半導(dǎo)體封裝技術(shù)向高端演進(從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP)

1、半導(dǎo)體器件有許多封裝形式，按封裝的外形、尺寸、結(jié)構(gòu)分類可分為 引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝三類。從DIP、SOP QFR PGABGA到CSP再到SIP，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進。總體說來，半導(dǎo)體 封裝經(jīng)歷了三次重大革新：第一次是在上世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝，它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度；第 二次是在上世紀(jì)90年代球型矩陣封裝的出現(xiàn)，滿足了市場對高引腳 的需求，改善了半導(dǎo)體器件的性能；芯片級封裝、系統(tǒng)封裝等是現(xiàn)在 第三次革新的產(chǎn)物，其目的就是將封裝面積減到最小。高級圭寸裝實現(xiàn)圭寸裝面積最小化芯片級封裝CSP幾年之前封裝本體面積與芯片面積之比通常都 是幾倍到幾十倍，但

2、近幾年來有些公司在 BGA TSOP勺基礎(chǔ)上加以改 進而使得封裝本體面積與芯片面積之比逐步減小到接近1的水平，所以就在原來的封裝名稱下冠以芯片級封裝以用來區(qū)別以前的封裝。就 目前來看，人們對芯片級封裝還沒有一個統(tǒng)一的定義，有的公司將封 裝本體面積與芯片面積之比小于 2的定為CSP而有的公司將封裝本 體面積與芯片面積之比小于1.4或1.2的定為CSP目前開發(fā)應(yīng)用最 為廣泛的是FBGA和QFN等，主要用于內(nèi)存和邏輯器件。就目前來看， CSP的引腳數(shù)還不可能太多，從幾十到一百多。這種高密度、小巧、 扁薄的封裝非常適用于設(shè)計小巧的掌上型消費類電子裝置。CSP封裝具有以下特點：解決了 IC裸芯片不能進行

3、交流參數(shù)測試 和老化篩選的問題；封裝面積縮小到BGA勺1/4至1/10 ;延遲時間縮 到極短；CSP封裝的內(nèi)存顆粒不僅可以通過 PCB板散熱，還可以從背 面散熱，且散熱效率良好。就封裝形式而言，它屬于已有封裝形式的 派生品，因此可直接按照現(xiàn)有封裝形式分為四類：框架封裝形式、硬 質(zhì)基板圭寸裝形式、軟質(zhì)基板圭寸裝形式和芯片級圭寸裝。多芯片模塊MCM 20世紀(jì)80年代初發(fā)源于美國，為解決單一芯 片圭寸裝集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、 高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上組成多種多樣的電子模塊 系統(tǒng)，從而出現(xiàn)多芯片模塊系統(tǒng)。它是把多塊裸露的IC芯片安裝在一塊多層高密度互連襯底

4、上，并組裝在同一個封裝中。它和CSP封裝一樣屬于已有封裝形式的派生品。多芯片模塊具有以下特點：封裝密度更高，電性能更好，與等效 的單芯片封裝相比體積更小。如果采用傳統(tǒng)的單個芯片封裝的形式分 別焊接在印刷電路板上，則芯片之間布線引起的信號傳輸延遲就顯得 非常嚴(yán)重，尤其是在高頻電路中，而此封裝最大的優(yōu)點就是縮短芯片 之間的布線長度，從而達到縮短延遲時間、易于實現(xiàn)模塊高速化的目 的。WLCSP此封裝不同于傳統(tǒng)的先切割晶圓，再組裝測試的做法，而是 先在整片晶圓上進行封裝和測試，然后再切割。它有著更明顯的優(yōu)勢： 首先是工藝大大優(yōu)化，晶圓直接進入封裝工序，而傳統(tǒng)工藝在封裝之 前還要對晶圓進行切割、分類；所

