1、集成电路封装与测试集成电路封装与测试 第一章第一章 参 考 书 籍 集成电路芯片封装技术李可为著，电子工 业出版社出版 微电子器件封装-封装材料与封装技术周 良知著，化学工业出版社出版 相关的文献 本 章 概 要 基基 本本 概概 念念 封封 装装 的的 发发 展展 过过 程程 封封 装装 的的 层层 次次 及及 功功 能能 封封 装装 的的 分分 类类 封封 装装 的的 发发 展展 现现 状状 1.1 封装概念 按 Tummala 教授一书中的定义 “Introduction to Microsystems Packaging” Georgia Institute of Technology
2、 Prof. Rao R. Tummala “Integrated Circuit (IC)” is defined as a miniature or microelectronic device that integrates such elements as transistors, dielectrics, and capacitors into an electrical circuit possessing a special function. “集成电路（IC）“是指微小化的或微电子的器件，它将这样的一些元 件如三极管、电阻、介电体、电容等集成为一个电学上的电路，使致 具有专门
3、的功能。 “Packaging” is defined as the bridge that interconnects the ICs and other components into a system-level board to form electronic products ”封装“ 是指连接集成电路和其他元器件到一个系统级的基板上的桥梁 或手段，使之形成电子产品 定义电路的输入输出（电路指标、性能）定义电路的输入输出（电路指标、性能） 原理电路设计原理电路设计 电路模拟电路模拟(SPICE) 布局布局(Layout) 考虑寄生因素后的再模拟考虑寄生因素后的再模拟 原型电路制备原型
4、电路制备 测试、评测测试、评测 产品产品 工艺问题工艺问题 定义问题定义问题 不符合不符合 不符合不符合 1.1.1集成电路的制造过程：集成电路的制造过程： 设计设计 工艺加工工艺加工 测试测试 封装封装 “封装（Packaging）”用于电子工程的历 史并不很久。在真空电子管时代，将电子 管等器件安装在管座上构成电路设备，一 般称为“组装或装配”，当时还没有 “Packaging”这一概念。 1.1.2 封装的出现 60多年前的三极管，40多年前的IC等半导体元件的出现， 一方面，这些半导体元件细小柔嫩；另一方面，其性能又 高，而且多功能、多规格。为了充分发挥其功能，需要补 强、密封、扩大，
5、以便实现与外电路可靠的电气连接并得 到有效的机械、绝缘等方面的保护作用。基于这样的工艺 技术要求，“封装”便随之出现。 1.2 封装的发展过程 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 1937年金 属喷涂印 制电路板 （PWB） 诞生 1947年 晶体管 的诞生 PWB 实用 化 58年 IC出 现 真空管 半导体 IC 分立式 元器件 61年二 者市场占 有率相等 75年二者相同 多层 PWB 板 积层式 多层板 封装或装配 封装 电子封 装工程 79年（表面贴装）SMT扩广 电器机械设计 电路设计 逻辑设计 系统设计及软件设计 电
6、 子 元 器 件 封 装 技 术 需 要 的 设 计 技 术 1947年12月16日，美国贝尔实验室的肖克莱 （William B. Shockley）、巴丁(John Bardeen) 和布拉顿(Walter H. Brattain)组成的研究小组， 研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世， 是20世纪的一项重大发 明，是微电子革命的先 声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消 耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗 大的电子管了。 晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工 程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。 但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材 料达不到足够的
7、纯度，而使这种晶体管无法制造 出来。 William B. Shockley John Bardeen Walter H. Brattain 三人获得了1956年 诺贝尔物理学奖 相移振荡器 1958年9月10日美国的基尔比发明了集成电 路，集成电路是美国物理学家基尔比(Jack Kilby)和诺伊斯两人各自独立发明的，都拥有 发明的专利权。 1958年9月10日，基尔比的第一个安置在半 导体锗片上的电路取得了成 功，被称为“相 移振荡器”。 1957年，诺伊斯(Robort Noyce)成立了仙童 半导体公司，成为硅谷的第一家专门研制硅 晶体管的公司。 1959年2月，基尔比申请了专利。不久
