、電子、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、可靠性等多種學(xué)科，成為越來越受到重視，并與集成電路芯片同步發(fā)展 的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 3 集成電路的發(fā)展 歷程 IC 封裝歷史始于 30 多年前。當(dāng)時采用金屬和陶瓷兩大類封殼，它們曾是電子工業(yè)界的“轅馬”，憑其結(jié)實、可靠、散熱好、功耗大、能承受嚴(yán)酷環(huán)境條件等優(yōu)點，廣泛滿足從消費類電子產(chǎn)品到空間電子產(chǎn)品的需求。但它們有諸多制約因素，即重量、成本、封裝密度及引腳數(shù)。最早的金屬殼是 TO 型，俗稱“禮帽型” ；陶瓷殼則是扁平長方形。 大約在 20 世紀(jì) 60 年代中期，仙童公司開發(fā)出塑料雙列直插式封裝（ PDIP），有 8 條引線。隨著硅技術(shù)的發(fā)展，芯片尺寸愈來愈大 ，相應(yīng)地封殼也要變大。到 60 年代末，四邊有引線較大的封裝出現(xiàn)了。那時人們還不太注意壓縮器件的外形尺寸，故 而大一點的封殼也可以接受。但大封殼占用 PCB 面積多，于是開發(fā)出引線陶瓷芯片載體 （ LCCC）。 1976 年～ 1977 年間，它的變體即塑料有引線載體（ PLCC）面世，且生存了約 10 年，其引腳數(shù)有 16 個～ 132 個。 20 世紀(jì) 80 年代中期開發(fā)出的四方型扁平封裝 （ QFP）接替了 PLCC。當(dāng)時有凸緣 QFP（ BQFP）和公制 MQFP（ MQFP）兩種。但很快 MQFP 以其明顯的優(yōu)點取代了 BQFP。其后相繼出現(xiàn)了多種改進型， 如薄型 QFP（ TQFP） 、細引腳間距 QFP（ VQFP） 、縮小型 QFP（ SQFP） 、塑料 QFP（ PQFP）、 金屬 QFP(MetalQFP)、載帶 QFP（ TapeQFP） 等。這些 QFP 均適合表面貼裝。但這種結(jié)構(gòu)仍占用太多的 PCB 面積，不適應(yīng)進一步小型化的要求。因此，人們開始注意縮小芯片尺寸，相應(yīng)的封裝也要盡量小。實際上， 1968 年～ 1969 年，菲利浦公司就開發(fā)出小外形封裝 （ SOP） 。以后逐漸派生出 J 型引腳小外型封裝 （ SOJ） 、薄小外形封裝 （ TSOP）、甚小外形封裝 （ VSOP） 、縮小型 SOP（ SSOP） 、薄的縮小 型 SOP（ TSSOP） 及小外形晶體管 （ SOT） 、小外型集成電路 （ SOIC） 等。這樣， IC 的塑封殼有兩大類：方型扁平型和小型外殼型。前者適用于多引腳電路，后者適用于少引腳電路。 隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，芯片的功能愈來愈強，需要的外引腳數(shù)也不斷增加，再停留在周邊引線的老模式上，即使把引線間距再縮小，其局限性也日漸突出，于是有了面陣列的新概念，誕生了陣列式封裝。 陣列式封裝最早是針柵陣列 （ PGA） ，引腳為針式。將引腳形狀變通為球形凸點，即有球柵陣列 (BGA） ；球改為柱式就是柱柵陣列 (CGA） 。后來更有載帶 BGA(TBGA） 、金屬封裝BGA(MBGA） 、陶瓷 BGA(CBGA） 、倒裝焊 BGA(FCBGA） 、塑料 BGA(PBGA） 、增強型塑封BGA(EPBGA） 、芯片尺寸 BGA(D2BGA） 、小型 BGA(MiniBGA） 、微小型 BGA(MicroBGA） 及可控塌陷 BGA(C2BGA)等。 BGA 成為當(dāng)今最活躍的封裝形式。 