1、集成電路封裝與測試技術概述技術創新，變革未來中國芯技術系列 概 要 基 本 概 念 封 裝 的 發 展 過 程 封 裝 的 層 次 及 功 能 封 裝 的 分 類 封 裝 的 發 展 現 狀1.1 封裝概念按 Tummala 教授一書中的定義 “Introduction to Microsystems Packaging”Georgia Institute of TechnologyProf. Rao R. Tummala “Integrated Circuit (IC)” is defined as a miniature or microelectronic device that int

2、egrates such elements as transistors, dielectrics, and capacitors into an electrical circuit possessing a special function. “集成電路（IC）“是指微小化的或微電子的器件，它將這樣的一些元件如三極管、電阻、介電體、電容等集成為一個電學上的電路，使致具有專門的功能。 “Packaging” is defined as the bridge that interconnects the ICs and other components into a system-level

3、board to form electronic products ”封裝“ 是指連接集成電路和其他元器件到一個系統級的基板上的橋梁或手段，使之形成電子產品定義電路的輸入輸出（電路指標、性能）原理電路設計電路模擬(SPICE)布局(Layout)考慮寄生因素后的再模擬原型電路制備測試、評測產品工藝問題定義問題不符合不符合1.1.1集成電路的制造過程： 設計 工藝加工 測試 封裝 “封裝（Packaging）”用于電子工程的歷史并不很久。在真空電子管時代，將電子管等器件安裝在管座上構成電路設備，一般稱為“組裝或裝配”，當時還沒有“Packaging”這一概念。1.1.2 封裝的出現 60多年前的

4、三極管，40多年前的IC等半導體元件的出現，一方面，這些半導體元件細小柔嫩；另一方面，其性能又高，而且多功能、多規格。為了充分發揮其功能，需要補強、密封、擴大，以便實現與外電路可靠的電氣連接并得到有效的機械、絕緣等方面的保護作用。基于這樣的工藝技術要求，“封裝”便隨之出現。1.2 封裝的發展過程19201930194019501960197019801990200020101937年金屬噴涂印制電路板（PWB）誕生1947年晶體管的誕生PWB實用化58年IC出現真空管半導體IC分立式元器件61年二者市場占有率相等75年二者相同多層PWB板積層式多層板封裝或裝配封裝電子封裝工程79年（表面貼裝）

5、SMT擴廣電器機械設計電路設計邏輯設計系統設計及軟件設計電子元器件封裝技術需要的設計技術1947年12月16日，美國貝爾實驗室的肖克萊（William B. Shockley）、巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter H. Brattain)組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發 明，是微電子革命的先聲。晶體管出現后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足

6、夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。 William B. ShockleyJohn BardeenWalter H. Brattain三人獲得了1956年諾貝爾物理學獎 相移振蕩器 1958年9月10日美國的基爾比發明了集成電路，集成電路是美國物理學家基爾比(Jack Kilby)和諾伊斯兩人各自獨立發明的，都擁有發明的專利權。1958年9月10日，基爾比的第一個安置在半導體鍺片上的電路取得了成 功，被稱為“相移振蕩器”。1957年，諾伊斯(Robort Noyce)成立了仙童半導體公司，成為硅谷的第一家專門研制硅晶體管的公司。1959年2月，基爾比申請了專利。不久，得克薩斯儀器公司宣布，

7、他們已生產出一種比火柴頭還小的半導體固體電路。諾伊斯雖然此前已制造出半導體硅片集成電路，但直到1959年7月才申請專利，比基爾比晚了半年。法庭后來裁決，集成電路的發明專利屬于基爾比，而有關集成電路的內部連接技術專利權屬于諾伊斯。兩人都因此成為微電子學的創始人，獲得美國的“巴倫坦獎章”。 Robort NoyceJack Kilby1.3 從半導體和電子元器件到電子機器設備前工程后工程封裝工程利用光刻制版等加工制作電極、開發材料的電子功能對元件進行包覆、連接封入元件盒中、引出引線端子，完成封裝體封裝體與基板連接固定、裝配成完整的系統或電子機器設備實現所要求的元件的性能確保元件可靠性，完成器件、部

8、件確保整個系統的綜合性能狹義的封裝從此開始2.1 封裝工程的四個層次半導體部件電子元器件基板輸入輸出裝置存儲裝置機器設備毫米級的工程領域100 m的工程領域L、C、R分立式半導體器件變壓器LED芯片0.25 m的工程領域50 m的工程領域水晶振子、散熱器、小型馬達、傳感器按特征尺寸的量級，電子封裝工程可分為四個層次，其中從半導體芯片到50 m的工程領域為狹義的封裝2.2 電子封裝的分級器件印制板硅圓片0級1級2級3級4級管芯常規組合的電路封裝電子封裝的分級 零級封裝： 芯片上的互連； 一級封裝： 器件級封裝； 二級封裝： PCB (PWB)級封裝； 三級封裝： 分機柜內母板的組裝； 四級封裝：

