集成电路封装技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,集成电路封装技术,清华大学 微电子所,贾松良,Tel:[phone] Fax:[phone],Email:jiasl,2005,年,6,月,12,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一,1.,世界半导体工业仍在高速发展,2003,2004,16.827.4%,4,2.,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中国建立封装测试厂,名,次,公司名,销售额（亿美元）,增长率,2002,年,2001,年,2002,年,2001,年,1,1,Intel,上海,234.7,235.4,-0.3%,2,4,三星,苏州,91.8,61.4,49.5%,3,3,ST,微电子,深圳,63.1,63.6,-0.9%,4,5,TI,62.0,60.5,2.5%,5,2,东芝,无锡,61.9,65.4,-5.5%,6,8,Infineon,苏州,53.6,45.6,17.5%,7,6,NEC,北京,52.6,53.0,-0.8%,8,7,Motorola,天津,47.3,48.3,-2.0%,9,9,菲利浦,苏州,43.6,44.1,-1.1%,10,10,日立,(,瑞萨,),苏州,40.5,42.4,-4.6%,9,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）,16.000,5,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,193.44,11,9.,中国将进入世界半导体封装产业的第四或第二位,亚洲,日本,马来西亚,台湾,菲律宾,中国大陆,韩国,2001,年,90%,22.9%,1,17.6%,2,11.3%,4,11.5%,3,5.1%,7,10.2%,5,2006,年,91.3%,17.1%,1,17.0%,2,13.0%,3,11.0%,4,11.0%,4,10.5%,6,新加坡,香港,印尼,泰国,欧洲,美洲,美国,2001,年,7.5%,6,2.2%,1.1%,0.7%,3.2%,6.8%,3.9%,2006,年,7.0%,7,2.0%,1.5%,1.2%,2.6%,6.1%,3.3%,世界半导体封装业产值分布和产值名次排序,12,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，,到,2006,年有可能进入并列第四位。,13,二、集成电路（,IC,）封装的作用和类型,1,IC,封装的定义：,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 device,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，,最后是塑料封装。,性能分：金属和陶瓷封装是气密封装，,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，塑封是,“,实封,”,；,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。,22,按引线形状,无引线：焊点、焊盘,有引线：,TH,直插,外壳,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 55,57%,PDIP 14%,QFP(PLCC)12%,BGA 4,5%,27,三、,IC,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,29,2.,技术发展趋势,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,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,就成器件。,芯片与封装的互连：从引线键合（,WB,）向倒装焊,（,FC,）转变。,微电子封装和,PCB,板之间的互连：,已由通孔插装,(PTH),为主转为表面安装（,SMT,）为主。,30,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,=S,d,/S,p,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,S,d,/S,p,(27)%,(1030)%,(2080)%,(5090)%,33,表,2,封装厚度的变化,封装形式,PQFP/PDIP,TQFP/TSOP,UTQFP/UTSOP,封装厚度,(mm),3.62.0,1.41.0,0.80.5,34,表,3,引线节距缩小的趋势,年份,1980,1985,1990,1995,2000,典型封装,DIP,PGA,SDIP,PLCC,BGA,QFP,QFP,CSP,CSP,DCA,典型引线节距,(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,图,8,封装厚度比较,37,除非裸芯片，很难使封装体厚度,t,p,小于,0.5mm,。,t,p,=,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,2.0,3.1,1.0mm,，相当于一粒大米！,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：,0.40,0.70,，,0.30,0.50,，,0.35,0.70 mm,2,，,多数取,0.30,0.50 mm,2,。,封装总体高度有：,0.5,，,0.8,，,0.9,，,0.95,，,1.00,，,1.20,，,1.70 mm,等，多数取,1.20 mm,。,75,4.WLP,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,S,d,/S,p,1,，,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,（,t,si,+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,WLP,。,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、集成电路外壳的选择,（一）基本选择原则,1.,根据器件产品的基本属性，外壳性能应符合器件产品的要求。,产品的市场应用分类：,日用品类：消费品类等，低价值；,DIP,、,SOP,、,COB,手持类：手机等，电池电源，轻便；,SOP,、,TSOP,、,COB,、,BGA,、,CSP,成本性能类：笔记本式，台式个人计算机；,QFP,、,SOP,、,PLCC,、,BGA,高性能类：高级工作站、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、陶瓷等封装,存贮器类：,DRAM,，,SRAM,等引线数少，高密度，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：,I,max,，,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,R,T,，最大耗散功率,P,cm,，最高工作结温,T,jm,。,耐温度范围（工作温度，贮存温度），,耐热冲击，温度循环的等级。,环境和可靠性试验等级,气密性，振动，冲击，离心,老炼筛选：双,85,（,85/85%RH,）。,性能基本符合要求，并有一定冗余和较高的成品率。,2.,经济效益高：性能,/,价格比高；时效好。,性能效益间需折衷考虑,!,83,各类封装的价格比（,1999,年）,封装类型,引出端数,封装价格,（）,引出端单价,（,/pin),平均引出端单价比,DIP,SOP,TSOP,QFP,TQFP,PPGA,PBGA,864L,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）具体选择原则：,1.,产品等级：军品，气密封装：应选陶瓷或金属外壳。,民品，非气密封装：选塑料封装（或准气密性）,军品要符合我国国军标,GJB 548A,要求,或美军标,MIL-STD 883E,要求。,对军品外壳有一系列严格的试验程序，其价格是民品的,2,10,倍，需特殊设计，不能简单从民品中挑选。,85,军品,民品,模拟集成电路,AIC,55,+125,0,70,，,25,85,数字集成电路,DIC,55,+125,0,70,也有高的，如汽车电路,工作温度范围,气密性：（方法,1014.7,）,否则为失效,军品外壳：要求是氦（,He,）细检漏,510,-3,210,-2,Pacm,3,/s.,腔体积,要求：测量的氦漏气速率,R,1,1,、,b,1,，,Bell,实验室的研究表明，符合他们的,Rent,定律为：,n=4.5 g,0.5,（,1981,年前后）,Unisys,的门阵列逻辑电路为：,n=2.2 g,0.6,89,电源（包括：,“,地,”,端）引出端数也与电路技术有关，,Bell,的样品为：,m(,电源的引出端数,)n/4n/5,对于电源引出端数,m,还要考虑：引线上的直流压降，,噪声容限（尤其对高速电路），,即要考虑,R,串、,L,串、,C,的作用。,N=m+n,Rent,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：,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，,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：,以适应,MSI,、,LSI,、,VLSI,芯片不同的要求。,（见表,5.33,和表,5.34SEMI,标准资料：,GDIP,和,CDIP,尺寸举例）,内腔的选择：主要决定于芯片大小。,（,1,）芯片尺寸,L,W,H,（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,；,91,太短,太长,挤到上表面,太小：芯片粘接剂上翻，沾污芯片表面。,引线压焊点太近,!,太大：内引线跨度太大。,机械强度不行，易塌丝。或模塑时冲歪丝。,（内引线长度的一般规定）,92,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,）。,