集成电路芯片封装

淮 阴 工 学 院

2015-2016学年第一学期期末考核

学 院：电子信息工程学院

课程名称：电子封装与组装技术

课程编号：1215450 专业层次：电子科学与技术（本科）

学时学分：32（2）

考核方式：考查

任课教师：居勇峰

布置时间：2016-11 论文题目： 集成电路芯片封装 姓名：

电子封装与组装技术期末考核

学号：

第2页 共 10页

成绩：

目 录

1 引言 ......................................................................................................................................................................................... 4

1.1集成电路封装的发展过程 ........................................................................................................................................... 5 1.2集成电路封装类型介绍 ............................................................................................................................................... 6

1.2.1 DIP双列直插式封装 ........................................................................................................................................ 6 1.2.2 QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装 .............................................................................. 7 1.2.3 PGA插针网格阵列封装 .................................................................................................................................. 7 1.2.4 BGA球栅阵列封装 .......................................................................................................................................... 8

2 集成电路芯片封装技术简介 ................................................................................................................................................. 9

2.1 DIP封装 ...................................................................................................................................................................... 9 2.2 芯片载体封装 ............................................................................................................................................................ 10 2.3 BGA封装 ................................................................................................................................................................... 11 3 集成电路封装工艺 ............................................................................................................................................................... 12

3.1 金属封装.................................................................................................................................................................... 12 3.2 陶瓷封装.................................................................................................................................................................... 13 结 论...................................................................................................................................................................................... 13 致 谢...................................................................................................................................................................................... 13 参考文献.................................................................................................................................................................................... 14

集成电路芯片封装

摘要：从上世纪50年代末开始,经历了半个多世纪的无线电电子技术正酝酿着一场新的革命。这场革命掀起的缘由是微电子学和微电子技术的兴起。而这场革命的旋涡中心则是集成电路和以其为基础的微型电子计算机。

集成电路的问世,开辟了电子技术发展的新天地,而其后大规模和超大规模集成电路的出现,则迎来了世界新技术革命的曙光。由于集成电路的兴起和发展,创造了在一块小指甲般大小的硅片上集中数千万个晶体管的奇迹，使过去占住整幢大楼的复杂电子设备缩小到能放入人们的口袋,从而为人类社会迈向电子化,自动化,智能化和信息化奠定了最重要的物质基础。无怪乎有人将集成电路和微电子技术的兴起看成是跟火和蒸汽机的发明具有同等重要意义的大事。

关键词：集成电路 微电子技术

Integrated Circuit Chips Encapsulation

Abstract：From the end of the last century 50's, it has been a new revolution in radio electronic technology, which has been through more than half a century. The reason this revolution is the rise of microelectronics and microelectronic technology. The center of the revolution of the revolution is the integrated circuit and micro electronic computer based on it.

The advent of integrated circuits, opening up new horizons for the development of electronic technology, and the emergence of large-scale and ultra

large scale integrated circuits, then ushered in the dawn of the new world technology revolution. Because of the rise and development of integrated circuits, the creation of a small size of the chip on a small number of transistors on a chip, so that the complex electronic devices used to narrow the entire building into people's pockets, so that the human society towards electronic, automatic, intelligent and information technology has laid the most important material foundation. It is no wonder that some people will of integrated circuit and microelectronic

technology rise as with fire and steam machine of the invention has equally important event.

Key word：Integrated circuit Microelectronic technology

1 引言

从80年代中后期开始,电子产 品正朝着便携式/小型化、网络化和多媒体化方向发展,这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求:单位体积信息的提高(高密度化);单位时间处理速度的 提高(高速化)。为了满足这些要求,势必要提高电路组装的功能密度,这就成为了促进芯片封装技术发展的最重要的因素。

半导体器件有许多封装型式，从DIP、SOP、QPF、PGA、BGA到CSP再到SIP，技术指标一代比一代先进，这些都是前人根据当时的组装技术和市场需求而研制的。总体说来，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在上世纪90 年代球型矩正封装的出现，它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；晶片级封装、系统封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装减到最小。每一种封装都有其独特的地方，即其优点和不足之处，而所用的封装材料，封装设备，封装技术根据其需要而有所不同。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子产品是由半导体器件（集成电路和分立器件）、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。

半导体组装技术（Assembly technology）的提高主要体现在它的封装型式（Package）不断发展。通常所指的组装（Assembly）可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片（chip） 和框架（Lead-Frame）或基板（Substrate）或塑料薄片（Film）或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，

散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。

1.1集成电路封装的发展过程

近年来，半导体器件为实现高功能化和高集成化，使得布线更微细，结构更复杂，芯片尺寸大型化。同时，为实现高密度安装，出现了SMT工艺，要求封装件向小型化薄型化发展。另一方面为了满足高功能半导体多引线化的要求还出现了多引线大型封装。

封装技术是一种将集成电路打包的技术。拿我们常见的内存来说，我们实际看到的体积和外观并不是真正的内存的大小和面貌，而是内存芯片经过打包即封装后的产品。这种打包对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。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还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB的设计和制造，因此它是至关重要的。