9、 分機柜。 我們這里討論的封裝是指“一級封裝”， 即IC器件的封裝。2.3 電子封裝的范圍 從工藝上講，電子封裝包括薄厚膜技術、基板技術、微細連接技術、封接及封裝技術等四大基礎技術 從材料上講，電子封裝包括各類材料，如焊絲、框架、金屬超細粉、玻璃超細粉、陶瓷粉材、表面活性劑、有機粘結劑、有機溶劑、金屬漿料、導電填料、感光性樹脂、熱硬化樹脂、聚酰亞胺薄膜、感光性漿料，還有導體、電阻、介質以及各種功能用的薄厚膜材料等 從設計、評價、解析技術上講，其涉及膜特性、電氣特性、熱特性、結構特性及可靠性等方面的分析評價和檢測 CAD/CAM/CAT系統及發展設計、評價、解析技術膜特性電氣特性熱特性結構特性薄

10、厚膜技術基板技術微細連接技術封接封裝技術封裝工藝技術材料科學與工程可靠性評價解析技術制造、生產裝置動向電子設備系統等的發展動向 電子 部件 動向電子元器件回路部件功能部件2.4 電子封裝工程的各個方面功能部件LSI回路部件搭載元器件布線基板封裝關鍵技術鍵合布線連接散熱 冷卻保護使各種元器件、功能部件相組合形成功能電路目的依據電路結構、性能要求、封裝類型而異難易程度需考慮的問題苛刻的工程條件（溫度、濕度、振動、沖擊、放射性等）超高要求超高性能 （3D IC）超薄型、超小型超多端子連接超高功率（采用熱冷、金屬陶瓷復合基板等）3.1 電子封裝實現的四種功能電互連和線間電隔離 信號分配： 電源分配：

11、熱耗散：使結溫處于控制范圍之內 防護：對器件的芯片和互連進行機械、 電磁、化學等方面的防護 信號傳遞電能傳遞主要是將電信號的延遲盡可能減小，在布線時盡可能使信號線與芯片的互連路徑以及通過封裝的I/O接口引出的路徑達到最短主要是電源電壓的分配和導通散熱各種芯片封裝都要考慮元器件、部件長期工作時如何將聚集的熱量散出的問題封裝保護芯片封裝可為芯片和其他連接部件提供牢固可靠的機械支撐，并能適應各種工作環境和條件的變化3.2 IC封裝的分類 IC封裝的主要類型： 按照器件與電路板的互連方式可分為： 通孔插裝式 PTH （Pin through hole） 表面貼裝式 SMT （Suface mount

12、technology） 目前表面貼裝式封裝已占IC封裝總量的 80%以上。SOP(小型化封裝) PLCC（無引線塑料封裝載體 ） CLCC（無引線陶瓷封裝載體 ）QFP(四側引腳扁平封裝) BGA(球柵陣列式封裝)雙邊引腳四邊引腳底部引腳表面貼裝型DIP（雙列式封裝） ZIP（交叉引腳式封裝）SIP（單列引腳式封裝）PGA(針腳陣列封裝)單邊引腳雙邊引腳底部引腳引腳插入型 （6 7）% 按主要使用材料來分，有 裸芯片 金屬封裝 陶瓷封裝 1 2 % 塑料封裝 92 %歷史的發展過程：最早是金屬封裝，然后是陶瓷封裝， 最后是塑料封裝。 性能分：金屬和陶瓷封裝是氣密封裝， 塑料封裝是非氣密或準氣密

13、封裝；金屬或陶瓷封裝可用于“嚴酷的環境條件”，如軍用、宇航等，而塑封只能用于“不太嚴酷”的環境；金屬、陶瓷封裝是“空封”，封裝不與芯片表面接觸，塑封是“實封”；金屬封裝目前主要用于大功率的混合集成電路（HIC），部分軍品及需空封器件。 按引線形狀 無引線：焊點、焊盤 有引線： TH 直插外殼芯片L型 （翼型）J型焊球焊柱扁平I形（柱形）SMT3.3 IC封裝的生命周期芯片尺寸封裝球柵陣列封裝倒裝芯片薄的縮小型SOP 薄 /小引腳中心距QFP 縮小型SOP 自動帶載焊接 四邊引腳扁平封裝小外形封裝J形引腳小外型封裝 帶引線的塑料芯片載體 針腳陣列封裝塑料雙列直插式封裝 帶引腳的芯片載體 陶瓷DI