歷史上，人們也曾試圖不給 IC 任何封裝。最早的有 IBM 公司在 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)的 C4（可控塌陷芯片連接）技術(shù)。以后有板上芯片 (COB） 、柔性板上芯片 (COF） 及芯片上引線 (LOC） 等。但裸芯片 面臨一個確認優(yōu)質(zhì)芯片 （ KGD） 的問題。因此，提出了既給 IC 加上封裝又不增加多少“面積”的設(shè)想， 1992 年日本富士通首先提出了芯片尺寸封裝 (CSP)概念。很快引起國際上的關(guān)注，它必將成為 IC 封裝的一個重要熱點。 另一種封裝形式是貝爾實驗室大約在 1962年提出，由 IBM付諸實現(xiàn)的帶式載體封裝 （ TCP） 。它是以柔性帶取代剛性板作載體的一種封裝。因其價格昂貴、加工費時，未被廣泛使用。 上述種類繁多的封裝，其實都源自 20 世紀(jì) 60 年代就誕生的封裝設(shè)想。推動其發(fā)展的因素一直是功率、重量、引腳數(shù)、尺寸、密度、電特性 、可靠性、熱耗散，價格等。 盡管已有這么多封裝可供選擇，但新的封裝還會不斷出現(xiàn)。另一方面，有不少封裝設(shè)計師及工程師正在努力以去掉封裝。當(dāng)然，這絕非易事，封裝將至少還得陪伴我們 20 年，直到真正實現(xiàn)芯片只在一個互連層上集成。 可以 粗略地歸納封裝的發(fā)展進程： ◆ 結(jié)構(gòu)方面 TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP ； ◆ 材料方面是金屬→陶瓷→塑料； ◆ 引腳形狀是長引線直插→短引線或無引線貼裝→球狀凸點； ◆ 裝配方式是通孔封裝→表面安裝→直接安裝。 PDIP/SOP/QFP 封裝 數(shù)十年來，芯片封裝技 術(shù)一直 跟著 IC 的發(fā)展而發(fā)展 ，一代 IC 就有對應(yīng)一代的封裝技術(shù)相配合 .而 SMT(Surface Mount Tectlfqology，表面組裝技術(shù) )的發(fā)展 .更加匆匆入芯片封裝技術(shù)不斷到達新的水平。六、七十年代的中、小型范圍 IC，曾大量使用 T0 型封裝，后來又開發(fā)出 DIP； 八十年代呈現(xiàn)了 SMT。對應(yīng)的 lC封裝形式開發(fā)出適于表面貼裝短引線或無引線的 LCCC、PLCC、 SOP 等構(gòu)造。在此基本上，經(jīng)十多年研制開發(fā)的 QFP(Quad Flat Package，扁平封裝 )不但解決了 LSl 的封裝問題。而且適于使用 SMT 在 PCB 或其他基板上表面貼裝。使 QFP 終于成為 SMT 主導(dǎo)電子作品并延續(xù)至今。 QFP 四面有歐翹狀引腳， I/O 引線數(shù)要比兩面有歐翹狀引腳 SOP 多得多。 為了適應(yīng)電路組裝密度的入一步提高。 QFP 的引腳間距目前已從 發(fā)鋪到了 O 3ram。由于引腳間距不斷縮小。 I/0 數(shù)不斷增添。封裝體積也不斷加大，給電路組裝出產(chǎn)帶來了許多災(zāi)題，導(dǎo)致成品率下降和組裝成本的提高。 另方面由于受器件引腳框架加工精度等制造技術(shù)的限制 .0 3mm 已是 QFP 引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。 引腳 用的 BGA/CSP/QFN 封裝 技術(shù)的發(fā) 展 毫不會由于上述難題就停滯不前，于是一種入步前輩的芯片封裝 BGA(Ball Grid )呈現(xiàn)來應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。