第三章封裝與測試技術ok

1、EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計雙列直插式（雙列直插式（DIP：Dual In-line Package)表面安裝封裝（表面安裝封裝（SMP：Surface Mounted Package）球型陣列封裝（球型陣列封裝（BGA：Ball Grid Arrag）芯片尺寸封裝（芯片尺寸封裝（CSP：Chip Scale Package)晶圓級尺寸封裝（晶圓級尺寸封裝（WLP：Wafer Level CSP）薄型封裝（薄型封裝（PTP：Paper Thin Package ）多層薄型封裝（多層薄型封裝（Stack PTP）裸芯片封裝（裸芯片封裝（COB ，F(xiàn)li

2、p chip）3.1 系統(tǒng)封裝EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 DIP封裝結構形式 1965年陶瓷雙列直插式年陶瓷雙列直插式DIP和和 塑料包封結構式塑料包封結構式DIP 引腳數(shù)：引腳數(shù)：664， 引腳節(jié)距：引腳節(jié)距：2.54mm 衡量一個芯片封裝技術先進與否的重要指標是芯片面積衡量一個芯片封裝技術先進與否的重要指標是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近與封裝面積之比，這個比值越接近1越好。越好。 例：例：40根根I/O引腳塑料雙列直插式封裝引腳塑料雙列直插式封裝(PDIP)的的CPU 芯片面積/封裝面積=33/15.2450=1：86 這種封裝尺寸遠比芯片大，說明封裝效率很低，占去了這

3、種封裝尺寸遠比芯片大，說明封裝效率很低，占去了很多有效安裝面積。很多有效安裝面積。 Intel公司這期間的公司這期間的CPU如如8086、80286都采用都采用PDIP封裝。封裝。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計SMP表面安裝封裝1980年出現(xiàn)表面安裝器件，包括：年出現(xiàn)表面安裝器件，包括：小外型晶體管封裝（小外型晶體管封裝（SOT）翼型（翼型（L型）引線小外型封裝（型）引線小外型封裝（SOP）丁型引線小外型封裝（丁型引線小外型封裝（SOJ）塑料丁型四邊引線片式載體（塑料丁型四邊引線片式載體（PLCC）塑料塑料L型四邊引線扁平封裝（型四邊引線扁平封裝（PQFP）引線數(shù)為：引線數(shù)為：3300，

4、 引線節(jié)距為引線節(jié)距為1.270.4mmEE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計例：例：0.5mm焊區(qū)中心距，焊區(qū)中心距，208根根I/O引腳的引腳的QFP封裝封裝的的CPU 外形尺寸外形尺寸2828mm，芯片尺寸，芯片尺寸1010mm， 芯片面積芯片面積/封裝面積封裝面積=1010/2828=1：7.8 QFP比比DIP的封裝尺寸大大減小。的封裝尺寸大大減小。QFP的特點是的特點是:1.適合用適合用SMT表面安裝技術在表面安裝技術在PCB上安裝布線上安裝布線;2.封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應用封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應用;3.操作方便操作方便;4.可靠性高。可靠性高。在

5、這期間，在這期間，Intel公司的公司的CPU，如，如Intel 80386就采就采用塑料四邊引出扁平封裝用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 BGA球柵陣列封裝90年代出現(xiàn)球柵陣列封裝，年代出現(xiàn)球柵陣列封裝，BGA封裝特點封裝特點:1.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠大于引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠大于QFP，從而提高了組裝成品率從而提高了組裝成品率;2.雖然它的功耗增加，但雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能；法焊接，從而可以改善它的電熱性能； 3.厚度比厚度比QFP減少減少1/2以上，重量減輕以上，重

6、量減輕3/4以上以上;4.寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高大提高;5.組裝可用共面焊接，可靠性高組裝可用共面焊接，可靠性高;6.BGA封裝仍與封裝仍與QFP一樣，占用基板面積過大。一樣，占用基板面積過大。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 BGA球柵陣列封裝EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計BGA的外引線為焊料球，焊球節(jié)距為的外引線為焊料球，焊球節(jié)距為1.51.0mm。BGA封裝比封裝比QFP先進，但它的芯片面積先進，但它的芯片面積/封裝面積封裝面積的比值仍很低。的比值仍很低。改進型的改進型的BGA稱為稱為BGA，按，按0.5mm焊區(qū)中

