微电子封装技术综述论文资料

微电子封装技术综述论文

摘要：我国正处在微电子工业蓬勃发展的时代，对微电子系统封装材料及封装技术的研究也方兴未艾。本文主要介绍了微电子封装技术的发展过程和趋势，同时介绍了不同种类的封装技术，也做了对微电子封装技术发展前景的展望和构想。

关键字：微电子封装封装技术发展趋势展望

一封装技术的发展过程

近四十年中，封装技术日新月异，先后经历了3次重大技术发展。

IC封装的引线和安装类型有很多种，按封装安装到电路板上的方式可分为通孔插入式TH 和表面安装式SM，或按引线在封装上的具体排列分为成列四边引出或面阵排列。微电子封装的发展历程可分为3个阶段：

第1阶段，上世纪70年代以插装型封装为主。70年代末期发展起来的双列直插封装技术DIP，可应用于模塑料，模压陶瓷和层压陶瓷封装技术中，可以用于IO数从8~64的器件。这类封装所使用的印刷线路板PWB成本很高，与DIP相比，面阵列封装，如针栅阵列PGA，可以增加TH类封装的引线数，同时显著减小PWB的面积。PGA系列可以应用于层压的塑料和陶瓷两类技术，其引线可超过1000。值得注意的是DIP和PGA等TH封装由于引线节距的限制无法实现高密度封装。

第2阶段，上世纪80年代早期引入了表面安装焊接技术，SM封装，比较成熟的类型有模塑封装的小外形，SO和PLCC型封装，模压陶瓷中的CERQUAD层压陶瓷中的无引线式载体LLCC和有引线片式载体LDCC，PLCC，CERQUAD，LLCC和LDCC都是四周排列类封装。其引线排列在封装的所有四边，由于保持所有引线共面性难度的限制PLCC的最大等效引脚数为124。为满足更多引出端数和更高密度的需求，出现了一种新的封装系列，即封装四边都带翼型引线的四边引线扁平封装QFP 与DIP，相比QFP的封装尺寸大大减小且QFP具有操作方便，可靠性高，适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，封装外形尺寸小，寄生参数减小适合高频应用。Intel公司的CPU，如Intel80386就采用的PQFP。

第3阶段，上世纪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，对集成电路封装要求更加严格，IO引脚数急剧增加，功耗也随之增大。因此，集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展，出现了球栅阵列封装BGA，并很快成为主流产品。90年代后期，新的封装形式不断涌现并获得应用，相继又开发出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装CSP。与时，多芯片组件MCM发展迅速，MCM是将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线基板上，经过整体封装而构成的具有多芯片的电子组件。封装技术的发展越来越趋向于小型化，低功耗，高密度，典型的主流技术就是BGA技术和CSP技术。BGA技术有很多种形式如陶瓷封装BGA，CBGA塑料封装，BGA PBGA以及Micro BGA。BGA与PQFP相比，BGA引线短，因此热噪声和热阻抗很小，散热好。耦合的电噪声小，同时BGA封装面积更小，引脚数量更多，且BGA封装更适于大规模组装生产，组装生产合格率大大提高。随着对高IO引出端数和高性能封装需求的增长，工业上已经转向用BGA球栅阵列封装代替QFP。

随着封装技术的发展及进步，我国科研院所从事电子封装技术研究是与电子元器件的研制同时起步的，随着电子元器件技术的发展，电子封装技术同步发展。特别是集成电路技术的发展，促进了电子封装技术日新月异的变化。目前，全国从事封装技术研究的科研院所有33家，其中信息产业部系统16家，其他系统17家。从事封装研究的从业人员1890余人，其中技术人员900余人，主要从事：陶瓷外壳封装、塑料外壳封装、金属外壳封装、金属-

陶瓷外壳封装以及外壳研制、封装设备研制、封装材料研制、测试技术研究、封装技术培训及咨询服务。封装形式从DIP、SOP、OFP、LCC到BGA、CSP、FC、WLP等，引脚数从8发展到目前的391，标志着封装技术达到了新的水平。