5、有集成電路一次封裝，刻印工作直 接在晶圓上進行，設(shè)備測試一次完成，有別于傳統(tǒng)組裝工藝；生產(chǎn)周 期和成本大幅下降，芯片所需引腳數(shù)減少，提高了集成度；引腳產(chǎn)生 的電磁干擾幾乎被消除，采用此封裝的內(nèi)存可以支持到800MHz的頻 率，最大容量可達1GB所以它號稱是未來封裝的主流。它的不足之處是芯片得不到足夠的保護。表面貼片封裝降低PCB設(shè)計難度表面貼片封裝是從引腳直插式封裝發(fā)展而來的，主要優(yōu)點是降低 了 PCB電路板設(shè)計的難度，同時它也大大降低了其本身的尺寸大小。 用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。表 面貼片封裝根據(jù)引腳所處的位置可分為：Single -ended（引腳在一面）

6、、Dual（引腳在兩邊）、Quad（引腳在四邊）、Bottom（引腳在下面）、 BGA引腳排成矩陣結(jié)構(gòu)）及其他。Single-ended。此封裝形式的特點是引腳全部在一邊，而且引腳的數(shù) 量通常比較少。它又可分為：導(dǎo)熱型，像常用的功率三極管，只有三 個引腳排成一排，其上面有一個大的散熱片；COF是將芯片直接粘貼在柔性線路板上（現(xiàn)有的用Flip-Chip技術(shù)），再經(jīng)過塑料包封而成， 它的特點是輕而且很薄，所以當(dāng)前被廣泛用在液晶顯示器（LCD）上，以滿足LCD分辨率增加的需要。其缺點一是 Film的價格很貴，二是 貼片機的價格也很貴。Dual。此封裝形式的特點是引腳全部在兩邊，而且引腳的數(shù)量不 算多

7、。它的封裝形式比較多， 又可細(xì)分為SOT SOP SOJ SSOP HSOP 及其他。SOT系列主要有 SOT-23 SOT-223 SOT25 SOT-26 SOT323 SOT-89等。當(dāng)電子產(chǎn)品尺寸不斷縮小時，其內(nèi)部使用的半導(dǎo)體器件也必須變 小，更小的半導(dǎo)體器件使得電子產(chǎn)品能夠更小、更輕、更便攜，相同 尺寸包含的功能更多。SOT封裝既大大降低了高度，又顯著減小了 PCB 占用空間。小尺寸貼片封裝SOP飛利浦公司在上世紀(jì)70年代就開發(fā)出小尺 寸貼片封裝SOP以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP薄 小外形封裝）、VSOP甚小外形封裝）、SSOP縮小型SOP、TSSOP薄的 縮

8、小型SOP及 SOT小外形晶體管）、SOIC小外形集成電路）等。SOP 引腳數(shù)在幾十個之內(nèi)。薄型小尺寸封裝TSOP它與SOP的最大區(qū)別在于其厚度很薄，只 有1mm是SOJ的1/3 ;由于外觀輕薄且小，適合高頻使用。它以較 強的可操作性和較高的可靠性征服了業(yè)界，大部分的SDRA內(nèi)存芯片都是采用此TSOP封裝方式。TSOP內(nèi)存封裝的外形呈長方形，且封裝 芯片的周圍都有I/O引腳。在TSOP封裝方式中，內(nèi)存顆粒是通過芯 片引腳焊在PCB板上的，焊點和PCB板的接觸面積較小，使得芯片向 PCB板傳熱相對困難。而且 TSOP封裝方式的內(nèi)存在超過150MHz后， 會有很大的信號干擾和電磁干擾。J形引腳小尺

