集成电路封装技术.ppt

1、1 集成电路封装技术集成电路封装技术 清华大学清华大学 微电子所微电子所 贾松良贾松良 Tel:62781852 Fax:62771130 Email: jiasl 2005年年6月月12日日 2 目录 一、中国将成为世界半导体封装业的重要基地 二、IC封装的作用和类型 三、IC封装的发展趋势 四、IC封装的基本工艺 五、几种新颖封装BGA、CSP、WLP 六、封装的选择和设计 七、微电子封装缩略词 3 一、中国将成为世界半导体封装业的重要基地之一一、中国将成为世界半导体封装业的重要基地之一 1. 世界半导体工业仍在高速发展世界半导体工业仍在高速发展 2003 2004 16.827.4% 4

2、 2. 中国是目前世界上半导体工业发展最快的国家之一。 近几年的产值平均年增长率在30以上，世界10。 5 3. 中国国内半导体元器件的市场很大 中国已成为除美、日外，世界第三大 电子信息产品 制造国，2010年后为第二。 据美国半导体行业协会（SIA）预测： 中国电子产品的生产值将从2002年的 1300亿美元 上升到2006年的2520亿美元， 四年内将翻一番！ 元器件采购值四年内将增长约三倍： 从2002年的350亿美元 上升到2006年的1000亿美元 6 4. 中国是半导体器件的消费“大国”，生产 “小国”。 半导体器件生产发展的市场余地很大。 2000年中国消耗的半导体占世界半导体

3、市 场份额的6.9%, 生产的半导体只占世界产值的 1.2%;2004年占3.7； 2002年中国消耗的半导体占世界半导体市 场份额的14.4%, 生产的半导体只占世界产值的1.8%。 中国所消费的半导体产品中85%依靠进口。 广阔的市场、就地生产、降低成本、抢占 中国市场，及 2000年6月18号文件提供的优惠政策是吸 引外资、快速 发展中国半导体产业的主要因素。 7 5. 封装测试业已成为中国最大的半导体产业： 2003年：封装测试业产值占70 晶圆制造业产值占17 设计业产值占13 8 6. 2002年全球排名前十位的半导体公司大都将在年全球排名前十位的半导体公司大都将在 中国建立封装测

4、试厂中国建立封装测试厂 名名 次次 公司名公司名 销售额（亿美元）销售额（亿美元） 增长率增长率 2002年年 2001年年 2002年年 2001年年 1 1 Intel 上海 234.7 235.4 -0.3% 2 4 三星三星 苏州 91.8 61.4 49.5% 3 3 ST微电子微电子 深圳 63.1 63.6 -0.9% 4 5 TI 62.0 60.5 2.5% 5 2 东芝东芝 无锡 61.9 65.4 -5.5% 6 8 Infineon 苏州 53.6 45.6 17.5% 7 6 NEC 北京北京 52.6 53.0 -0.8% 8 7 Motorola 天津天津 47.

5、3 48.3 -2.0% 9 9 菲利浦菲利浦 苏州 43.6 44.1 -1.1% 10 10 日立日立 (瑞萨瑞萨) 苏州 40.5 42.4 -4.6% 9 7. 世界上一些著名封装厂也都来大陆建厂： 日月光（上海） 矽品科技（SPIL）（苏州） 飞索（苏州） Amkor（安考）（上海） 最近在成都将建三个大型封装测试厂 Intel、中芯国际，友尼森（Unisem） 10 8. 2004年大陆前十名产值的封装测试厂 排序 企业 销售收入（亿元） 1 飞思卡尔半导体 81.2 2 威讯联合半导体（北京） 25.976 3 瑞萨四通集成电路（北京） 18.873 4 英特尔（上海） 16.0

6、00 5 南通富士通微电子 14.485 6 四川乐山无线电（分立器件） 13.358 7 江苏长电科技 11.90 8 上海松下 8.58 9 深圳赛意法微电子 7.90 10 星科金朋（上海） 7.80 合计 193.44 11 9. 中国将进入世界半导体封装产业的第四或第二位 亚洲亚洲 日本日本 马来西亚马来西亚 台湾台湾 菲律宾菲律宾 中国大陆中国大陆 韩国韩国 20012001年年 90%90% 22.9%22.9% 1 1 17.6%17.6% 2 11.3%11.3% 4 4 11.5%11.5% 3 3 5.1%5.1% 7 7 10.2%10.2% 5 5 20062006年

