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芯片封装概述
芯片封装概述
芯片封装
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。
二、PQFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装
PQFP(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PQFP方式基本相同。
唯一的区别是PQFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。
PQFP/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,绝对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、多引脚封装的最佳选择。
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,***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),其中最有名的是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,易于实现模块高速化。
2.缩小整机/模块的封装尺寸和重量。
3.系统可靠性大大提高。
芯片封装概述 ****
摘要:
本文介绍了芯片封装的演变过程,并以BGA为重点,介绍了当前较为先进的面积阵列封装。
关键词:
封装,组装,面积阵列封装,球栅阵列封装
引言
随着半导体技术的飞速发展,IC在处理速度上的高速增长,处理能力上的增强,芯片内部结构日趋复杂。
因而IC制造也遇到挑战,其封装形式的小型化与I/0端数量的增长的矛盾推动封装形式的革新。
l.封装形式的演变
1.1 双列直插式封装DIP(DualIn—linePackage)
传统芯片因工艺、功能等诸多因素制约,多采用DIP形式封装,甚至有些采用SIP(SingleIn—linePackage)封装。
相对于采用SMD这样组装所占面积较大,给设备小型化带来困难,且组装自动化程度较低。
64脚DIP封装的IC,安装面积为25.4mm*76.2mm,相同端数采用引脚中心距为0.64mm无引线器件进行表面安装,安装面积为12.7mm*12.7mm,仅为前者的l/12。
1.2 SMT常用封装
1.2.1 小外型封装SOP(SmallOutlinePackage)
SOP器件又称为SOIC(SmallOutlineIntegratedCircuit),是DIP的缩小形式,引线中心距为1.27mm,引脚形式:
欧翼型、J型、I型,常用欧翼型。
1.2.2 塑封有引线芯片载体PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)
塑封有引线芯片载体PLCC,引线中心距为1.27mm,引线呈J形,向器件下方弯曲,有矩形、方形两种。
PLCC器件组装面积小,引线强度高,不易变形,多根引线保证了良好的共面性,使焊点的一致性得以改善。
因J形引线向下弯曲,检修有些不便。
1.2.3 无引线陶瓷芯片载体LCCC(LeadlessCeramicChipCarrier)
无引线陶瓷芯片载体LCCC电极中心距有1.0mm、1.27mm两种。
因为是无引线组装,故寄生参数小,噪声、延时特性明显改善;亦因无引线,应力小,焊点易开裂。
1.2.4 方形扁平封装QFP(QuadFlatPackage)
方形扁平封装QFP,主要应用于ASIC(ApplicationOfSpecificIntegratedCircuit)专用集成电路。
普通引线中心距为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm,目前亦有采用0.3mmQFP。
为保证引出线良好的共面性,美国的QFP器件四个脚都有一个突出的脚,其尺寸超过引出线O.05mm。
1.3小结
综合上述介绍,I/O数量的增加是以牺牲引线间距为代价。
间距的缩小给芯片制造、组装工艺提出更高要求,难度亦随之增加,加之间距亦有极限,因此即使I/O数较多的QFP的发展也受到间距极限的限制,因而更新型的封装,更先进的技术就呼之欲出。