14、P目前世界上產量較多的幾類封裝 SOP （小外形封裝） 5557% PDIP（塑料雙列封裝） 14%QFP (PLCC ) （四邊引線扁平封裝） 12% BGA （球柵陣列封裝） 45%4.1 IC封裝的發展趨勢IC封裝產量仍以平均45年一個增長周期在增長。 2000年是增長率最高的一年（+15%以上）。 2001年和2002年的增長率都較小。 半導體工業可能以“三年養五年” ！2003200416.827.4%4.2 技術發展趨勢 芯片封裝工藝： 從逐個管芯封裝到出現了圓片級封裝，即先將圓片 劃片成小管芯, 再逐個封裝成器件，到在圓片上完 成封裝劃片后就成器件。 芯片與封裝的互連：從引線鍵合

15、（WB）向倒裝焊 （FC）轉變。 微電子封裝和PCB板之間的互連： 已由通孔插裝(PTH)為主轉為表面貼裝（SMT）為主。 封裝密度正愈來愈高 封裝密度的提高體現在下列三方面： 硅片的封裝效率 = 硅芯片面積/封裝所占印制板面積 = Sd/Sp不斷提高（見表1）； 封裝的高度不斷降低（見表2）； 引線節距不斷縮小（見表3）； 引線布置從封裝的兩側發展到封裝的四周，到封裝的底面。 這樣使單位封裝體積的硅密度和引線密度都大大提高。 國際上IC封裝的發展趨勢如表4所示。單芯片封裝向多芯片封裝的演變 （自動帶載焊接）芯片尺寸封裝(多芯片組件)單級集成模塊 表1硅片封裝效率的提高年代1970198019

16、901993封裝年代DIPPQFPBGA/CSPDCA/CSP封裝效率Sd/Sp(27)%(1030)%(2080)%(5090)%表2封裝厚度的變化封裝形式PQFP/PDIPTQFP/TSOPUTQFP/UTSOP封裝厚度(mm)3.62.01.41.00.80.5表3引線節距縮小的趨勢年份19801985199019952000典型封裝DIP,PGASDIP,PLCC,BGAQFPQFP,CSPCSP,DCA典型引線節距(mm)2.541.270.630.330.150.050 各類封裝在封裝總量中所占的比例和IC封裝引出端的分 布如表4、表5所示。 表4. 各類封裝在封裝總量中所占的份額

17、（%）DIPSOPQFPBGACSP其他1996年284713 1 1121998年155712 11122003年125612 177表5. 集成電路封裝引出端數的分布范圍引線數范圍33 33100101308308 1997年（估算值）7618512003年（預測值）6820102引線節距的發展趨勢 封裝厚度比較40封裝效率 封裝效率 封裝效率 封裝效率=2-7%(1970-) =10-30%(1980-) =20-80%(1990-) =50-90%(1993-) 封裝效率的改進4.3 中國是目前世界上半導體工業發展最快的國家之一。近幾年的產值平均年增長率在30以上，世界10。中國國內半

18、導體元器件的市場很大中國已成為除美、日外，世界第三大電子信息產品 制造國，2010年后為第二。據美國半導體行業協會（SIA）預測：中國電子產品的生產值將從2002年的1300億美元上升到2006年的2520億美元，四年內將翻一番！元器件采購值四年內將增長約三倍：從2002年的350億美元上升到2006年的1000億美元 2000年中國消耗的半導體占世界半導體市場份額的6.9%, 生產的半導體只占世界產值的1.2%;2004年占3.7； 2002年中國消耗的半導體占世界半導體市場份額的14.4%, 生產的半導體只占世界產值的1.8%。 中國所消費的半導體產品中85%依靠進口。 廣闊的市場、就地生

19、產、降低成本、搶占中國市場，及 2000年6月18號文件提供的優惠政策是吸引外資、快速 發展中國半導體產業的主要因素。封裝測試業已成為中國最大的半導體產業： 2003年：封裝測試業產值占70 晶圓制造業產值占17 設計業產值占13 2002年全球排名前十位的半導體公司大都將在中國建立封裝測試廠名次公司名銷售額（億美元）增長率 2002年2001年2002年2001年11Intel上海234.7235.4-0.3%24三星蘇州91.861.449.5%33ST微電子深圳63.163.6-0.9%45TI62.060.52.5%52東芝無錫61.965.4-5.5%68Infineon蘇州53.645.617.5%76NEC北京52.653.0-0.8%87Motorola天津47.348.3-2.0%99菲利浦蘇州43.644.1-1.1%1010日立 (瑞薩)蘇州40.542.4-4.6% 世界上一些著名封裝廠也都來大陸建廠： 日月光（上海）矽品科技（SPIL）（蘇州）飛索（蘇州）Amkor（