7、年 91.3%91.3% 17.1%17.1% 1 1 17.0%17.0% 2 2 13.0%13.0% 3 3 11.0%11.0% 4 4 11.0%11.0% 4 4 10.5%10.5% 6 6 新加坡新加坡 香港香港 印尼印尼 泰国泰国 欧洲欧洲 美洲美洲 美国美国 20012001年年 7.5%7.5% 6 6 2.2%2.2% 1.1%1.1% 0.7%0.7% 3.2%3.2% 6.8%6.8% 3.9%3.9% 20062006年年 7.0%7.0% 7 7 2.0%2.0% 1.5%1.5% 1.2%1.2% 2.6%2.6% 6.1%6.1% 3.3%3.3% 世界半导

8、体封装业产值分布和产值名次排序 12 由上表可知：由上表可知： 半导体封装产业主要在东亚和东南亚。半导体封装产业主要在东亚和东南亚。 半导体封装产值最大的是日本和马来西亚。半导体封装产值最大的是日本和马来西亚。 2001年中国封装产值排在第七位，年中国封装产值排在第七位， 到到2006年有可能进入并列第四位。年有可能进入并列第四位。 13 二、集成电路（二、集成电路（IC）封装的作用和类型）封装的作用和类型 1IC封装的定义： 封装工艺封装工艺 IC的封装是微电子器件的两个基本组成部分之一： 芯片（管芯）+ 封装（外壳） 微电子器件 chip (die) package packaging d

9、evice 封装给管芯（芯片）和印制电路板（PWB）之间 提供电互连、机械支撑、机械和环境保护及导热 通道。 14 2. 封装的分级 零级封装： 芯片上的互连； 一级封装： 器件级封装； 二级封装： PCB (PWB)级封装； 三级封装： 分机柜内母板的组装； 四级封装： 分机柜。 我们这里讨论的封装是指“一级封装”， 即IC器件的封装。 15 器件 印制板 硅圆片 0级 1级 2级 3级 4级 5级 管芯 图1 常规组合的电路封装 16 3. 封装的基本功能： 电互连和线间电隔离 信号分配： 电源分配： 热耗散：使结温处于控制范围之内 防护：对器件的芯片和互连进行机械、 电磁、化学等方面的防

10、护 17 18 图2 封装的四种主要功能 19 4. IC封装的主要类型： IC的封装按照器件使用时的组装方式可分为： 通孔插装式 PTH （Pin through hole） 表面安装式 SMT （Suface mount technology） 目前表面安装式封装已占IC封装总量的 80%以上。 20 （6 7）% 按主要使用材料来分，有 裸芯片 金属封装 陶瓷封装 1 2 % 塑料封装 92 % 21 历史的发展过程：最早是金属封装，然后是陶瓷封装，历史的发展过程：最早是金属封装，然后是陶瓷封装， 最后是塑料封装。最后是塑料封装。 性能分：金属和陶瓷封装是气密封装，性能分：金属和陶瓷封装

11、是气密封装， 塑料封装是非气密或准气密封装；塑料封装是非气密或准气密封装； 金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条件”，如军用、宇金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条件”，如军用、宇 航等，而塑封只能用于“不太严酷”的环境；航等，而塑封只能用于“不太严酷”的环境； 金属、陶瓷封装是“空封”，封装不与芯片表面接触，塑金属、陶瓷封装是“空封”，封装不与芯片表面接触，塑 封是“实封”；封是“实封”； 金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路（金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路（HIC），）， 部分军品及需空封器件。部分军品及需空封器件。 22 按引线形状 无引线：焊点、焊盘 有引线： TH 直插 外