7、心距，焊區(qū)中心距，芯片面積芯片面積/封裝面積的比為封裝面積的比為1:4，比，比BGA前進了一前進了一大步。大步。 Intel公司對這種集成度很高公司對這種集成度很高(單芯內達單芯內達300萬只以上萬只以上晶體管晶體管)，功耗很大的，功耗很大的CPU芯片，如芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium 采用陶瓷針柵陣列封采用陶瓷針柵陣列封裝裝CPGA和陶瓷球柵陣列封裝和陶瓷球柵陣列封裝CBGA，并在外殼，并在外殼上安裝微型排風扇散熱，從而達到電路的穩(wěn)定可上安裝微型排風扇散熱，從而達到電路的穩(wěn)定可靠工作?？抗ぷ?。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 CSP芯片尺寸封裝1994年年

8、9月日本三菱電氣研究出一種月日本三菱電氣研究出一種 芯片面積芯片面積/封裝面積封裝面積=1：1.1的封裝結構，其封裝的封裝結構，其封裝外形尺寸只比裸芯片大一點點。也就是說，單個外形尺寸只比裸芯片大一點點。也就是說，單個IC芯片有多大，封裝尺寸就有多大，從而誕生了芯片有多大，封裝尺寸就有多大，從而誕生了一種新的封裝形式一種新的封裝形式CSP。 CSP封裝具有以下特點封裝具有以下特點:1.滿足了滿足了LSI芯片引出腳不斷增加的需要芯片引出腳不斷增加的需要;2.解決了解決了IC裸芯片不能進行交流參數(shù)測試和老化裸芯片不能進行交流參數(shù)測試和老化篩選的問題篩選的問題;3.封裝面積縮小到封裝面積縮小到BGA

9、的的1/4至至1/10，延遲時間，延遲時間縮小到極短?？s小到極短。 EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計晶圓級尺寸封裝WLPWLPWLP可以有效提高封裝集成度，是芯片尺寸封可以有效提高封裝集成度，是芯片尺寸封裝裝CSPCSP中空間占用最小的一種。中空間占用最小的一種。傳統(tǒng)封裝是以劃片后的單個芯片為加工目標，傳統(tǒng)封裝是以劃片后的單個芯片為加工目標，而而WLPWLP的處理對象為晶圓，直接在晶圓上進的處理對象為晶圓，直接在晶圓上進行封裝和測試，隨后切割成一顆顆己經(jīng)封裝行封裝和測試，隨后切割成一顆顆己經(jīng)封裝好的好的ICIC，然后在，然后在ICIC上生長金屬凸點，用倒裝上生長金屬凸點，用倒裝技術粘貼到基

10、板或玻璃基底上，最后再裝配技術粘貼到基板或玻璃基底上，最后再裝配到到PCBPCB上。上。 EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 晶圓級尺寸封裝WLPEE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計薄型封裝PTP和多層薄型封裝（Stack PTP） 單層單層PTP厚度：厚度：3050微米微米 在在IC卡的應用中多采用單層的卡的應用中多采用單層的PTP 多層多層PTP： 大生產(chǎn)大生產(chǎn) 35層層 實驗室實驗室 1014層層EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計裸芯片技術（COB ，F(xiàn)lip chip）COB技術：技術：芯片主體和I/O端子在晶體的上方，在焊接時將此裸片用導電、導熱膠粘接在PCB上，凝固后用Bong

11、er機將金屬絲（Al/Au）在超聲、熱壓的作用下，分別連接在芯片的I/O端子焊區(qū)和PCB相應的焊盤上，測試合格后，再封上樹脂膠。與其它封裝技術相比，COB技術有以下優(yōu)點： 價格低廉、節(jié)約空間、工藝成熟。缺點：另配焊接機和封裝機、封裝速度慢、PCB貼片對環(huán)境要求更為嚴格、無法維修。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 Flip chip技術：技術：又稱為倒裝片，與COB相比，芯片結構與I/O端子（錫球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整個芯片表面，故在封裝密度和處理速度上已達到頂峰。它可以采用SMT技術的手段來加工，是封裝技術及高密度安裝的方向。90年代，該技術已在多種行業(yè)的電子產(chǎn)品中加以推廣，

12、特別是用于便攜式的通信設備中。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 將高集成度、高性能、高可靠的將高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片芯片(IC)和和專用集成電路芯片專用集成電路芯片(ASIC)在高密度多層互聯(lián)基在高密度多層互聯(lián)基板上用表面安裝技術板上用表面安裝技術(SMT)組裝成為多種多樣電組裝成為多種多樣電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。 MCM的特點有的特點有:1.1.封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化。封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化。2.2.縮小整機縮小整機/ /組件封裝尺寸和重量，一般體積減組件封裝尺寸和重量，一般體積減小小1/41/4，重量減輕，重量減輕1/31