2.新型封装
2.1 球栅阵列BGA(BallGridArray)
正如1.3所述,缩小间距不是解决I/O数增长最有效的解决方案。
于是便有以封装底面来互连的解决办法,这便是面积阵列封装AAP(AreaArrayPackage)。
采用AAP,相同I/O数与组装面积,AAP间距明显较大,这使组装容易,芯片制造难度下降;相同的组装面积和间距,AAP可使I/O数增多;若间距、I/O数相同,AAP的组装面积明显较小,这使设备的小型化易于实现。
因此AAP成为当前封装的热点和趋势。
以结构形式划分,AAP可分为BGA和FC。
BGA又可分为PBGA、CBGA、CCGA、TBGA四类,下面分述之。
2.1.1 塑封球栅阵列PBGA(PlasticBallGridArray)
PBGA是最普遍的BGA封装类型,其载体为普通的印制板基材,如FR—4等。
硅片通过金属丝压焊方式连到载体的上表面,然后塑料模压成型。
有些PBGA封装结构中带有空腔,称热增强型BGA,简称EBGA。
下表面为呈部分或完全分布的共晶组份(37Pb/63Sn)的焊球阵列,焊球间距通常为1.0mm、1.27mm、1.5mm。
PBGA有以下特点:
其载体与PCB材料相同,故组装过程二者的热膨胀系数TCE(ThermalCoefficientOfExpansion)几乎相同,即热匹配性良好。
组装成本低。
共面性较好。
易批量组装。
电性能良好。
2.1.2 陶瓷球栅阵列CBGA(CeramicBallGridArray)
CBGA即是以多层陶瓷作载体,硅片采用金属丝压焊方式或采用硅片线路面朝下,以倒装片方式实现与载体的互联,然后用填充物包封,起到保护作用。
陶瓷载体下表面是90Pb/10Sn的共晶焊球阵列,焊球间距常为1.0mm和1.27mm。
CBGA具有如下特点:
优良的电性能和热特性。
密封性较好。
封装可靠性高。
共面性好。
封装密度高。
因以陶瓷作载体,对湿气不敏感。
封装成本较高。
组装过程热匹配性能差,组装工艺要求较高。
2.1.3 陶瓷柱栅阵列CCGA(CeramicCloumnGridArray)
CCGA是CBGA的扩展,因此在制作工艺,性能上与CBGA相似。
不同的是以90Pb/10Sn焊料柱替代了CBGA中的焊球,焊料柱的产生减小了组装过程PCB与陶瓷载体热性能失配产生的应力,但是焊料柱在组装过程中易受到机械损坏。
CCGA的典型柱距为1.27mm。
2.1.4 载带球栅阵列TBGA(TapeBallGridArray)
载带球栅阵列TBGA是载带自动键合TAB(TapeAutomatedBonding)技术的延伸。
TBGA的载体为铜/聚酰亚胺/铜的双金属层带(载带)。
载体上表面分布的铜导线起传输作用,下表面的铜层作地线。
硅片与载体实现互连后,将硅片包封起到保护作用。
载体上的过孔实现上下表面的导通,利用类似金属丝压焊技术在过孔焊盘上形成焊球阵列。
焊球间距有1.0mm、1.27mm、1.5mm几种。
TBGA有以下特点:
封装轻、小。
电性能良。
组装过程中热匹配性好。
潮气对其性能有影响。
2.1.5 小结
综合上述介绍,BGA性能明显优于QFP,有良好的电性能,高I/O数。
各类BGA的焊球、柱的组份基本是90Pb/10Sn(PBGA除外),间距基本上是1.0mm、l.27mm,因此间距还有进一步缩小的空间,这样I/O数将进一步增多,这将是BGA的发展方向——uBGA,亦称之为CSP(芯片尺寸封装),后面将简要介绍。
2.2 倒装芯片FC(F1ipChip)
倒装芯片FC即是将芯片的有源面通过分布于上面的焊球与PCB实现直接互连,从而取代金属丝压焊的连接方式。
因此连接长度减小,电路时延也小,电性能较好,可提供较多I/O数且芯片外形尺寸小。
2.3芯片尺寸封装CSP(ChipScalePackage)
芯片尺寸封装规约为:
封装尺寸为芯片本身尺寸大小的l——1.2倍。
正如前文所述,某种意义上而言,CSP是BGA的微小化。
CSP尺寸小,I/O数高导致间距缩小,给组装工艺带来挑战。
2.4 其它
多芯片模块MCM(Multi—chipModule)是将多个芯片封装在一起,从而完成某特定功能的多芯片封装。
其种类有:
MCM—C、MCM—L、MCM—D。