封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁---芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。

芯片的封装技术种类实在是多种多样，诸如DIP、QFP、TSOP、BGA、CSP等等，一系列名称看上去都十分繁杂，其实，只要弄清芯片封装发展的历程也就不难理解了。芯片的封装技术已经历经好几代的变迁，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积

之比越来越接近，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，以及引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等，都是看得见的变化。

电子产品正朝着便携式/小型化、网络化和多媒体化方向发展，这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求：单位体积信息的提高（高密度化）；单位时间处理速度的提高（高速化）。为了满足这些要求，势必要提高电路组装的功能密度，这就成为了促进芯片封装技术发展的最重要的因素。CPU和其他超大型集成电路在不断发展，集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前发展。从封装结构可以这样地归纳封装的发展进程：TOPGA

LGA

MCM

3D。

DIP

LCC

QFP

TSOP

BGA

CSP

1.2集成电路封装类型介绍

1.2.1 DIP双列直插式封装

DIP(DualIn－line Package)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。

1.2.2 QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP（Plastic Quad Flat Package）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（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。 QFP/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。

1.2.3 PGA插针网格阵列封装

PGA(Pin Grid Array Package)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(Zero Insertion Force Socket)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、Pentium Pro均采用这种封装形式。

1.2.4 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208 Pin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(Ball Grid Array Package)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。

2 集成电路芯片封装技术简介

自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到 ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。

对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 „„相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。

2.1 DIP封装

70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。

DIP封装结构具有以下特点: 1.适合PCB的穿孔安装; 2.比TO型封装易于对PCB布线; 3.操作方便。

DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)。

衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。

Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。

2.2 芯片载体封装

80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)

、

塑

料

有

引

线

芯

片

载

体

PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier）小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)。

以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。

QFP的特点是:

1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;

2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;

3.操作方便;

4.可靠性高。

在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。

2.3 BGA封装

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，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。

BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:

1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;

2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能:

3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;

4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;

5.组装可用共面焊接，可靠性高;

6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大;

Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。

3 集成电路封装工艺

3.1 金属封装

金属封装是半导体器件封装的最原始的形式，它将分立器件或集成电路置于一个金属容器中，用镍作封盖并镀上金。金属圆形外壳采用由可伐合金材料冲制成的金属底座，借助封接玻璃，在氮气保护气氛下将可伐合金引线按照规定的布线方式熔装在金属底座上，经过引线端头的切平和磨光后，再镀镍、金等惰性金属给与保护。在底座中心进行芯片安装和在引线端头用铝硅丝进行键合。组装完成后，用10号钢带所冲制成的镀镍封帽进行封装，构成气密的、坚固的封装结构。金属封装的优点是气密性好，不受外界环境因素的影响。它的缺点是价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件日益快速发展的需要。现在，金属封装所占的市场份额已越来越小，几乎已没有商品化的产品。少量产品用于特殊性能要求的军事或航空航天技术中。

3.2 陶瓷封装

陶瓷封装是继金属封装后发展起来的一种封装形式，它象金属封装一样，也是气密性的，但价格低于金属封装，而且，经过几十年的不断改进，陶瓷封装的性能越来越好，尤其是陶瓷流延技术的发展，使得陶瓷封装在外型、功能方面的灵活性有了较大的发展。目前，IBM的陶瓷基板技术已经达到100多层布线，可以将无源器件如电阻、电容、电感等都集成在陶瓷基板上，实现高密度封装。陶瓷封装由于它的卓越性能，在航空航天、军事及许多大型计算机方面都有广泛的应用，占据了约10％左右的封装市场（从器件数量来计）。陶瓷封装除了有气密性好的优点之外，还可实现多信号、地和电源层结构，并具有对复杂的器件进行一体化封装的能力。它的散热性也很好。缺点是烧结装配时尺寸精度差、介电系数高（不适用于高频电路），价格昂贵，一般主要应用于一些高端产品中。

结 论

随着微电子行业和集成电路系统的不断发展，封装起到了更多的作用：如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和大气环境的要求。人们还日益关注并积极投身于集成电路和电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。最近几年人们对集成电路封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大的转变，集成电路封装已经成为了和集成电路本身一样重要的一个领域。我一定会在以后的学习和工作生涯中努力学习和实践，不断提高自己，完善自己。

致 谢

在本论文的撰写过程中，居老师作为我的指导老师，他治学严谨，学识渊博，视野广阔，为我营造了一种良好的学术氛围。置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方

法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、 感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。

在此特向居老师致以衷心的谢意！向他无可挑剔的敬业精神、严谨认真的治学态度、深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的敬意！感谢居老师对我栽培和教育。

参考文献

1 李可为.集成电路芯片封装技术.第2版.北京：电子工业出版社，2013.

2 陈立俊.微电子材料与制程.上海：复旦大学出版社，2005.

3 林明详.集成电路制造工艺.北京：电子工业出版社，2009.