二封装技术概述

微电芯片封装在满足器件的电、热、光机械性能的基础上，主要应实现芯片与外电路和互联，并对器件和系统的小型化、高可靠性、高性价比也起到关键作用。

封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其他器件连接，封装形式是指安装半导体集成电路芯片和外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路连接。因为芯片必须与外界隔离，以防空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成的电气性能的下降，另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与它连接的PCB和设计和制造，因此它是至关重要的。

衡量一个芯片封装技术先进与否和重要指标是芯片面积与封装面积比，这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素：

1、芯片面积与封装面积比为提高封装效率，尽量接近1：1；

2、引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能；

3、基于散热要求，封装越薄越好。

封装主要分为DIP双列直插和SDM贴片封装两种从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJ、TSSOP、SOT、SSOP、TSOP、VSOP、SOIC等。从材质方面方面，包括金属、陶瓷、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。

三封装的作用

集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是尖顶又是基座。说它同时处于这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件（如晶体管）的密度这个脚度上来说，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不仅仅是单片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。

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，免其受物理损伤；2）重新分布，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。

四封装技术种类

自二十世纪几十年代以来迅速发展的新型微电子封装技术，包括寒秋阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、原片级封装（WLP）、三位封装（3D）和系统封装（SIP）等项技术。

1焊球阵列封装(BGA)

阵列封装(BGA)是世界上九十年代初发展起来的一种新型封装。

这种BGA的突出的优点：①电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感;②封装密度更高;由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。例如边长为31mm的BGA，当焊球节距为1mm时有900只引脚，相比之下，边长为32mm，引脚节距为0.5mm的QFP只有208只引脚;③BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠;④由于焊料熔化时的表面张力具有"自对准"效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率;⑤BGA引脚牢固，转运方便;⑥焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA得到爆炸性的发展。BGA因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装(PBGA)，陶瓷焊球阵列封装(CBGA)，载带焊球阵列封装(TBGA)，带散热器焊球阵列封装(EBGA)，金属焊球阵列封装(MBGA)，还有倒装芯片焊球阵列封装(FCBGA。PQFP可应用于表面安装，这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距达到0.5mm时，它的组装技术的复杂性将会增加。所以PQFP一般用于较低引线数(208条)和较小的封装休尺寸(28mm见方)。因此，在引线数大于200条以上和封装体尺寸超过28mm见方的应用中，BGA封装取代PQFP是必然的。在以上几类BGA封装中，FCBGA最有·希望成为发展最快的BGA封装，我们不妨以它为例，叙述BGA的工艺技术和材料。FCBGA除了具有BGA的所有优点以外，还具有：①热性能优良，芯片背面可安装散热器;

②可靠性高，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲劳寿命大大增强;③可返修性强。

FCBGA所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术、倒装芯片焊接技术、多层印制板制作技术(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充技术、焊球附接技术、散热板附接技术等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料：Au、PbSn和AuSn等;凸点下金属化材料：Al/Niv/Cu、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料：PbSn焊料、无铅焊料;多层基板材料：高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)、BT树脂基板;底部填充材料：液态树脂;导热胶：硅树脂;散热板：铜。目前，国际上FCBGA的典型系列示于表1。

2 芯片尺寸封装(CSP)

芯片尺寸封装(CSP)和BGA是同一时代的产物，是整机小型化、便携化的结果。美国JEDEC 给CSP的定义是：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%的封装称为CSP。由于许多CSP采用BGA的形式，所以最近两年封装界权威人士认为，焊球节距大于等于lmm的为BGA，小于lmm的为CSP。由于CSP具有更突出的优点：①近似芯片尺寸的超小型封装;②保护裸芯片;③电、热性优良;④封装密度高;⑤便于测试和老化;⑥便于焊接、安装和修整更换。因此，九十年代中期得到大跨度的发展，每年增长一倍左右。由于CSP正在处于蓬勃发展阶