发展的,越来越微小的间距,无法实现封装,因而直接将裸芯片安装到PCB板上。
3.结语
芯片封装的发展是适应微组装技术FPT(FinePitchTechnology)的发展而发展。
朝轻、薄、小化,高I/O数,外形尺寸小,引线或焊球间距小的方向发展。
随着技术的发展,性能将进一步提高,价格将会下降。
这样电子组装的新时代将来临,整机性能将明显改善。
IC封装术语
1、BGA(ballgridarray)
球形触点陈列,表面贴装型封装之一。
在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以
代替引脚,在印刷基板的正面装配LSI芯片,然后用模压树脂或灌封方法进行密封。
也称为凸
点陈列载体(PAC)。
引脚可超过200,是多引脚LSI用的一种封装。
封装本体也可做得比QFP(四侧引脚扁平封装)小。
例如,引脚中心距为1.5mm的360引脚
BGA仅为31mm见方;而引脚中心距为0.5mm的304引脚QFP为40mm见方。
而且BGA不
用担心QFP那样的引脚变形问题。
该封装是美国Motorola公司开发的,首先在便携式电话等设备中被采用,今后在美国有可
能在个人计算机中普及。
最初,BGA的引脚(凸点)中心距为1.5mm,引脚数为225。
现在也有
一些LSI厂家正在开发500引脚的BGA。
BGA的问题是回流焊后的外观检查。
现在尚不清楚是否有效的外观检查方法。
有的认为,
由于焊接的中心距较大,连接可以看作是稳定的,只能通过功能检查来处理。
美国Motorola公司把用模压树脂密封的封装称为OMPAC,而把灌封方法密封的封装称为
GPAC(见OMPAC和GPAC)。
2、BQFP(quadflatpackagewithbumper)
带缓冲垫的四侧引脚扁平封装。
QFP封装之一,在封装本体的四个角设置突起(缓冲垫)以
防止在运送过程中引脚发生弯曲变形。
美国半导体厂家主要在微处理器和ASIC等电路中采用
此封装。
引脚中心距0.635mm,引脚数从84到196左右(见QFP)。
3、碰焊PGA(buttjointpingridarray)
表面贴装型PGA的别称(见表面贴装型PGA)。
4、C-(ceramic)
表示陶瓷封装的记号。
例如,CDIP表示的是陶瓷DIP。
是在实际中经常使用的记号。
5、Cerdip
用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装,用于ECLRAM,DSP(数字信号处理器)等电路。
带有
玻璃窗口的Cerdip用于紫外线擦除型EPROM以及内部带有EPROM的微机电路等。
引脚中心
距2.54mm,引脚数从8到42。
在曰本,此封装表示为DIP-G(G即玻璃密封的意思)。
6、Cerquad
表面贴装型封装之一,即用下密封的陶瓷QFP,用于封装DSP等的逻辑LSI电路。
带有窗
口的Cerquad用于封装EPROM电路。
散热性比塑料QFP好,在自然空冷条件下可容许1.5~
2W的功率。
但封装成本比塑料QFP高3~5倍。
引脚中心距有1.27mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、
0.4mm等多种规格。
引脚数从32到368。
7、CLCC(ceramicleadedchipcarrier)
带引脚的陶瓷芯片载体,表面贴装型封装之一,引脚从封装的四个侧面引出,呈丁字形。
带有窗口的用于封装紫外线擦除型EPROM以及带有EPROM的微机电路等。
此封装也称为
QFJ、QFJ-G(见QFJ)。
8、COB(chiponboard)
板上芯片封装,是裸芯片贴装技术之一,半导体芯片交接贴装在印刷线路板上,芯片与基
板的电气连接用引线缝合方法实现,芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现,并用树脂覆
盖以确保可靠性。
虽然COB是最简单的裸芯片贴装技术,但它的封装密度远不如TAB和倒片
焊技术。
9、DFP(dualflatpackage)
双侧引脚扁平封装。
是SOP的别称(见SOP)。
以前曾有此称法,现在已基本上不用。
10、DIC(dualin-lineceramicpackage)
陶瓷DIP(含玻璃密封)的别称(见DIP).