它的 I/O 引線以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面 .引線間距大，引線長度短，這樣 BGA 清除了精細間距器件中由于引線而引起的共面度和翹曲的問題。 BGA 技術(shù)的長處是可增添 I/O 數(shù)和間距，清除 QFP 技術(shù)的高 I/0 數(shù)帶來的出產(chǎn)成本和可靠性問題。 NVIDIA 公司最新的 GeForce 圖形芯片 (GPU)體現(xiàn)了當(dāng)前工程技術(shù)的最 高造詣，相信望到芯片照片上那 1144 個焊球的人都會驚嘆不已。 BGA 一呈現(xiàn)便成為 CPU、圖形芯片、主板上南 /北橋芯片等高密度、高機能、多引腳封裝的最佳選擇。 概括起來，和 QFP 比擬， BGA 的長處主要有以下幾點： (1)I/O 引線間距大 (如 , 毫米 )，可容納的 I/O 數(shù)量大 (如 毫米間距的 BGA 在 25毫米邊長的面積上可容納 350 個 I/O，而 毫米間距的 QFP 在 40 毫米邊長的面積上只容納304 個 I/O)。 (2)封裝可靠性高 (不會破壞引腳 )。焊點缺陷率低 (1ppm/焊點 ),焊點穩(wěn)定。 (3)管腳水平面統(tǒng)一性較 QFP 簡單保證，由于焊錫球在 溶化以后能夠自動補償芯片與 PCB 之間的平面誤差。 (4)歸流焊時，焊點之間的張力發(fā)生良好的自對中后果，許可有 50％的貼片精度誤差。 (5)有較好的電特性，由于引線短，導(dǎo)線的自感和導(dǎo)線間的互感很低，頻率特性好。 (6)能與原有的 SMT 貼裝工藝和裝備兼容。原有的絲印機、貼片機和歸流焊裝備都可使用。 BGA 的興起和發(fā)鋪絕管解決了 QFP 面臨的難題。但它仍舊不能知足電子作品向更加小型、更多功能、更高可靠性對電路組件的要求，也不能知足硅集成技術(shù)發(fā)鋪對入一步提高封裝效力和入 一步接近芯片本征傳輸速率的要求，所以更新的封裝 CSP(Chip Size Package．芯片尺寸封裝 )又呈現(xiàn)了。它的英文含義是封裝尺寸與裸芯片一樣或封裝尺寸比裸芯片稍大。日本電子工業(yè)協(xié)會對 CSP 劃定是芯片面積與封裝尺寸面積之比大于 80％。 CSP 與 BGA 構(gòu)造基本一樣，不過錫球直徑和球中央距縮小了、更薄了，這樣在一樣封裝尺寸時可有更多的 I／ 0 數(shù)，使組裝密度入一步提高。能夠說 CSP 是縮小了的 BGA。 CSP 之所以受到極大關(guān)注，是由于它提供了比 BGA 更高的組裝密度。而比采取倒裝片的板極組裝密度低。但是它的組裝工藝 卻不像倒裝片所以龐雜，沒有倒裝片的裸芯片處置問題，基本上與 SMT 的組裝工藝相一致，而且能夠像 SMT 那樣入行預(yù)測和返工。恰是由于這些無法比擬的長處，才使 CSP 得以敏捷發(fā)鋪并入入適用化階段。目前日本有多家公司出產(chǎn) CSP。而且正越來越多地使用于移動電話、數(shù)碼錄像機、筆記本電腦等作品上。從 CSP 近幾年的發(fā)鋪趨勢來望， CSP 將取代 QFP 成為高 I／ O 引線 IC 封裝的主流。 近幾年來， QFN 封裝 (Quad Flat No— lead，方形扁平無引腳封裝 )由于具有良好的電和暖機能、體積小、重量輕，其使用正在快速增加。采取微型引 線框架的 QFN 封裝稱為 MLF 封裝 (Micro Lead Frame 一微引線框架 )， QFN 封裝和 CSP(Chip Size Package，芯片尺寸封裝 )有些相似，但元件底部沒有焊球。