從foundry廠得到圓片進行減薄、中測打點后,即可進入后道封裝。封裝對集成電路起著機械支撐和機械保護、傳輸信號和分配電源、散熱、環(huán)境保護等作用。
芯片的封裝技術已經(jīng)歷了好幾代的變遷,從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術指標一代比一代先進,包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1,適用頻率越來越高,耐溫性能越來越好,引腳數(shù)增多,引腳間距減小,重量減小,可靠性提高,使用更加方便等等。
近年來電子產(chǎn)品朝輕、薄、短、小及高功能發(fā)展,封裝市場也隨信息及通訊產(chǎn)品朝高頻化、高I/O數(shù)及小型化的趨勢演進。
由1980年代以前的通孔插裝(PTH)型態(tài),主流產(chǎn)品為DIP(DualIn-LinePackage),進展至1980年代以SMT(SurfaceMountTechnology)技術衍生出的SOP(SmallOut-LinePackage)、SOJ(SmallOut-LineJ-Lead)、PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)、QFP(QuadFlatPackage)封裝方式,在IC功能及I/O腳數(shù)逐漸增加后,1997年Intel率先由QFP封裝方式更新為BGA(BallGridArray,球腳數(shù)組矩陣)封裝方式,除此之外,近期主流的封裝方式有CSP(ChipScalePackage芯片級封裝)及FlipChip(覆晶)。
BGA(BallGridArray)封裝方式是在管殼底面或上表面焊有許多球狀凸點,通過這些焊料凸點實現(xiàn)封裝體與基板之間互連的一種先進封裝技術。
BGA封裝方式經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)進入實用化階段。1987年,日本西鐵城(CiTIzen)公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片(即BGA)。而后,摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發(fā)BGA的行列。1993年,摩托羅拉率先將BGA應用于移動電話。同年,康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應用。直到五六年前,Intel公司在電腦CPU中(即奔騰II、奔騰III、奔騰IV等),以及芯片組(如i850)中開始使用BGA,這對BGA應用領域擴展發(fā)揮了推波助瀾的作用。目前,BGA已成為極其熱門的IC封裝技術,其全球市場規(guī)模在2000年為12億塊,預計2005年市場需求將比2000年有70%以上幅度的增長。
BGA封裝比QFP先進,更比PGA好,但它的芯片面積/封裝面積的比值仍很低。Tessera公司在BGA基礎上做了改進,研制出另一種稱為μBGA的封裝技術,按0.5mm焊區(qū)中心距,芯片面積/封裝面積的比為1:4,比BGA前進了一大步。
隨著全球電子產(chǎn)品個性化、輕巧化的需求蔚為風潮,對集成電路封裝要求更加嚴格。
1994年9月日本三菱電氣研究出一種芯片面積/封裝面積=1:1.1的封裝結(jié)構(gòu),其封裝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,從而誕生了一種新的封裝形式,命名為芯片尺寸封裝,簡稱CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)。CSP是一種封裝外殼尺寸最接近籽芯(die)尺寸的小型封裝,具有多種封裝形式,其封裝前后尺寸比為1:1.2。它減小了芯片封裝外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍,IC面積只比晶粒(Die)大不超過1.4倍。
CSP有兩種基本類型:一種是封裝在固定的標準壓點軌跡內(nèi)的,另一種則是封裝外殼尺寸隨芯尺寸變化的。常見的CSP分類方式是根據(jù)封裝外殼本身的結(jié)構(gòu)來分的,它分為柔性CSP,剛性CSP,引線框架CSP和圓片級封裝(WLP)。柔性CSP封裝和圓片級封裝的外形尺寸因籽芯尺寸的不同而不同;剛性CSP和引線框架CSP封裝則受標準壓點位置和大小制約。
CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC,如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應用在信息家電(IA)、數(shù)字電視(DTV)、電子書(E-Book)、無線網(wǎng)絡WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手機芯片、藍芽(Bluetooth)等新興產(chǎn)品中。
FlipChip技術起源于1960年代,為IBM開發(fā)出之技術,F(xiàn)lipChip技術是在I/Opad上沉積錫鉛球,然后將芯片翻轉(zhuǎn)佳熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷機板相結(jié)合此技術替換常規(guī)打線接合,逐漸成為未來的封裝主流,當前主要應用于高時脈的CPU、GPU(GraphicProcessorUnit)及Chipset等產(chǎn)品為主。