11、DIL(dualin-line)
DIP的别称(见DIP)。
欧洲半导体厂家多用此名称。
12、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是最普及的插装型封装,应用范围包括标准逻辑IC,存贮器LSI,微机电路等。
引脚中心距2.54mm,引脚数从6到64。
封装宽度通常为15.2mm。
有的把宽度为7.52mm
和10.16mm的封装分别称为skinnyDIP和slimDIP(窄体型DIP)。
但多数情况下并不加区分,
只简单地统称为DIP。
另外,用低熔点玻璃密封的陶瓷DIP也称为cerdip(见cerdip)。
13、DSO(dualsmallout-lint)
双侧引脚小外形封装。
SOP的别称(见SOP)。
部分半导体厂家采用此名称。
14、DICP(dualtapecarrierpackage)
双侧引脚带载封装。
TCP(带载封装)之一。
引脚制作在绝缘带上并从封装两侧引出。
由于利
用的是TAB(自动带载焊接)技术,封装外形非常薄。
常用于液晶显示驱动LSI,但多数为定制品。
另外,0.5mm厚的存储器LSI簿形封装正处于开发阶段。
在曰本,按照EIAJ(曰本电子机械工
业)会标准规定,将DICP命名为DTP。
15、DIP(dualtapecarrierpackage)
同上。
曰本电子机械工业会标准对DTCP的命名(见DTCP)。
16、FP(flatpackage)
扁平封装。
表面贴装型封装之一。
QFP或SOP(见QFP和SOP)的别称。
部分半导体厂家采
用此名称。
17、flip-chip
倒焊芯片。
裸芯片封装技术之一,在LSI芯片的电极区制作好金属凸点,然后把金属凸点
与印刷基板上的电极区进行压焊连接。
封装的占有面积基本上与芯片尺寸相同。
是所有封装技
术中体积最小、最薄的一种。
但如果基板的热膨胀系数与LSI芯片不同,就会在接合处产生反应,从而影响连接的可靠
性。
因此必须用树脂来加固LSI芯片,并使用热膨胀系数基本相同的基板材料。
18、FQFP(finepitchquadflatpackage)
小引脚中心距QFP。
通常指引脚中心距小于0.65mm的QFP(见QFP)。
部分导导体厂家采
用此名称。
19、CPAC(globetoppadarraycarrier)
美国Motorola公司对BGA的别称(见BGA)。
20、CQFP(quadfiatpackagewithguardring)
带保护环的四侧引脚扁平封装。
塑料QFP之一,引脚用树脂保护环掩蔽,以防止弯曲变形。
在把LSI组装在印刷基板上之前,从保护环处切断引脚并使其成为海鸥翼状(L形状)。
这种封装
在美国Motorola公司已批量生产。
引脚中心距0.5mm,引脚数最多为208左右。
21、H-(withheatsink)
表示带散热器的标记。
例如,HSOP表示带散热器的SOP。
22、pingridarray(surfacemounttype)
表面贴装型PGA。
通常PGA为插装型封装,引脚长约3.4mm。
表面贴装型PGA在封装的
底面有陈列状的引脚,其长度从1.5mm到2.0mm。
贴装采用与印刷基板碰焊的方法,因而也称
为碰焊PGA。
因为引脚中心距只有1.27mm,比插装型PGA小一半,所以封装本体可制作得不
怎么大,而引脚数比插装型多(250~528),是大规模逻辑LSI用的封装。
封装的基材有多层陶
瓷基板和玻璃环氧树脂印刷基数。
以多层陶瓷基材制作封装已经实用化。
23、JLCC(J-leadedchipcarrier)
J形引脚芯片载体。
指带窗口CLCC和带窗口的陶瓷QFJ的别称(见CLCC和QFJ)。
部分半
导体厂家采用的名称。
24、LCC(Leadlesschipcarrier)
无引脚芯片载体。
指陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装。
是高
速和