封裝底部中央位置有一個大面積袒露焊盤用來導(dǎo)暖，環(huán)繞大焊盤的封裝外圍周圍有實現(xiàn)電氣銜接的導(dǎo)電焊盤，如圖 5 所示。由于 QFN 封裝不像傳統(tǒng)的 SOIC 與 TSOP 封裝那樣具有鷗翼狀引線，內(nèi)部引腳與焊盤之間的導(dǎo)電路徑短，自感系數(shù)以及封裝體內(nèi)布線電阻很低，所以它能提供卓著的電機能。此外，它還通過外露的引線框架焊盤提供了杰出的散暖機能，該焊盤具有 直接散暖通道，用于釋放封裝內(nèi)的暖量。一般將散暖焊盤直接焊接在電路板上，而且 PCB 中的散暖過孔有助于將多余的功耗擴散到銅接地板中，從而接收多余的暖量。由于體積小、重量輕，加上杰出的電機能和暖機能，這種封裝特殊適合任何一個對尺寸、重量和機能都有要求的使用。咱們以 32 引腳 QFN 與傳統(tǒng)的 28 引腳 PLCC 封裝相 比為例，面積 (5mm 5mm)縮小了 84％，厚度 ()下降了 80％，重量 ()減輕了 95％，電子封裝寄生效應(yīng)也下降了 50％。所以非常適合使用在手機、數(shù)碼相機、 PDA 以及其它便攜小型電子裝備的高 密度印刷電路板上。圖 6 是一個 24 引腳 QFN 與一枚硬幣尺寸的比擬。 MCM 封裝 為了適應(yīng)目前電路組裝高密度要求，芯片封裝技術(shù)的發(fā)鋪正日新月異，各種新技術(shù)、新工藝層出不窮。最新呈現(xiàn)的 CSP 更是使裸芯片尺寸與封裝尺寸基原形近，這樣在一樣封裝尺寸時可有更多的 I/0 數(shù)。使電路組裝密度大幅度提高。 但是人們在使用中也發(fā)現(xiàn)。無論采取何種封裝技術(shù)后的裸芯片，在封裝后裸芯片的機能老是比未封裝的要差部分。于是人們對傳統(tǒng)的混合集成電路 (HlC)入行徹底的改變．提出了多芯片組件 (Multi Chip ModtJle，即 MCM)這種入步前輩的封裝模式。它把幾塊 IC 芯片或 CSP 組裝在一塊電路板上，構(gòu)勝利能電路板，就是多芯片組件 (如圖 7 所示的帶有八顆核心的 IBM Power 5處置器 )。 它是電路組件功能實現(xiàn)體系級的基本。跟著 MCM 的興起，使封裝的概念發(fā)生了實質(zhì)的調(diào)整，在 80 年代以前，所有的封裝是面向器件的，而 MCM 能夠說是面向部件的也許說是面向體系或整機的。 MCM 技術(shù)集入步前輩印刷電路板技術(shù)、入步前輩混合集成電路技術(shù)、入步前輩表面安裝技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)于一體，是典型的垂直集成技術(shù)，對半導(dǎo)體器件來說，它是典型的柔型 封裝技術(shù)，是一種電路的集成。 MCM 的呈現(xiàn)使電子體系實現(xiàn)小型化、模塊化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技術(shù)保障。 對 MCM 發(fā)鋪影響最大的莫過于 lC 芯片。由于 MCM 高成品率要求各類 lC 芯片都是良好 的芯片 (KGD)，而裸芯片無論是出產(chǎn)廠家仍是使用者都難以全面考試?yán)匣Y選，給組裝 MCM帶來了不肯定因素。 CSP 的呈現(xiàn)解決了 KGD 問題。 CSP 不但具有裸芯片的長處。還可象一般芯片一樣入行考試?yán)匣Y選，使 MCM 的成品率才有保證．大大匆匆入了 MCM 的發(fā)鋪和推廣使用。目前 MCM 已經(jīng)勝利地用于大型通用計算機和超級巨型機中。今后將 用于工作站、個人計算機、醫(yī)用電子裝備和汽車電子裝備等范疇。 1992 年至 1996 年 MCM 以 11． 1％的年遞增