12、壳 芯片 23 L型 （翼型） J型 焊球 焊柱 扁平 I形（柱形） SMT 24 图3 一级封装的类型 25 IC封装的生命周期 图4 上世纪末集成电路封装的生命周期 26 目前世界上产量较多的几类封装 SOP 5557% PDIP 14% QFP (PLCC) 12% BGA 45% 27 三、三、IC封装的发展趋势封装的发展趋势 1 IC封装产量仍以平均45年一个增长周期在增长。 2000年是增长率最高的一年（+15%以上）。 2001年和2002年的增长率都较小。 半导体工业可能以“三年养五年” ！ 28 2003 2004 16.827.4% 图5 集成电路封装产量和年增长率发展趋势

13、 29 2. 技术发展趋势技术发展趋势 芯片封装工艺：芯片封装工艺： 从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片 划片成小管芯。划片成小管芯。 再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后 就成器件。就成器件。 芯片与封装的互连：从引线键合（芯片与封装的互连：从引线键合（WB）向倒装焊）向倒装焊 （FC）转变。）转变。 微电子封装和微电子封装和PCB板之间的互连：板之间的互连： 已由通孔插装已由通孔插装(PTH)为主转为表面安装（为主转为表面安装（SMT）为主。）为主。 30 封装密度正愈来愈高 封装密度的提

14、高体现在下列三方面： 硅片的封装效率 = 硅芯片面积/封装所占印制板面积 = Sd/Sp不断提高（见表1）； 封装的高度不断降低（见表2）； 引线节距不断缩小（见表3）； 引线布置从封装的两侧发展到封装的四周，到封装的底面。 这样使单位封装体积的硅密度和引线密度都大大提高。 国际上IC封装的发展趋势如表4所示。 31 图6 单芯片封装向多芯片封装的演变 32 表1硅片封装效率的提高 年代 1970 1980 1990 1993 封装年代 DIP PQFP BGA/CSP DCA/CSP 封装效率Sd/Sp (27)% (1030)% (2080)% (5090)% 33 表2封装厚度的变化 封

15、装形式 PQFP/PDIP TQFP/TSOP UTQFP/UTSOP 封装厚度(mm) 3.62.0 1.41.0 0.80.5 34 表3引线节距缩小的趋势 年份年份 1980 1985 1990 1995 2000 典型封装典型封装 DIP,PGA SDIP,PLCC,BGA QFP QFP,CSP CSP,DCA 典型引线典型引线 节距节距(mm) 2.54 1.27 0.63 0.33 0.150.050 35 图7 引线节距的发展趋势 36 PQFP PDIP TQFP TSOP UTQFP UTSOP 3.6 - 2.0mm1.4 - 1.0mm0.8 - 0.5mm封装厚度封装

16、厚度 图8 封装厚度比较 37 除非裸芯片，很难使封装体厚度tp小于0.5mm。 tp = 上包封体（高于引线拱高）+芯片厚度（0.2 0.3 mm） +下包封体（包括芯片焊盘+芯片粘接层厚度） 包封体：防潮、防尘、防辐射等环境保护，机械保护 38 封装效率 封装效率 封装效率 封装效率 =2-7%(1970-) =10-30%(1980-) =20-80%(1990-) =50-90%(1993-) 图9 封装效率的改进 39 晶体管封装外形也可用于IC封装：SOT 23-6L ,SOT 23-8L。 最小的8引线封装 US8，内装3个缓冲反相器。 其大小为宽长高 2.03.11.0mm，相

17、当于一粒大米！ 40 各类封装在封装总量中所占的比例和IC封装引出端的分 布如表4、表5所示。 表4. 各类封装在封装总量中所占的份额（%） DIP SOP QFP BGA CSP 其他 1996年 28 47 13 1 1 12 1998年 15 57 12 1 1 12 2003年 12 56 12 0.5mm。 正方形和矩形分立为两类：（S-，R-） 焊球直径有：0.17，0.30，0.40，0.45，0.50 mm。 焊盘尺寸有：0.400.70，0.300.50，0.350.70 mm2， 多数取0.300.50 mm2。 封装总体高度有：0.5，0.8，0.9，0.95，1.00，