13、/3。 3.3.可靠性大大提高。可靠性大大提高。4.4.更多的更多的I/OI/O端。端。 5.5.具有系統(tǒng)功能的高級混合集成組件。尤其適具有系統(tǒng)功能的高級混合集成組件。尤其適用于通訊和個人便攜式應用系統(tǒng)。用于通訊和個人便攜式應用系統(tǒng)。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計二維MCM：所有元件安置在一個平面上。：所有元件安置在一個平面上。三維MCM：在：在X-Y平面和平面和Z方向上安置元件，所方向上安置元件，所有元件以疊層的方式被封裝在一起。有元件以疊層的方式被封裝在一起。三維MCM的特點： 重量更輕重量更輕 體積更小體積更小 更高的組裝效率更高的組裝效率 更高的可靠性更高的可靠性 縮短信號延遲時

14、間縮短信號延遲時間 降低功耗降低功耗 減小信號噪聲減小信號噪聲EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 MCM封裝模式EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q作為新一代集成技術的片上系統(tǒng)（作為新一代集成技術的片上系統(tǒng)（SOC）直接將系統(tǒng)設計并制作在同一個芯片上。直接將系統(tǒng)設計并制作在同一個芯片上。qSOC具有高性能、高密度、高集成度、高具有高性能、高密度、高集成度、高可保性和低費用的優(yōu)點，有著十分誘人的可保性和低費用的優(yōu)點，有著十分誘人的應用前景。應用前景。目前在實際應用中目前在實際應用中SOCSOC還而臨著很多限制因還而臨著很多限制因素，包括現(xiàn)階段素，包括現(xiàn)階段lPlP資源還不夠豐富、研發(fā)資源還不

15、夠豐富、研發(fā)成本高及設計周期長、生產(chǎn)工藝復雜、成成本高及設計周期長、生產(chǎn)工藝復雜、成品率不高等。此外在品率不高等。此外在SOCSOC中采用混合半導體中采用混合半導體技術（如技術（如GaAsGaAs和和SiGeSiGe）也存在問題。）也存在問題。 EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q封裝工藝 質量因子（英寸/10-9秒）（英寸/英寸2）q SOC 28.0q MCM 14.0q PCB 2.2EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計隨著芯片規(guī)模的不斷擴大，可以將一個完整的電子系統(tǒng)集成隨著芯片規(guī)模的不斷擴大，可以將一個完整的電子系統(tǒng)集成在一塊芯片中，即系統(tǒng)級芯片在一塊芯片中，即系統(tǒng)級芯片SOCSOC

16、。SOCSOC有高性能、低功耗、有高性能、低功耗、體積小等諸多優(yōu)點，是下一代集成電路發(fā)展的主要方向。體積小等諸多優(yōu)點，是下一代集成電路發(fā)展的主要方向。MCMMCM在速度、密度和費用上比不上在速度、密度和費用上比不上SOCSOC，但，但MCMMCM允許多電源和多允許多電源和多工藝混合的電路。將多個工藝混合的電路。將多個ICIC和無源元件封裝在高性能基板上和無源元件封裝在高性能基板上形成一個系統(tǒng)，它可方便兼容不同制造技術的芯片，例如形成一個系統(tǒng)，它可方便兼容不同制造技術的芯片，例如CMOSCMOS硅芯片，硅芯片，RFRF、大功率電路、大功率電路SiCSiC、SiGeSiGe、GeAsGeAs芯片，

17、從而使芯片，從而使封裝由單芯片級進入系統(tǒng)集成級。封裝由單芯片級進入系統(tǒng)集成級。安裝在安裝在MCMMCM上的所有芯片可以預先測試，也可以更換?；仙系乃行酒梢灶A先測試，也可以更換。基片上的布線也可預先測試和修理。因此有較大的靈活性和比的布線也可預先測試和修理。因此有較大的靈活性和比SOCSOC更更高的成品率。高的成品率。MCMMCM的金屬熔合和熱消除是目前存在的問題。的金屬熔合和熱消除是目前存在的問題。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 任何集成電路不論在設計過程中經(jīng)過了怎樣的任何集成電路不論在設計過程中經(jīng)過了怎樣的仿真和檢查，在制造完成后都必須通過測試來仿真和檢查，在制造完成后都必須通

