集成电路封装

集成电路封装

集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件（如晶体管）的密度这个角度上来说，IC代表了电子学的尖端。但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样，IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装的需求和要求也各不相同

目录

1基本内容

2发展

3IC封装

1基本内容

集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件（如晶体管）的密度这个角度上来说，IC代表了电子学的尖端。但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样，IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别（模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等），因而对于封装的需求和要求也各不相同。本文对IC封装技术做了全面的回顾，以粗线条的方式介绍了制造这些不可缺少的封装结构时用到的各种材料和工艺。 虽然IC的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大，但是IC封装的作用和功能却差别不大，封装的目的也相当的一致。作为“芯片的保护者”，封装起到了好几个作用，归纳起来主要有两个根本的功能：1)保护芯片，使其免受物理损伤；2)重新分布I/O，获得更易于在装配中处理的引脚节距。封装还有其他一些次要的作用，比如提供一种更易于标准化的结构，为芯片提供散热通路，使芯片避免产生α粒子造成的软错误，以及提供一种更方便于测试和老化试验的结构。封装还能用于多个IC的互连。可以使用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。或者也可用封装提供的互连通路，如混合封装技术、多芯片组件（MCM）、系统级封装（SiP）以及更广泛的系统体积小型化和互连(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互连通路，来间接地进行互连。

2发展

总体来看，IC设计业与芯片制造业所占比重呈逐年上升的趋势，2010年已分别达到25.3%和31%;封装测试业所占比重则相应下降，2010年为43.7%，但其所占比重依然是大的。

据《中国集成电路封装行业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》[1]显示，在产业规模快速增长的同时，IC 设计、芯片制造和封装测试三业的格局也正不断优化。2010年，国内IC设计业同比增速达到34.8%，规模达到363.85亿元;芯片制造业增速也达到31.1%，规模达到447.12亿元;封装测试业增速相对稍缓，同比增幅为26.3%，规模为629.18亿元。

目前，我国集成电路产业集群已初步形成集聚长三角、环渤海和珠三角三大区域的总体产业空间格局，2010年三大区域集成电路产业销售收入占全国整体产业规模的近95%。集成电路产业基本分布在省会城市和沿海的计划单列市，并呈现“一轴一带”的分布特征，即东起上海、西至成都的沿江发展轴以及北起大连、南至深圳的沿海产业带，形成了北京、上海、深圳、无锡、苏州和杭州六大重点城市。

去年年初，国务院发布了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，从财税、投融资、研发、进出口、人才、知识产权等方面给予集成电路产业诸多优惠，政策覆盖范围从设计企业与生产企业延伸至封装、测试、设备、材料等产业链上下游企业，产业发展政策环境进一步好转。前瞻网表示，根据国家规划，到2015年国内集成电路产业规模将在2010年的基础上再翻一番，销售收入超过3000亿元，满足国内30%的市场需求。芯片设计能力大幅提升，开发出一批具有自主知识产权的核心芯片，而封装测试业进入国际主流领域。“十二五”期间，中国集成电路产业将步入一个新的黄金发展期。

随着微电子机械系统(MEMS)器件和片上实验室（lab-on-chip）器件的不断发展，封装起到了更多的作用：如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和大气环境的要求。人们还日益关注并积极投身于光电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。近几年人们对IC封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大的转变，IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。这是因为在很多情况下，IC的性能受到IC封装的制约，因此，人们越来越注重发展IC封装技术以迎接新的挑战。

3IC封装

一.DIP双列直插式封装DIP(DualIn－linePackage)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。DIP封装具有以下特点：

1.适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。

2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。<xml:namespace prefix = o ns = 'urn:schemas-microsoft-com:office:office' />

二、QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP（PlasticQuadFlatPackage）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP（PlasticFlatPackage）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

QFP/PFP封装具有以下特点：

1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。

2.适合高频使用。

3.操作方便，可靠性高。

4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。

Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。

三、PGA插针网格阵列封装

PGA(PinGridArrayPackage)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

ZIF(ZeroInsertionForceSocket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，不存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点：