8、，得 克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比 火柴头还小的半导体固体电路。诺伊斯虽然 此前已制造出半导体硅片集成电路，但直到 1959年7月才申请专利，比基尔比晚了半年。 法庭后来裁决，集成电路的发明专利属于基 尔比，而有关集成电路的内部连接技术专利 权属于诺伊斯。两人都因此成为微电子学的 创始人，获得美国的“巴伦坦奖章”。 Robort Noyce Jack Kilby 1.3 从半导体和电子元器件到电子机器设备 前工程前工程 后工程后工程 封装工程封装工程 利用光刻制版等加 工制作电极、开发 材料的电子功能 对元件进行包覆、 连接封入元件盒中、 引出引线端子，完 成封装体 封装体与基板连
9、接固定、装配成 完整的系统或电 子机器设备 实现所要求的 元件的性能 确保元件可 靠性，完成 器件、部件 确保整个系 统的综合性 能 狭义的封装从此开始 2.1 封装工程的四个层次 半导体半导体 部部 件件 电子元器件电子元器件 基板基板 输入输出装置输入输出装置 存存 储储 装装 置置 机器设备机器设备 毫米级的毫米级的 工程领域工程领域 100 m的的 工程领域工程领域 L、C、R分分 立式半导体立式半导体 器件变压器器件变压器 LED 芯片芯片0.25 m的工程的工程 领域领域 50 m的工程领域的工程领域 水晶振子、散热器、小型马达、传感器水晶振子、散热器、小型马达、传感器 按特征尺寸
10、的量级，电子封装工程可分为四个层次，其中从半导体芯片到按特征尺寸的量级，电子封装工程可分为四个层次，其中从半导体芯片到50 m的工程领域为狭义的封装的工程领域为狭义的封装 2.2 电子封装的分级 器件 印制板 硅圆片 0级 1级 2级 3级 4级 管芯 常规组合的电路封装 电子封装的分级 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。 2.3 电子封装的范围 从工艺上讲，电子封装包括薄厚膜技术、基板技术、微 细连接技术、封接及封装技术等
11、四大基础技术 从材料上讲，电子封装包括各类材料，如焊丝、框架、 金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉材、表面活性剂、有机 粘结剂、有机溶剂、金属浆料、导电填料、感光性树脂、 热硬化树脂、聚酰亚胺薄膜、感光性浆料，还有导体、电 阻、介质以及各种功能用的薄厚膜材料等 从设计、评价、解析技术上讲，其涉及膜特性、电气特 性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析评价和检测 CAD/CAM/CAT系统及发展 设计、评价、解析技术 膜 特性 电气 特性 热 特性 结构 特性 薄 厚 膜 技 术 基 板 技 术 微细 连接 技 术 封接 封装 技 术 封装工艺技术 材料科学与工程 可靠性评价解析技术 制造、生产装置
12、动向 电 子 设 备 系 统 等 的 发 展 动 向 电子 部件 动向 电子元器件 回路部件 功能部件 2.4 电子封装工程的各个方面 功能部件 LSI 回路部件 搭载元器件搭载元器件 布线基板布线基板 封装关键技术封装关键技术 键合键合 布线布线 连接连接 散热散热 冷却冷却 保护保护 使各种元器件、功能部件相组合形成功能电路 目的目的 依据电路结构、性能要求、封装类型而异 难易程度难易程度 需考虑的问题需考虑的问题 苛刻的工程条件（温度、湿度、振动、冲击、放射性等） 超高要求 超高性能超高性能 （3D IC） 超薄型、超小型超薄型、超小型 超多端子连接超多端子连接 超高功率（采用热冷、金属
13、陶瓷复合基板等）超高功率（采用热冷、金属陶瓷复合基板等） 3.1 电子封装实现的四种功能 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、化学等方面的防护 信号传递信号传递 电能传递电能传递 主要是将电信号的延迟尽 可能减小，在布线时尽可 能使信号线与芯片的互连 路径以及通过封装的I/O接 口引出的路径达到最短 主要是电源电压的分配和导通 散热散热 各种芯片封装都要考虑元 器件、部件长期工作时如 何将聚集的热量散出的问 题 封装保护封装保护 芯片封装可为芯片和其他连 接部件提供牢固可靠的机械 支撑，并能适应各种工作环 境和条
14、件的变化 3.2 IC封装的分类 IC封装的主要类型： 按照器件与电路板的互连方式可分为： 通孔插装式 PTH （Pin through hole） 表面贴装式 SMT （Suface mount technology） 目前表面贴装式封装已占IC封装总量的 80%以上。 SOP (小型化封装小型化封装) PLCC （无引线塑料封装载体（无引线塑料封装载体 ） CLCC （无引线陶瓷封装载体（无引线陶瓷封装载体 ） QFP (四侧引脚扁平封装四侧引脚扁平封装) BGA (球栅阵列式封装球栅阵列式封装) 双边双边 引脚引脚 四边四边 引脚引脚 底部底部 引脚引脚 表面贴装型表面贴装型 DIP （
15、双列式封装）（双列式封装） ZIP （交叉引脚式封装）（交叉引脚式封装） SIP （单列引脚式封装）（单列引脚式封装） PGA (针脚阵列封装针脚阵列封装) 单边单边 引脚引脚 双边双边 引脚引脚 底部底部 引脚引脚 引脚插入型引脚插入型 （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 % 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：金属和陶瓷封装是性能分：金属和陶瓷封装是气密封装气密封装， 塑料封装塑料封装是非气密或准气密封装是非气密或准气密封装； 金
