集成电路封装及注意事项

reasonant-j · 发表于 2020-12-9 11:08

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“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例，实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。封装技术封装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（印制电路板）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

集成电路封装：

在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。从电子元器件（如晶体管）的密度这个角度上来说，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不仅仅是单块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

注意事项编辑
1．芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，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．基于散热的要求，封装越薄越好

作为计算机的重要组成部分，CPU的性能直接影响计算机的整体性能。而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技术，采用不同封装技术的CPU，在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的CPU产品。

DIP技术
DIP封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术，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均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。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，以免损坏管脚。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）等。
LED封装
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。
QFP/PFP技术
QFP技术的中文含义叫方型扁 [1] 平式封装技术（Plastic Quad Flat Package），QFP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技术的英文全称为Plastic Flat Package，中文含义为塑料扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD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盘。将芯片各脚对准相应的焊盘，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。该技术与上面的QFP技术基本相似，只是外观的封装形状不同而已。
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．封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用。
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]
PGA技术
该技术也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package），由这种技术封装的芯片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，根据管脚数目的多少，可以围成2～5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIF CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。
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；
3．如采用导热性良好的陶瓷基板，还可适应高速度、大功率器件要求；
4．由于此封装具有向外伸出的引脚，一般采用插入式安装而不宜采用表面安装；
5．如用陶瓷基板，价格又相对较高，因此多用于较为特殊的用途。它又分为陈列引脚型和表面贴装型两种。
BGA技术
BGA技术（Ball Grid Array Package）即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但BGA封装占用基板的面积比较大。虽然该技术的I/O引脚数增多，但引脚之间的距离远大于QFP，从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能。另外该技术的组装可用共面焊接，从而能大大提高封装的可靠性；并且由该技术实现的封装CPU信号传输延迟小，适应频率可以提高很大。
BGA封装具有以下特点：
1．I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率
2．虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能
3．信号传输延迟小，适应频率大大提高
4．组装可用共面焊接，可靠性大大提高
BGA封装的不足之处：BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大；塑料BGA封装的翘曲问题是其主要缺陷，即锡球的共面性问题。共面性的标准是为了减小翘曲，提高BGA封装的特性，应研究塑料、粘片胶和基板材料，并使这些材料最佳化。同时由于基板的成本高，而使其价格很高。
SFF技术

SFF是Small Form Factor的简称，英特尔将其称为小封装技术。小封装技术是英特尔在封装移动处理器过程中采用的一种特殊技术，可以在不影响处理器性能的前提下，将封装尺寸缩小为普通尺寸的40%左右，从而带动移动产品内其他组件尺寸一起缩小，最终让终端产品更加轻薄、小巧、时尚，并且支持更丰富的外观和材质的设计。

国内外比较
中国封装技术与国外封装技术的差距所在
1．封装技术人才严重短缺、缺少制程式改善工具的培训及持续提高培训的经费及手段。
2．先进的封装设备、封装材料及其产业链滞后，配套不全且质量不稳定。
(3)封装技术研发能力不足，生产工艺程序设计不周全，可操作性差，执行能力弱。
(4)封装设备维护保养能力欠伟，缺少有经验的维修工程师，且可靠性实验设备不齐全，失效分析(FA)能力不足。
(5)国内封装企业除个别企业外，普遍规模较小，从事低端产品生产的居多，可持续发展能力低，缺乏向高档发展的技术和资金。
(6)缺少团队精神，缺乏流程整合、持续改善、精细管理的精神，缺少现代企业管理的机制和理念。
微电子封装编辑
微电子封装通常有五种功能，即电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护。
1．电源分配
微电子封装首先要能接通电源，使芯片与电路流通电流。其次，微电子封装的不同部位所
需的电源有所不同，要能将不同部位的电源分配恰当，以减少电源的不必要损耗，这在多层布
线基板上尤为重要。同时，还要考虑接地线的分配问题。
2．信号分配
为使电信号延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O引出的路径达到最短。对于高频信号，还应考虑信号间的串扰，以进行合理的信号分配布线和接地线分配。
3．散热通道
各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的微电子封装，还应考虑附加热沉或使用强制风冷、水冷方式，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。
4．机械支撑
微电子封装可为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。
5．环境保护
半导体器件和电路的许多参数，如击穿电压、反向电流、电流放大系数、噪声等，以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体器件和电路制造过程中的许
多工艺措施也是针对半导体表面问题的。半导体芯片制造出来后，在没有将其封装之前，始终
都处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件极为恶劣，必须将芯片严加密封和包封。所以，微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。
IC发展对微电子封装的推动
反映IC的发展水平，通常都是以IC的集成度及相应的特征尺寸为依据的。集成度决定着IC的规模，而特征尺寸则标志着工艺水平的高低。自20世纪70年代以来，IC的特征尺寸几乎每4年缩小一半。RAM、DRAM和MPU的集成度每年分别递增50%和35%，每3年就推出新一代DRAM。但集成度增长的速度快，特征尺寸缩小得慢，这样，又使IC在集成度提高的同时，单个芯片的面积也不断增大，大约每年增大13%。同时，随着IC集成度的提高和功能的不断增加，IC的I/O数也随之提高，相应的微电子封装的I/0引脚数也随之增加。例如，一个集成50万个门阵列的IC芯片，就需要一个700个．I/O引脚的微电子封装。这样高的I/0引脚数，要把IC芯片封装并引出来，若沿用大引脚节距且双边引出的微电子封装(如2．54 mmDIP)，显然壳体大而重，安装面积不允许。从事微电子封装的专家必然要改进封装结构，如将双边引出改为四边引出，这就是后来的I,CCC、PL,CC和OFP，其I/O引脚节距也缩小到0．4 mm，甚至0．3mm,，随着IC的集成度和I/O数进一步增加，再继续缩小节距，这种QFP在工艺上已难以实施，或者组装焊接的成品率很低(如0．3mm的QFP组装焊接失效率竟高达6%e)。于是，封装的引脚由四边引出发展成为面阵引出，这样，与OFP同样的尺寸，节距即使为1mm，也能满足封装具有更多I/O数的IC的要求，这就是正在高速发展着的先进的BGA封装。
裸芯片技术有两种主要形式：一种是COB技术，另一种是倒装片技术(Flip　chip)。
COB技术
用COB技术封装的裸芯片是芯片主体和I/O端子在晶体上方，在焊接时将此裸芯片用导电/导热胶粘接在PCB上，凝固后，用 Bonder 机将金属丝(Al或Au)在超声、热压的作用下，分别连接在芯片的I/O端子焊区和PCB相对应的焊盘上，测试合格后，再封上树脂胶。　与其它封装技术相比，COB技术有以下优点：价格低廉；节约空间；工艺成熟。COB技术也存在不足，即需要另配焊接机及封装机，有时速度跟不上；PCB贴片对环境要求更为严格；无法维修等。
Flip chip 技术

Flip　chip，又称为倒装片，与COB相比，芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。90年代，该技术已在多种行业的电子产品中加以推广，特别是用于便携式的通信设备中。裸芯片技术是当今最先进的微电子封装技术。随着电子产品体积的进一步缩小，裸芯片的应用将会越来越广泛。

Anda · 发表于 2020-12-9 13:08

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

达瓦里希 · 发表于 2022-11-11 16:24

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集成电路封装及注意事项

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