LGA(LandGridArray):矩柵陣列(岸面柵格陣列)是一種沒有焊球的重要封裝形式,它可直接安裝到印制線路板(PCB)上,比其它BGA封裝在與基板或襯底的互連形式要方便的多,被廣泛應用于微處理器和其他高端芯片封裝上。
CGA(ColumnGridArray)圓柱柵格陣列,又稱柱柵陣列封裝。
1999年第三季度,Wavecom的工程師開始研究插座形式以外的其它解決方法。他們首先嘗試球柵矩陣封裝(BallGridArray)直接在PCB板上進行焊裝。這種方法同時解決了裝配和屏蔽問題,因為球珠組成的環(huán)形可以減少電磁干擾。但球珠型式體積超大,造成了整體尺寸的相應擴大。
最終,這個問題在1999年底得到了解決。當時Wavecom的工程師發(fā)現(xiàn)用2微米長、0.4微米寬的微型金屬柱組成格柵,它既可提供電路連接,又控制了電磁干擾,并且有效地節(jié)約了部件的總體體積。柱柵陣列封裝方法使用特別設計的塑料框架,其中放置200多個微型格柵,它最終解決了電磁屏蔽和電路連接問題,同時易于使用。
PGA芯片封裝形式在芯片的內(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。根據(jù)引腳數(shù)目的多少,可以圍成2-5圈。安裝時,將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸,從486芯片開始,出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座,專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。
ZIF(ZeroInserTIonForceSocket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起,CPU就可很容易、輕松地插入插座中。然后將扳手壓回原處,利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)生成的擠壓力,將CPU的引腳與插座牢牢地接觸,絕對不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起,則壓力解除,CPU芯片即可輕松取出。
QFP封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細,一般大規(guī)?;虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式,其引腳數(shù)一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD(表面安裝設備技術)將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點,即可實現(xiàn)與主板的焊接。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。
PFP(PlasTIcFlatPackage)方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是長方形。
芯片直接貼裝技術(DirectChipAttach簡稱DCA),也稱之為板上芯片技術(Chip-on-Board簡稱COB),是采用粘接劑或自動帶焊、絲焊、倒裝焊等方法,將裸露的集成電路芯片直接貼裝在電路板上的一項技術。倒裝芯片是COB中的一種(其余二種為引線鍵合和載帶自動鍵合),它將芯片有源區(qū)面對基板,通過芯片上呈現(xiàn)陣列排列的焊料凸點來實現(xiàn)芯片與襯底的互連。
它提供了非常多的優(yōu)點;消除了對引線鍵合連接的要求;增加了輸入/輸出(I/O)的連接密度;以及在印刷電路板上所使用的空間很小。與引線鍵合相比,它實現(xiàn)了較多的I/O數(shù)量、加快了操作的速度。
SOP也是一種很常見的封裝形式,始于70年代末期。SOP封裝的應用范圍很廣,而且以后逐漸派生出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(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等在集成電路中都起到了舉足輕重的作用。像主板的頻率發(fā)生器就是采用的SOP封裝。
DIP(Dual-In-LinePackage):雙列直插式封裝,是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片,絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式,其引腳數(shù)一般不超過100個。在70年代非常流行。這種封裝形式的引腳從封裝兩側(cè)引出,封裝材料有塑料和陶瓷兩種。DIP封裝的特點就是適合PCB的穿孔安裝,易于PCB布線,它的應用范圍很廣,包括標準邏輯IC電路、微機電路等等。雖然DIP封裝已經(jīng)有些過時,但是現(xiàn)在很多主板的BIOS芯片還采取的這種封裝形式。