9、寸封裝SOJ引腳從封裝主體兩側(cè)引出向下呈 J字 形，直接粘著在印刷電路板的表面， 通常為塑料制品，多數(shù)用于DRAM 和SRAM等內(nèi)存LSI電路，但絕大部分是 DRAM用SOJ封裝的DRAM 器件很多都裝配在SIMM上。引腳中心距1.27mm引腳數(shù)從20至40 不等。四邊引腳扁平封裝 QFP QFP是由SOP發(fā)展而來，其外形呈扁平 狀，引腳從四個側(cè)面引出，呈海鷗翼 （L）型，鳥翼形引腳端子的一端 由封裝本體引出，而另一端沿四邊布置在同一平面上。它在印刷電路 板（PWB上不是靠引腳插入 PWB勺通孔中，所以不必在主板上打孔， 而是采用SMT方式即通過焊料等貼附在PWBt, 一般在主板表面上有 設(shè)計

10、好的相應(yīng)管腳的焊點，將封裝各腳對準(zhǔn)相應(yīng)的焊點，即可實現(xiàn)與 主板的焊接。因此，PWB兩面可以形成不同的電路，采用整體回流焊 等方式可使兩面上搭載的全部元器件一次鍵合完成，便于自動化操 作，實裝的可靠性也有保證。這是目前最普遍采用的封裝形式。此種封裝引腳之間距離很小、管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模 集成電路采用這種封裝形式。其引腳數(shù)一般從幾十到幾百，而且其封 裝外形尺寸較小、寄生參數(shù)減小、適合高頻應(yīng)用。該封裝主要適合用 SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線。但是由于 QFP的引線端子在四 周布置，且伸出PKG之外，若引線間距過窄，弓I線過細(xì)，則端子難免 在制造及實裝過程中發(fā)生變形。當(dāng)端子數(shù)超過幾百

11、個，端子間距等于 或小于0.3mm時，要精確地搭載在電路圖形上，并與其他電路組件一 起采用再流焊一次完成實裝，難度極大，致使價格劇增，而且還存在 可靠性及成品率方面的問題。采用 J字型引線端子的PLCC等可以緩 解一些矛盾，但不能從根本上解決 QFP的上述問題。由QFP衍生出來 的封裝形式還有LCCC PLCC以及TAB等。此封裝的基材有陶瓷、金屬和塑料三種。從數(shù)量上看，塑料封裝 占絕大部分，當(dāng)沒有特別表示出材料時，多數(shù)情況為塑料QFP塑料QFP是最普及的多引腳LSI封裝。QFP封裝的缺點是：當(dāng)引腳中心距 小于0.65mm時，引腳容易彎曲。為了防止引腳變形，現(xiàn)已出現(xiàn)了幾種改進的QFP品種。塑料

12、四邊引腳扁平封裝PQFP芯片的四周均有引腳，其引腳數(shù)一 般都在 100以上，而且引腳之間距離很小，管腳也很細(xì)，一般大規(guī)模 或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式。用這種形式封裝的芯片，必 須米用表面安裝設(shè)備技術(shù)（SMT）將芯片邊上的引腳與主板焊接起來。 PQFP寸裝適用于SMT表面安裝技術(shù)在PCBt安裝布線，適合高頻使用， 它具有操作方便、可靠性高、芯片面積與封裝面積比值較小等優(yōu)點。帶引腳的塑料芯片載體PLCC它與LCC相似，只是引腳從封裝的 四個側(cè)面引出，呈丁字形，是塑料制品。引腳中心距1.27mm引腳數(shù)從18到84。J形引腳不易變形，比 QFP容易操作，但焊接后的外觀 檢查較為困難。它與LCC

13、封裝的區(qū)別僅在于前者用塑料，后者用陶瓷， 但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)用陶瓷制作的J形引腳封裝和用塑料制作的無引腳封 裝。無引腳芯片載體LCC或四側(cè)無引腳扁平封裝 QFN指陶瓷基板的 四個側(cè)面只有電極接觸而無引腳的表面貼裝型封裝。由于無引腳，貼 裝占有面積比QFP小,高度比QFPf氐，它是高速和高頻IC用封裝。 但是，當(dāng)印刷基板與封裝之間產(chǎn)生應(yīng)力時，在電極接觸處就不能得到 緩解，因此電極觸點難于做到 QFP的引腳那樣多，一般從14到100 左右。材料有陶瓷和塑料兩種，當(dāng)有LCC標(biāo)記時基本上都是陶瓷QFN 塑料QFN是以玻璃環(huán)氧樹脂為基板基材的一種低成本封裝。球型矩陣封裝BGA BGA封裝經(jīng)過十幾年的發(fā)展已經(jīng)

