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半导体封装技术

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。封装(Package)对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。

一 封装的主要作用有
1 物理保护。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,保护芯片表面以及连接引线等,使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响;同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配,这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力,从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求,封装越薄越好,当芯片功耗大于2W时,在封装上需要增加散热片或热沉片,以增强其散热冷却功能;5~1OW时必须采取强制冷却手段。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。
 
2 电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距,调整到实装基板的尺寸间距,从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0.13μm以下)为特征尺寸的芯片,到以10μm为单位的芯片焊点,再到以100μm为单位的外部引脚,后剑以毫米为单位的印刷电路板,都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用,从而可使操作费用及材料费用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻,寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度
 
3 标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格,既便于加工,又便于与印刷电路板相配合,相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便,而且便于标准化。相比之下,裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组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印刷电路板(PCB)的设计和制造,对于很多集成电路产品而言,组装技术都是非常关键的一环。

二 封装的工艺流程

三 封装的分类

1按照不同的分类标准分类
(1)按封装材料分:金属封装,塑料封装,陶瓷封装。
a.金属封装:用于军工,航天技术,成本高,无商业化产品。
b.陶瓷封装:用于军工,有少量民品。
c.塑料封装:成本低,工艺简单,适用于大批量商业化生产。

(2)按与PCB板连接方式分:PHT(通孔式)封装,SMT(表面贴装式)封装。

(3)按封装外形分:SOP,SOIC,TSOP,QFN,TQFP,BGA,CSP等。
四 常用的封装介绍
1 SOP封装
SOP是英文Small Outline Package的缩写,即小外形封装。SOP封装技术由1968~1969年菲利浦公司开发成功,以后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。
 
2 TSOP封装
TSOP是英文Thin Small Outline Package的缩写,即薄型小尺寸封装。TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚,TSOP适合用SMT技术(表面安装技术)在PCB(印制电路板)上安装布线。TSOP封装外形尺寸时,寄生参数(电流大幅度变化时,引起输出电压扰动)减小,适合高频应用,操作比较方便,可靠性也比较高。
 
3 BGA封装
BGA是英文Ball Grid Array Package的缩写,即球栅阵列封装。20世纪90年代随着技术的进步,芯片集成度不断提高,I/O引脚数急剧增加,功耗也随之增大,对集成电路封装的要求也更加严格。为了满足发展的需要,BGA封装开始被应用于生产。采用BGA技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍,BGA与TSOP相比,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。BGA 封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有TSOP封装的三分之一;另外,与传统TSOP封装方式相比,BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。
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。
 
4 TQFP封装
TQFP是英文thin quad flat package的缩写,即薄塑封四角扁平封装。四边扁平封装(TQFP)工艺能有效利用空间,从而降低对印刷电路板空间大小的要求。由于缩小了高度和体积,这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用,如PCMCIA 卡和网络器件。几乎所有ALTERA的CPLD/FPGA都有TQFP 封装。
 
5 CSP封装
随着电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮,封装技术已进步到CSP(Chip Size Package)。它减小了芯片封装外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍,IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。
CSP封装具有以下特点
(1)满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。
(2)芯片面积与封装面积之间的比值很小。
(3)极大地缩短延迟时间。

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