18、過測試來最后驗證設計和制作的正確性。最后驗證設計和制作的正確性。 集成電路測試技術的綜合性：半導體技術、電集成電路測試技術的綜合性：半導體技術、電路技術、計算技術、儀器儀表技術等。路技術、計算技術、儀器儀表技術等。q測試的意義：（1）直觀地檢查設計的具體電路能像設計者要）直觀地檢查設計的具體電路能像設計者要求的那樣正確工作。求的那樣正確工作。（2）確定電路失效的原因和所發(fā)生的具體部位，）確定電路失效的原因和所發(fā)生的具體部位，以便改進設計和修正錯誤。以便改進設計和修正錯誤。3.2 系統(tǒng)測試EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q測試的分類： 鑒定測試鑒定測試 生產(chǎn)測試生產(chǎn)測試 用戶測試用戶測試 可

19、靠性測試可靠性測試 電學性能測試電學性能測試EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q鑒定測試：為了鑒定與檢驗產(chǎn)品在規(guī)定為了鑒定與檢驗產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境條件下各種指標是否滿足規(guī)定要求環(huán)境條件下各種指標是否滿足規(guī)定要求而進行的測試。而進行的測試。q生產(chǎn)測試：新產(chǎn)品定型投產(chǎn)以后在生產(chǎn)新產(chǎn)品定型投產(chǎn)以后在生產(chǎn)線上進行某些項目的測試和檢驗，其目線上進行某些項目的測試和檢驗，其目的是保證出廠產(chǎn)品質量的合格性和監(jiān)督的是保證出廠產(chǎn)品質量的合格性和監(jiān)督生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定程度。生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定程度。（1）園片測試（管芯測試、初測）園片測試（管芯測試、初測）（2）成品測試（成測、末測）成品測試（成測、末測）EE141VLSI集

20、成電路和系統(tǒng)設計q用戶測試：考慮到誤測、裝運、儲存考慮到誤測、裝運、儲存所引起的缺陷或失效及用戶的特殊要所引起的缺陷或失效及用戶的特殊要求。求。（1）驗收測試：與廠家成測的內容相）驗收測試：與廠家成測的內容相同，但對集成電路進行百分之百的功同，但對集成電路進行百分之百的功能檢查。能檢查。（2）插件板和系統(tǒng)測試：將集成電路）插件板和系統(tǒng)測試：將集成電路與其它電路組成插件板或整機后，模與其它電路組成插件板或整機后，模擬實際使用情況進行測試。擬實際使用情況進行測試。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q可靠性測試：為評價和分析集成電路為評價和分析集成電路可靠性進行的測試?？煽啃赃M行的測試。 （1）篩

21、選測試）篩選測試 （2）壽命測試）壽命測試q電學性能測試： （1）直流測試）直流測試 （2）交流測試）交流測試 （3）動態(tài)測試）動態(tài)測試 （4）功能測試）功能測試 （5）工作范圍測試）工作范圍測試EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計 測試、生產(chǎn)和應用的關系測試系統(tǒng)芯片測試工程測試成品測試 測試儀 程序設計生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)計劃用戶要求電路應用產(chǎn)品市場質量保證設計工程工藝控制測試工程質量控制EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q集成電路芯片測試的兩種基本形式完全測試：對芯片進行全部狀態(tài)和功能的測試，對芯片進行全部狀態(tài)和功能的測試，要考慮集成電路的所有狀態(tài)和功能，即使在要考慮集成電路的所有狀態(tài)和

22、功能，即使在將來的實際應用中有些并不會出現(xiàn)。完全測將來的實際應用中有些并不會出現(xiàn)。完全測試是完備集。在集成電路研制階段，為分析試是完備集。在集成電路研制階段，為分析電路可能存在的缺陷和隱含的問題，應對樣電路可能存在的缺陷和隱含的問題，應對樣品進行完全測試。品進行完全測試。功能測試：只對集成電路設計之初所要求的運只對集成電路設計之初所要求的運算功能或邏輯功能是否正確進行測試。功能算功能或邏輯功能是否正確進行測試。功能測試是局部測試。在集成電路的生產(chǎn)階段，測試是局部測試。在集成電路的生產(chǎn)階段，通常采用功能測試以提高測試效率降低測試通常采用功能測試以提高測試效率降低測試成本。成本。EE141VLSI