18、1.20， 1.70 mm等，多数取1.20 mm。 75 4. WLP圆片级封装圆片级封装 1. 概述： 因为圆片级封装的芯片面积和封装面积之比Sd/Sp1， 所以也称为圆片级CSP，WL-CSP。 主要特征为：管芯的外引出端制作及包封（如果有 的话）全在完成前工序后的硅圆片上完成，然后再分割 成独立的器件。目前已有这类独立的封装厂。 它不同于通常的后封装生产：圆片分割成芯片 （管芯） 再封装。 因为是圆片级加工，故封装加工效率提高，封装厚度 （tsi+t焊点）减小，封装所占PCB面积S芯片。 76 加工成本高：因为设备贵，设备类似与前工序，需溅射、蒸发、 光刻等设备。现在正在开发低成本的W

19、LP。 引出端材料成分有：PbSn、AuSn、Au、In。 引出端形状有：球、凸点、焊柱、焊盘。 因为引出端只能在芯片内扩展，因此主要是用于 低到中等引出端数器件。 采用窄节距凸点时，引出端数也可多达500以上。 77 前部工艺 硅圆片 完成 切割分离 植球 硅圆片 包封 硅圆片 硅圆片 硅圆片 再分布 形成焊盘 超级CSP（WLP）的工艺流程概况 图19 SuperCSP的工艺流程略图 78 个管芯 圆片级封装（WLP） 图20 圆片封装概况图 79 六六、 集成电路外壳的选择集成电路外壳的选择 （一一）基本选择原则基本选择原则 1 1. . 根据器件产品的基本属性根据器件产品的基本属性，外

20、壳性能应符合器件产品的要求外壳性能应符合器件产品的要求。 产品的市场应用分类：产品的市场应用分类： 日用品类：消费品类等日用品类：消费品类等，低价值；低价值；DIP、SOP、COB 手持类：手机等手持类：手机等，电池电源电池电源，轻便；轻便；SOP、TSOP、COB、BGA、CSP 成本性能类：笔记本式成本性能类：笔记本式，台式个人计算机；台式个人计算机；QFP、SOP、PLCC、BGA 高性能类：高级工作站高性能类：高级工作站、航空电子等；航空电子等；PGA、BGA、QFP、SOP、CSP 汽车类：恶劣工作环境下工作；军品；金属汽车类：恶劣工作环境下工作；军品；金属、陶瓷等封装陶瓷等封装 存

21、贮器类：存贮器类：DRAM，SRAM等引线数少等引线数少，高密度高密度，要便于器件升级要便于器件升级。 TSOP、CSP、COB、SSOP、3D、FC 80 性能要求： 安装方式：引脚的形式和布置位置。 引出端数。 几何尺寸：外形（形状，尺寸），内腔尺寸。 电性能：Imax，C，L，R串，R绝缘； 电连接；电源/地分配，信号I/O分配， 可焊性（芯片，内外引线）等 81 82 热性能：热阻热性能：热阻RT，最大耗散功率最大耗散功率Pcm，最高工作结温最高工作结温Tjm。 耐温度范围耐温度范围（工作温度工作温度，贮存温度贮存温度）， 耐热冲击耐热冲击，温度循环的等级温度循环的等级。 环境和可靠性

22、试验等级环境和可靠性试验等级 气密性气密性，振动振动，冲击冲击，离心离心 老炼筛选：双老炼筛选：双85（85/85%RH）。 性能基本符合要求性能基本符合要求，并有一定冗余和较高的成品率并有一定冗余和较高的成品率。 2. 经济效益高：性能经济效益高：性能/价格比高；时效好价格比高；时效好。 性能效益间需折衷考虑性能效益间需折衷考虑! 83 各类封装的价格比（各类封装的价格比（1999年）年） 封装类型封装类型 引出端数引出端数 封装价格封装价格 （） 引出端单价引出端单价 （/pin) 平均引出平均引出 端单价比端单价比 DIP SOP TSOP QFP TQFP PPGA PBGA 864L

23、 848L 868L 32324L 35324L 64376L 64504L 0.020.13 0.020.11 0.030.31 0.111.13 0.121.20 0.665.54 0.343.29 0.250.203 0.250.23 0.380.46 0.340.35 0.380.37 1.031.47 0.530.653 1 1.07 1.76 1.44 1.57 5.23 2.48 84 （二二） 具体选择原则：具体选择原则： 1. 产品等级：军品产品等级：军品，气密封装：应选陶瓷或金属外壳气密封装：应选陶瓷或金属外壳。 民品民品，非气密封装：选塑料封装非气密封装：选塑料封装（或准