段，因此，它的种类有限多。如刚性基板CSP、柔性基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片级CSP(WLCSP)等。CSP的引脚节距一般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列。

一般地CSP，都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的，而WLCSP则不同，它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP) 。因此，除了CSP的共同优点外，它还具有独特的优点：①封装加工效率高，可以多个圆片同时加工;②具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小;③与前工序相比，只是增加了引脚重新布线(RDL)和凸点制作两个工序，其余全部是传统工艺;④减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型IC封装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高。图4示出了WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流程。

WLCSP所涉及的关键技术除了前工序所必须的金属淀积技术、光刻技术、蚀刻技术等以外，还包括重新布线(RDL)技术和凸点制作技术。通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层，为了使WLP适应了SMT二级封装较宽的焊盘节距，需将这些焊盘重新分布，使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布，这就需要重新布线(RDL)技术。另外将方形铝焊盘改为易于与焊料粘接的圆形铜焊盘，重新布线中溅射的凸点下金属(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu应有足够的厚度(如数百微米)，以便使焊料凸点连接时有足够的强度，也可以用电镀加厚Cu层。焊料凸点制作技术可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法最为广泛，其次是焊膏印刷法。重新布线中UBM材料为Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。所用的介质材料为光敏BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)凸点材料有Au、PbSn、AuSn、In等。

3 3D封装

3D封装主要有三种类型，即埋置型3D封装，当前主要有三种途径：一种是在各类基板内或多层布线介质层中"埋置"R、C或IC等元器件，最上层再贴装SMC和SMD来实现立体封装，这种结构称为埋置型3D封装;第二种是在硅圆片规模集成(WSl)后的有源基板上再实行多层布线，最上层再贴装SMC和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型3D封装;第三种是在2D封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型3D封装。在这些3D封装类型中，发展最快的是叠层裸芯片封装。原因有两个。一是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动，要求在增加功能的同时减薄封装厚度。二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容，经过改进很快能批量生产并投入市场。据Prismarks预测，世界的手机销售量将从2001年的393M增加到2006年的785M～1140M。年增长率达到15～24%。因此在这个基础上估计，叠层裸芯片封装从目前到2006年将以50～60%的速度增长。图6示出了叠层裸芯片封装的外形。它的目前水平

和发展趋势示于表3。

叠层裸芯片封装有两种叠层方式，一种是金字塔式，从底层向上裸芯片尺寸越来越小;另一种是悬梁式，叠层的芯片尺寸一样大。应用于手机的初期，叠层裸芯片封装主要是把FlashMemory和SRAM叠在一起，目前已能把FlashMemory、DRAM、逻辑IC和模拟IC等叠在一起。叠层裸芯片封装所涉及的关键技术有如下几个。①圆片减薄技术，由于手机等产品要求封装厚度越来越薄，目前封装厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm。而叠层芯片数又不断增加，因此要求芯片必须减薄。圆片减薄的方法有机械研磨、化学刻蚀或ADP(Atmosphere DownstreamPlasma)。机械研磨减薄一般在150μm左右。而用等离子刻蚀方法可达到100μm，对于75-50μm的减薄正在研发中;②低弧度键合，因为芯片厚度小于150μm，所以键合弧度高必须小于150μm。目前采用25μm金丝的正常键合弧高为125μm，而用反向引线键合优化工艺后可以达到75μm以下的弧高。与此同时，反向引线键合技术要增加一个打弯工艺以保证不同键合层的间隙;③悬梁上的引线键合技术，悬梁越长，键合时芯片变形越大，必须优化设计和工艺;④圆片凸点制作技术;⑤键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑技术。由于键合引线密度更高，长度更长，形状更复杂，增加了短路的可能性。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的转移速度有助于减小键合引线的摆动。目前已发明了键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑技术。

4系统封装(SIP)