1.插拔操作更方便，可靠性高。

2.可适应更高的频率。

Intel系列CPU中，80486和Pentium、PentiumPro均采用这种封装形式。

四、BGA球栅阵列封装

随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(BallGridArrayPackage)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类：

1.PBGA（PlasricBGA）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，PentiumII、III、IV处理器均采用这种封装形式。

2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，PentiumI、II、PentiumPro处理器均采用过这种封装形式。

3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。

4.TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA（CarityDownPBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。

BGA封装具有以下特点：

1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。

2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。

3.信号传输延迟小，适应频率大大提高。

4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。

BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年，日本西铁城（Citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片（即BGA）。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前，Intel公司在电脑CPU中（即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等），以及芯片组（如i850）中开始使用BGA，这对BGA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，其全球市场规模在2000年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。

五、CSP芯片尺寸封装

随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP(ChipSizePackage)。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类：

1.LeadFrameType(传统导线架形式)，代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等等。

2.RigidInterposerType(硬质内插板型)，代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。

3.FlexibleInterposerType(软质内插板型)，其中有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。

4.WaferLevelPackage(晶圆尺寸封装)：有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

CSP封装具有以下特点：

1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。

2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。

3.极大地缩短延迟时间。

CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线网络WLAN／GigabitEthemet、ADSL／手机芯片、蓝芽（Bluetooth）等新兴产品中。

六、MCM多芯片模块

为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统，从而出现MCM(MultiChipModel)多芯片模块系统。

MCM具有以下特点：

1.封装延迟时间缩小，易于实现模块DIM单列直插式，塑料

QUIP蜘蛛脚状四排直插式，塑料

DBGABGA系列中陶瓷芯片

CBGABGA系列中金属封装芯片

MODULE方形状金属壳双列直插式

RQFPQFP封装系列中，表面带金属散装体

DIMM电路正面或背面镶有LCC封装小芯片，陶瓷，双列直插式

DIP-BATTERY电池与微型芯片内封SRAM芯片，塑料双列直插式

常用芯片封装缩略语介绍

芯片封装缩略语介绍

封装型式有很多以下是一些缩略语供大家参考！

1．BGA球栅阵列封装

2．CSP芯片缩放式封装

3．COB板上芯片贴装

4．COC瓷质基板上芯片贴装

5．MCM多芯片模型贴装

6．LCC无引线片式载体

7．CFP陶瓷扁平封装

8．PQFP塑料四边引线封装

9．SOJ塑料J形线封装

10．SOP小外形外壳封装

11．TQFP扁平簿片方形封装

12．TSOP微型簿片式封装

13．CBGA陶瓷焊球阵列封装

14．CPGA陶瓷针栅阵列封装

15．CQFP陶瓷四边引线扁平

16．CERDIP陶瓷熔封双列

17．PBGA塑料焊球阵列封装

18．SSOP窄间距小外型塑封

19．WLCSP晶圆片级芯片规模封装

20．FCOB板上倒装片

CDIP-----CeramicDualIn-LinePackage

CLCC-----CeramicLeadedChipCarrier

CQFP-----CeramicQuadFlatPack

DIP-----DualIn-LinePackage

LQFP-----Low-ProfileQuadFlatPack

MAPBGA------MoldArrayProcessBallGridArray

PBGA-----PlasticBallGridArray

PLCC-----PlasticLeadedChipCarrier

PQFP-----PlasticQuadFlatPack

QFP-----QuadFlatPack

SDIP-----ShrinkDualIn-LinePackage

SOIC-----SmallOutlineIntegratedPackage

SSOP-----ShrinkSmallOutlinePackage

DIP-----DualIn-LinePackage-----双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。

PLCC-----PlasticLeadedChipCarrier-----PLCC封装方式，外形呈正方形，32脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比DIP封装小得多。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