14、進入實用化 階段，目前已成為最熱門的封裝。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，對集成電路的封裝要求越來越嚴(yán)格。 這是因為封裝關(guān)系到產(chǎn)品的性能，當(dāng)IC的頻率超過100MHz時，傳統(tǒng) 封裝方式可能會產(chǎn)生所謂的交調(diào)噪聲 "Cross-Talk Noise"現(xiàn)象，而且 當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208腳時，傳統(tǒng)的封裝方式有其難度。因此，除 使用QFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片皆轉(zhuǎn)而使用 BGA封裝。 BGA-出現(xiàn)便成為CPU高引腳數(shù)封裝的最佳選擇。BGA封裝的器件絕 大多數(shù)用于手機、網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備、數(shù)碼相機、微機、筆記本計算機、 PAD和各類平板顯示器等高檔消費市場。BGA封裝的優(yōu)點有：1.輸

15、入輸出引腳數(shù)大大增加，而且引腳間距 遠(yuǎn)大于QFP加上它有與電路圖形的自動對準(zhǔn)功能，從而提高了組裝 成品率；2.雖然它的功耗增加，但能用可控塌陷芯片法焊接，它的電 熱性能從而得到了改善，對于集成度很高和功耗很大的芯片，采用陶 瓷基板，并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而可達到電路的穩(wěn)定可 靠工作；3.封裝本體厚度比普通 QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以 上; 4.寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高;5.組裝可用共面焊接，可靠性高。BGA封裝的不足之處：BGA封裝仍與QFP PG1樣，占用基板面 積過大；塑料BGA封裝的翹曲問題是其主要缺陷，即錫球的共面性問 題。共面性的標(biāo)準(zhǔn)是為了

16、減小翹曲，提高 BGA封裝的特性，應(yīng)研究塑 料、粘片膠和基板材料，并使這些材料最佳化。同時由于基板的成本 高，而使其價格很高。小型球型矩陣封裝Tiny-BGA。它與BGA封裝的區(qū)別在于它減少了 芯片的面積，可以看成是超小型的 BGA封裝，但它與BGA封裝比卻有 三大進步：由于封裝本體減小，可以提高印刷電路板的組裝密集度； 芯片與基板連接的路徑更短，減小了電磁干擾的噪音，能適合更高的 工作頻率；具有更好的散熱性能。微型球型矩陣封裝 mBGA它是BGA的改進版，封裝本體呈正方形， 占用面積更小、連接短、電氣性能好、不易受干擾，所以這種封裝會 帶來更好的散熱及超頻性能，但制造成本極高。插入式封裝主要

17、針對中小規(guī)模集成電路弓I腳插入式封裝。此封裝形式有引腳出來，并將引腳直接插入印 刷電路板中，再由浸錫法進行波峰焊接，以實現(xiàn)電路連接和機械固定。 由于引腳直徑和間距都不能太細(xì)，故印刷電路板上的通孔直徑、間距 乃至布線都不能太細(xì)，而且它只用到印刷電路板的一面，從而難以實 現(xiàn)高密度封裝。它又可分為引腳在一端的封裝形式 (Si ngle en ded)、 引腳在兩端的圭寸裝形式 (Double ended)和引腳矩陣圭寸裝(Pin Grid Array)。引腳在一端的封裝形式大概又可分為三極管的封裝形式和單列直插封裝形式。典型的三極管引腳插入式封裝形式有TO-92、TO-126 TO-220TO-25