16、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。 按引线形状 无引线：焊点、焊盘 有引线： TH 直插 外壳 芯片 L型 （翼型） J型 焊球 焊柱 扁平 I形（柱形） SMT 3.3 IC
17、封装的生命周期 芯片尺寸封装 球栅阵列封装 倒装芯片 薄的缩小型SOP 薄 /小引脚中心距QFP 缩小型SOP 自动带载焊接 四边引脚扁平封装 小外形封装 J形引脚小外型封装 带引线的塑料芯片载体 针脚阵列封装 塑料双列直插式封装 带引脚的芯片载体 陶瓷DIP 目前世界上产量较多的几类封装目前世界上产量较多的几类封装 SOP （小外形封装） 5557% PDIP（塑料双列封装） 14% QFP (PLCC ) （四边引线扁平封装） 12% BGA （球栅阵列封装） 45% 4.1 IC封装的发展趋势 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）。
18、 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” ！ 2003 2004 16.827.4% 4.2 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从逐个管芯封装到出现了圆片级封装圆片级封装，即先将圆片，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，到在圆片上完再逐个封装成器件，到在圆片上完 成封装划片后就成器件。成封装划片后就成器件。 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
19、装(PTH)为主转为表面贴装（为主转为表面贴装（SMT）为主。）为主。 封装密度正愈来愈高 封装密度的提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。 单芯片封装向多芯片封装的演变 （自动带载焊接） 芯片尺寸封装 (多芯片组件) 单级集成模块 表1硅片封装效率的提高 年代 1970 1980 1990 1993 封装年代 DIP P
20、QFP BGA/CSP DCA/CSP 封装效率Sd/Sp (27)% (1030)% (2080)% (5090)% 表2封装厚度的变化 封装形式 PQFP/PDIP TQFP/TSOP UTQFP/UTSOP 封装厚度(mm) 3.62.0 1.41.0 0.80.5 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 各类封装在封装总量中所占的比例和IC封装引出
21、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 1 7 7 表5. 集成电路封装引出端数的分布范围 引线数范围 33 33100 101308 308 1997年（估算值） 76 18 5 1 2003年（预测值） 68 20 10 2 引线节距的发展趋势 PQFP PDIP TQFP TSOP UTQFP UTSOP 3.6 - 2.0mm1.4 - 1.0mm0.8 - 0.5mm封装厚度封装厚度 封
22、装厚度比较 41 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-) 封装效率的改进 4.3 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。 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
23、元上升到2006 年的1000亿美元 2000年中国消耗的半导体占世界半导体市场份额的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。 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 2002年全球排名前十位的半导体公司大都将在中国建
24、立封装测试厂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%
25、 8 7 Motorola 天津天津 47.3 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% 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） 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
26、特尔（上海） 16.000 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 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 2006
27、2006年年 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% 世界半导体封装业产值分布和产值名次排序 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。 作业和讨论 （1）封装工程有哪几个层次？ （2）简述电子封装实现哪几种功能？ （3）根据IC封装的历史演变，写出10种封装类型的 英文缩写（如SOP、BGA等）。 （4）简述IC封装技术发展趋势。