23、集成電路和系統(tǒng)設計q完全測試的含義例如：N個輸入端的邏輯，它有個輸入端的邏輯，它有2N個狀態(tài)。個狀態(tài)。組合邏輯：在靜態(tài)狀態(tài)下，需要在靜態(tài)狀態(tài)下，需要2N個順序測試矢個順序測試矢量。量。動態(tài)測試應考慮狀態(tài)轉換時的延遲配合問動態(tài)測試應考慮狀態(tài)轉換時的延遲配合問題，僅僅順序測試是不夠的。題，僅僅順序測試是不夠的。時序電路：由于記憶單元的存在，電路的狀態(tài)不由于記憶單元的存在，電路的狀態(tài)不但與當前的輸入有關，還與上一時刻的信號有但與當前的輸入有關，還與上一時刻的信號有關。它的測試矢量不僅僅是枚舉問題，而是一關。它的測試矢量不僅僅是枚舉問題，而是一個排列問題。最壞情況下它是個排列問題。最壞情況下它是2N個

24、狀態(tài)的全排個狀態(tài)的全排列列，它的測試矢量數(shù)目是一個天文數(shù)字。，它的測試矢量數(shù)目是一個天文數(shù)字。 可測試性成為VLSI設計中的一個重要部分EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計問題的提出：從測試技術的角度而言要解決測試從測試技術的角度而言要解決測試的可控制性和可觀測性，希望內部的節(jié)點都是的可控制性和可觀測性，希望內部的節(jié)點都是“透明的透明的”，這樣才能通過測試判定電路失效，這樣才能通過測試判定電路失效的癥結所在。但是，電路制作完成后，各個內的癥結所在。但是，電路制作完成后，各個內部節(jié)點將不可直接探測，只能對系統(tǒng)輸入一定部節(jié)點將不可直接探測，只能對系統(tǒng)輸入一定的測試矢量，在輸出端觀察到所測節(jié)點的狀態(tài)

25、。的測試矢量，在輸出端觀察到所測節(jié)點的狀態(tài)。測試的難點：可測試性與電路的復雜性成正比，可測試性與電路的復雜性成正比，對于一個包含了數(shù)萬個內部節(jié)點的對于一個包含了數(shù)萬個內部節(jié)點的VLSI系統(tǒng)，系統(tǒng)，很難直接從電路的輸入很難直接從電路的輸入/輸出端來控制和觀察這輸出端來控制和觀察這些內部節(jié)點的電學行為。些內部節(jié)點的電學行為。為解決可測試性問題，從設計之初就要予以考慮。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q可測試性設計的基本方法 轉變測試思想將輸入信號的枚舉與排列的測試轉變測試思想將輸入信號的枚舉與排列的測試方法轉變?yōu)閷﹄娐穬炔扛鱾€節(jié)點的測試，即直方法轉變?yōu)閷﹄娐穬炔扛鱾€節(jié)點的測試，即直接對電路硬件

26、組成單元進行測試。具體方法：接對電路硬件組成單元進行測試。具體方法：（1）分塊測試，降低測試的復雜性。）分塊測試，降低測試的復雜性。（2）采用附加電路使測試生成容易，改進電路）采用附加電路使測試生成容易，改進電路的可控制性和可觀察性，覆蓋全部的硬件節(jié)點。的可控制性和可觀察性，覆蓋全部的硬件節(jié)點。（3）加自測電路，使測試具有智能化和自動化。）加自測電路，使測試具有智能化和自動化。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計q測試基礎（1）內部節(jié)點測試方法的基本思想： 由于電路制作完成后，各個內部節(jié)點由于電路制作完成后，各個內部節(jié)點將不可直接探測，只能通過輸入將不可直接探測，只能通過輸入/輸出輸出來觀測。

27、對內部節(jié)點測試思想是：假來觀測。對內部節(jié)點測試思想是：假設在待測試節(jié)點存在一個故障狀態(tài)，設在待測試節(jié)點存在一個故障狀態(tài)，然后反映和傳達這個故障到輸出觀察然后反映和傳達這個故障到輸出觀察點。在測試中如果輸出觀察點測到該點。在測試中如果輸出觀察點測到該故障效應，則說明該節(jié)點確實存在假故障效應，則說明該節(jié)點確實存在假設的故障。否則，說明該節(jié)點不存在設的故障。否則，說明該節(jié)點不存在假設的故障。假設的故障。EE141VLSI集成電路和系統(tǒng)設計（2）可測試性的三個重要方面故障模型的提?。簩㈦娐肥С橄鬄楣蕦㈦娐肥С橄鬄楣收夏Ｐ?。障模型。測試生成：產(chǎn)生驗證電路的一組測試矢：產(chǎn)生驗證電路的一組測試矢量。量。測試設計：考慮測試效率問題，加入適：考慮測試