PQFP-----PlasticQuadFlatPackage-----PQFP封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。

SOP-----SmallOutlinePackage------1968～1969年菲为浦公司就开发出小外形封装（SOP）。以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。

常见的封装材料有：塑料、陶瓷、玻璃、金属等，现在基本采用塑料封装。

按封装形式分：普通双列直插式，普通单列直插式，小型双列扁平，小型四列扁平，圆形金属，体积较大的厚膜电路等。

按封装体积大小排列分：大为厚膜电路，其次分别为双列直插式，单列直插式，金属封装、双列扁平、四列扁平为小。

两引脚之间的间距分：普通标准型塑料封装，双列、单列直插式一般多为2.54±0.25mm，其次有2mm（多见于单列直插式）、1.778±0.25mm（多见于缩型双列直插式）、1.5±0.25mm，或1.27±0.25mm(多见于单列附散热片或单列V型)、1.27±0.25mm(多见于双列扁平封装)、1±0.15mm(多见于双列或四列扁平封装)、0.8±0.05～0.15mm(多见于四列扁平封装)、0.65±0.03mm(多见于四列扁平封装)。

双列直插式两列引脚之间的宽度分：一般有7.4～7.62mm、10.16mm、12.7mm、15.24mm等数种。

双列扁平封装两列之间的宽度分（包括引线长度：一般有6～6.5±mm、7.6mm、10.5～10.65mm等。

四列扁平封装40引脚以上的长×宽一般有：10×10mm(不计引线长度)、13.6×13.6±0.4mm(包括引线长度)、20.6×20.6±0.4mm(包括引线长度)、8.45×8.45±0.5mm(不计引线长度)、14×14±0.15mm（不计引线长度）等。

CPU封装形式：

自从Intel公司1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在20多年里，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium、PⅡ、PⅢ、P4，从4位、8位、16位、32位发展到64位；主频从MHz发展到今天的GHz；CPU芯片里集成的晶体管数由2000多个跃升到千万以上；半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI（超大规模集成电路）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，甚至可能达到2000根。这一切真是一个翻天覆地的变化。

对于CPU，大家已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、PⅡ、Celeron、K6、K6-2、Athlon……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、保护芯片和增强导热性能的作用，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，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI(LargeScalcIntegrat~on)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厂好儿代的变迁，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。

１、DIP封装20世纪70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dualln-linePackage)。DIP封装具有以下特点：(1)适合PCB（印刷电路板）的穿孔安装；(2)比TO型封装易于对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）等。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l越好。以采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=（3x3）/（15．24x50）=1：86，离l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公司早期的CPU，如8086、80286，都采用PDIP封装（塑料双列直插）。

2、载体封装20世纪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（LeadlessCeramicChipCarrier）、塑料有引线芯片载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）、小尺寸封装SOP（SmallOut-linePackage)、塑料四边引出扁平封装PQFP（PlasticQuadFlatPackage）。以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚QFP封装的CPU为例，如果外形尺寸为28mmx28mm，芯片尺寸为lOmmx10mm，则芯片面积／封装面积二(10x10)／(28x28)二l：7．8，由此可见QFP封装比DIP封装的尺寸大大减小。QFP的特点是：(1)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。Intel公司的80386处理器就采用塑料四边引出扁平封装(PQFP)。

3、BGA封装20世纪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，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为满足发展的需要，在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式一一球栅阵列封装，简称BGA（BallGridArrayPackage）。BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的佳选择。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l/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公司对集成度很高（单芯片里达300万只以上晶体管）、功牦很大的CPU芯片，如Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ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，从而使CPU能稳定可靠地工作。

4、面向未来的封装技术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l：4，比BGA前进了一大步。94年9月，口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（ChipSizcPackage或ChipScalePackage）。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)解决丁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甚至1/10，延迟时间大大缩小。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（AS1C）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（MultiChipModel）。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l／3；(3)可靠性大大提高。