实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。一种是系统级芯片(Systemon Chip)，简称SOC。即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能;另一种是系统级封装(SysteminPackage)，简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲，这是两条技术路线，就象单片集成电路和混合集成电路一样，各有各的优势，各有各的应用市场。在技术上和应用上都是相互补充的关系，作者认为，SOC应主要用于应用周期较长的高性能产品，而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品。

SIP是使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。主要的优点包括：①采用现有商用元器件，制造成本较低;②产品进入市场的周期短;③无论设计和工艺，有较大的灵活性;④把不同类型的电路和元件集成在一起，相对容易实现。美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单级集成模块(SingleIntegrated Module)简称SLIM，就是SIP的典型代表，该项目完成后，在封装效率、性能和可靠性方面提高10倍，尺寸和成本较大下降。到2010年预期达到的目标包括布线密度达到6000cm/cm2;热密度达到100W/cm2;元件密度达到5000/cm2;I/O密度达到3000/cm2。

尽管SIP还是一种新技术，目前尚不成熟，但仍然是一个有发展前景的技术，尤其在中国，可能是一个发展整机系统的捷径。

五封装的发展趋势

在较长一段时期内，集成电路封装几乎没有多大变化，6～64根引线的扁平和双列式封装，基本上可以满足所有集成电路的需要。对于较高功率的集成电路，则普遍采用金属圆形和菱形封装。但是随着集成电路的迅速发展，多于64，甚至多达几百条引线的集成电路愈来愈多。如日本40亿次运算速度的巨型计算机用一块ECL．复合电路，就采用了462条引线的PGA。过去的封装形式不仅引线数已逐渐不能满足需要，而且也因结构上的局限而往往影响器件的电性能。同时，整机制造也正在努力增加印制线路板的组装密度、减小整机尺寸来提高整机性能，这也迫使集成电路去研制新的封装结构，新的封装材料来适应这一新的形势。因此，集成电路封装的发展趋势大体有以下几个方面：

1. 表面安装式封装将成为集成电路封装主流集成电路的表面安装结构是适应整机系统的需要而发展起来的，主要是因为电子设备的小型化和轻量化，要求组装整机的电子元器件外形结构成为片式，使其能平贴在预先印有焊料膏的印制线路板焊盘上，通过再流焊工艺将其焊接牢固。这种作法不仅能够缩小电子设备的体积，减轻重量，而且这些元器件的引线很短，可以提高组装速度和产品性能，并使组装能够柔性自动化。

表面安装式封装一般指片式载体封装、小外形双列封装和四面引出扁平封装等形式，这类封装的出现，无疑是集成电路封装技术的一大进步。

2．集成电路封装将具有更多引线、更小体积和更高封装密度

随着超大规模和特大规模集成电路的问世，集成电路芯片变得越来越大，其面积可达

7mm×7mm，封装引出端可在数百个以上，并要求高速度、超高频、低功耗、抗辐照，这就要求封装必须具有低应力、高纯度、高导热和小的引线电阻、分布电容和寄生电感，以适应更多引线、更小体积和更高封装密度的要求。

要想缩小封装体积，增加引线数量．唯一的办法就是缩小封装的引线间距。一个40线的双列式封装要比68线的H式载体封装的表面积大20%，其主要区别就是引线目距由2.54mm 改变自1.27mm或1.00cmm。不难想像，如果引线间距进而改变为0.80mm，O.65mm甚至0 50mm，则封装的表面积还会太大地缩小。但是为了缩小引线间距，这势必带来了一系列新的目题，如印线精密制造就必须用光致腐蚀的蚀刻工艺来代替机械模具的冲制加工，并必须解决引线间距缩小所引起的引线间绝缘电阻的降低和分步电容的增大等各个方面研究课题。

集成电路芯片面积增大，通常其相应封装面积也在加大，这就对热耗散问题提出了新的挑战。这个问题是一个综台性的，它不仅与芯片功率、封装材料、封装结构的表面积和最高结温有关，还与环境温度和冷玲方式等有关，这就必须在材料的选择、结构的设计和冷却的手段等方面作出新的努力。