24、气密性或准气密性 ） 军品要符合我国国军标军品要符合我国国军标GJB 548A要求要求 或美军标或美军标MIL -STD 883E要求要求。 对军品外壳有一系列严格的试验程序对军品外壳有一系列严格的试验程序，其价格是民品的其价格是民品的 210倍倍，需特殊设计需特殊设计，不能简单从民品中挑选不能简单从民品中挑选。 85 军品军品 民品民品 模拟集成电路模拟集成电路AIC 55+125 070，2585 数字集成电路数字集成电路DIC 55+125 070 也有高的，如汽车电路也有高的，如汽车电路 工作温度范围工作温度范围 气密性：气密性：（方法方法1014.7） 否则为失效否则为失效 军品外壳

25、：要求是氦（军品外壳：要求是氦（He）细检漏）细检漏 510-3 210-2 Pacm3/s. 腔体积腔体积 要求：测量的氦漏气速率要求：测量的氦漏气速率R1 1、 b1 ， Bell实验室的研究表明实验室的研究表明，符合他们的符合他们的Rent定律为：定律为： n=4.5 g0.5 （1981年前后年前后） Unisys的门阵列逻辑电路为：的门阵列逻辑电路为： n=2.2 g0.6 89 电源（包括：“地”端）引出端数也与电路技术有关，电源（包括：“地”端）引出端数也与电路技术有关，Bell的样品的样品 为：为： m (电源的引出端数电源的引出端数) n / 4n/5 对于电源引出端数对于电

26、源引出端数m还要考虑：引线上的直流压降，还要考虑：引线上的直流压降， 噪声容限（尤其对高速电路），噪声容限（尤其对高速电路）， 即要考虑即要考虑R串、串、L串、串、C的作用。的作用。 N=m+n Rent定律只是对逻辑系统，与模拟电路无关。定律只是对逻辑系统，与模拟电路无关。 90 4. 封装内腔的选择：封装内腔的选择： 同一引出端数的外壳，可以具有不同大小的内腔。同一引出端数的外壳，可以具有不同大小的内腔。 同样引出端数的陶瓷外壳，同样引出端数的陶瓷外壳， 外形的长度、厚度和腔深可都不相同。外形的长度、厚度和腔深可都不相同。 内腔的长、宽和外形宽度通常有三种：内腔的长、宽和外形宽度通常有三种

27、： 以适应以适应MSI、LSI、VLSI芯片不同的要求。芯片不同的要求。 （见表（见表5.33和表和表5.34SEMI 标准资料：标准资料：GDIP和和CDIP尺寸举例）尺寸举例） 内腔的选择：主要决定于芯片大小。内腔的选择：主要决定于芯片大小。 （1） 芯片尺寸芯片尺寸LWH（三维）应稍小于内腔尺寸（三维）（三维）应稍小于内腔尺寸（三维） （2） 芯片边缘与内腔壁之间要留有适当的余量芯片边缘与内腔壁之间要留有适当的余量； 91 太短 太长 挤到上表面 太小：太小： 芯片粘接剂上翻芯片粘接剂上翻，沾污芯片表面沾污芯片表面。 引线压焊点太近引线压焊点太近! 太大：太大： 内引线跨度太大内引线跨度

28、太大。 机械强度不行机械强度不行，易塌丝易塌丝。或模塑时冲歪丝或模塑时冲歪丝。 （内引线长度的一般规定内引线长度的一般规定） 92 微电子封装技术复习题微电子封装技术复习题 姓名 成绩 2005.6.14 1. 列出当前用量最大的4种IC封装的： 英文缩写符号；中文名称；各自的外引脚形状。 2. 画出PBGA的基本横截面结构图，并列出PBGA封装的 主要生产流程。 3. 在选用IC封装时应考虑那些因素？ 4. 试简述当前微电子封装技术的主要发展趋势。 5. 有一个5万门的逻辑门阵列电路，假定其信号I/0引线数和 电源/地线之比为5：1。试用Rent定律估算此电路所需之 封装引线数，（假定a=1.5，b=0.5）。