18、1、TO-263等，主要作用是信號放大和電源穩(wěn)壓。單列直插式封裝SIP。引腳只從封裝的一個側(cè)面引出，排列成一 條直線，引腳中心距通常為2.54mm引腳數(shù)最多為二三十，當(dāng)裝配到 印刷基板上時封裝呈側(cè)立狀。其吸引人之處在于只占據(jù)很少的電路板 面積，然而在某些體系中，封閉式的電路板限制了 SIP 封裝的高度和 應(yīng)用，加上沒有足夠的引腳，性能不能令人滿意。多數(shù)為定制產(chǎn)品， 它的封裝形狀還有 ZIP 和 SIPH。引腳在兩端的封裝形式大概又可分為雙列直插式封裝、 Z 形雙列 直插式封裝和收縮型雙列直插式封裝等。雙列直插式封裝DIP。絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路均采用這種封 裝形式，其引腳數(shù)一般不超過 100

19、。 DIP 封裝的芯片有兩排引腳，分 布于兩側(cè)，且呈直線平行布置，引腳間距為2.54mm需要插入到具有 DIP 結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何 排列的電路板上進行焊接。此封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應(yīng)特 別小心，以免損壞管腳。它的封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式 DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP等。此封裝具有以下 特點：1.適合在印刷電路板(PCB)上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面 積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。 3. 除其外形尺寸及引 腳數(shù)之外，并無其他特殊要求。帶散熱片的雙列直插式封裝DIPH主要是為功耗大于2W的器件增加的。Z形

20、雙列直插式封裝ZIP。它與DIP并無實質(zhì)區(qū)別，只是引腳呈Z 狀排列，其目的是為了增加引腳的數(shù)量，而引腳的間距仍為2.54mm。陶瓷Z形雙列直插式封裝CZIP與ZIP外形一樣，只是用陶瓷材料封 裝。收縮型雙列直插式封裝 SKDIR形狀與DIP相同，但引腳中心距 為1.778mm小于DIP(2.54mm),弓I腳數(shù)一般不超過100，材料有陶瓷和塑料兩種引腳矩陣封裝PGA它是在DIP的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)高速度、多引 腳化（提高組裝密度 ）而出現(xiàn)的。此封裝其引腳不是單排或雙排，而是 在整個平面呈矩陣排布，在芯片的內(nèi)外有多個方陣形的插針，每個方 陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，與DIP相比，在不增加引

21、腳間距的情況下，可以按近似平方的關(guān)系提高引腳數(shù)。根據(jù)引腳數(shù)目 的多少，可以圍成2圈-5圈，其引腳的間距為2.54mm引腳數(shù)量從 幾十到幾百。PGA封裝具有以下特點：1.插拔操作更方便，可靠性高；2.可適應(yīng) 更高的頻率 ;3. 如采用導(dǎo)熱性良好的陶瓷基板，還可適應(yīng)高速度、大 功率器件要求 ;4. 由于此封裝具有向外伸出的引腳，一般采用插入式 安裝而不宜采用表面安裝 ;5. 如用陶瓷基板，價格又相對較高，因此 多用于較為特殊的用途。它又分為陳列引腳型和表面貼裝型兩種。陳列引腳型PGA是插裝型封裝，其底面的垂直引腳呈陳列狀排 列。封裝材料基本上都采用多層陶瓷基板 （ 在未專門表示出材料名稱 的情況下，多數(shù)為陶瓷PGA）,用于高速大規(guī)模邏輯LSI電路，成本較 高。引腳中心距通常為2.54mm引腳數(shù)從幾十到500左右，引腳長約 3.4mm為了降低成本，圭寸裝基材可用玻璃環(huán)氧樹脂印刷基板代替， 也有64256引腳的塑料PGA表面貼裝型PGA在封裝的底面有陳列狀的引腳，其長度從1.5mm 到2.0mm貼裝采用與印刷基板碰焊的方法，因而也稱為碰焊PG