3.塑料封装仍然是集成自路的主要封装形式

塑料模塑封装具有成本低、工艺简单和便于自动化生产等优点，虽然在军用集成电路标准中明文规定，封装结构整体不得使用任何有机聚合物材料，但是目前在集成电路总量中，仍有85%以上采用塑料封装。

塑料封装与其他封装相比，其缺点主要是它属于非气密或半气密封装，所以抗潮湿性能差，易受离子污染；同时热稳定性也不好，对电磁波不能屏蔽等，因而对于高可靠的集成电路不宜选用这种封装形式。但是近几年来，塑料封装的模塑材料、引线框架和生产工艺已经不断完善和改进，可靠性也已大大提高，相信在这个基础上，所占封装比例还会继续增大。

4.直接粘结式封装将取得更大发展

集成电路的封装经过插入式、表面安装式的变革以后，一种新的封装结构—直接粘结式已经经过研制、试用达到了具有商品化的价值，并且取得了更大的发展，据国际上预测，直接粘结式封装在集成电路中所占比重将从1990年的8%上升至2000年的22%，这一迅速上升的势头，说明了直接粘结式封装的优点和潜力。

所谓直接粘结式封装就是将集成电路芯片直接粘结在印制线路板或覆有金属引线的塑料薄膜的条带上，通过倒装压焊等组装工艺，然后用有机树脂点滴形加以覆盖。当前比较典型的封装结构有芯片板式封装（COB）、载带自动焊接封装（TAB）和倒装芯片封转（FLIPCHIP）等树种，而其中COB封装和TAB封装已经大量使用于音乐、语音、钟表程控和照相机快门等直接电路。

直接粘结式封装其所以能够迅速发展，最重要的因素是它能适用于多引线、小间距、低成本的大规模自动化或半自动化生产，并且简化了封装结构和组装工艺。例如COB封装不再使用过去的封装所必需的金属外引线；TAB封装采用倒装压焊而不再使用组装工艺必须的内引线键合。这样，一方面减少了键合的工作量，另一方面因减少引线的压焊点数而提高了集成电路的可靠性。

在我国COB封装已经大量生产，而TAB封装尚处于开发阶段，相信在今后的集成电路中，这类封装会占据一定的地位和取得更大的发展。

5. 功率集成电路封装小型化已成为可能

功率集成电路的封装结构，受封装材料的导热性能影响，造成封装体积较大而与其他集成电路不相匹配，已成为人们关注的问题之一，而关键所在是如何采用新的封装材料。

功率集成电路所用的封装材料，不仅要求其导热性能好，而且也要求线膨胀系数低，并具备良好的电气性能和机械性能。随着科学的进步，一些新的材料已经开始应用到集成电路方面来，如导热性能接近氧化铍（BeO）线膨胀系数接近硅（Si）的新陶瓷材料—氮化铝（AlN），将成为功率集成电路封装结构的主体材料，从而大大地缩小了体积和改善了电路的性能，相信将来还会有更多的新材料参与到这一领域中来，使功率集成电路能进一步缩小体积。

另外，采用氟利昂小型制冷系统对功率集成电路进行强制冷却，以降低其表面环境温度来解决封装的功耗，已在一些大型计算机中得到实现。这样在改变封装结构的外形设计、使用新的封装材料的同时，再改善外部冷却条件，那么集成电路的热性能就可取得更大的改善。

参考文献：

1 高尚通、杨克武、新型微电子封装技术、电子与封装2004.4

2 李可为编著，集成电路芯片封装技术，北京：电子工业出版社，2010.12 3田民波主编，《电子封装工程》，清华大学出版社，2003年

4田民波，林金堵，祝大同，《高密度封装基版》，清华大学出版社，2003年

5王卫平，《电子工艺基础》，第2版，北京：电子工艺出版社，2004年

6林明祥编著，《集成电路制作工艺》，北京：机械工艺出版社，2005