芯片封装概述

芯片封装概述 ****[^]

　　摘要：本文介绍了芯片封装的演变过程，并以BGA为重点，介绍了当前较为先进的面积阵列封装。

　　关键词：封装，组装，面积阵列封装，球栅阵列封装

引言

　　随着半导体技术的飞速发展，IC在处理速度上的高速增长，处理能力上的增强，芯片内部结构日趋复杂。因而IC制造也遇到挑战，其封装形式的小型化与I／0端数量的增长的矛盾推动封装形式的革新。

l.封装形式的演变

1.1 双列直插式封装DIP(Dual In—line Package)

　　传统芯片因工艺、功能等诸多因素制约，多采用DIP形式封装，甚至有些采用SIP(Single In—line Package)封装。相对于采用SMD这样组装所占面积较大，给设备小型化带来困难，且组装自动化程度较低。64脚DIP封装的IC，安装面积为25.4mm*76.2mm，相同端数采用引脚中心距为0.64mm无引线器件进行表面安装，安装面积为12.7mm*12.7mm，仅为前者的l／12。

1.2 SMT常用封装

1.2.1 小外型封装SOP(Small Outline Package)

　　SOP器件又称为SOIC(Small Outline Integrated Circuit)，是DIP的缩小形式，引线中心距为1.27mm，引脚形式：欧翼型、J型、I型，常用欧翼型。

1.2.2 塑封有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)

　　塑封有引线芯片载体PLCC，引线中心距为1.27mm，引线呈J形，向器件下方弯曲，有矩形、方形两种。PLCC器件组装面积小，引线强度高，不易变形，多根引线保证了良好的共面性，使焊点的一致性得以改善。因J形引线向下弯曲，检修有些不便。

1.2.3 无引线陶瓷芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)

　　无引线陶瓷芯片载体LCCC电极中心距有1.0mm、1.27mm两种。因为是无引线组装，故寄生参数小，噪声、延时特性明显改善；亦因无引线，应力小，焊点易开裂。

1.2.4 方形扁平封装QFP(Quad Flat Package)

　　方形扁平封装QFP，主要应用于ASIC(Application Of Specific Integrated Circuit)专用集成电路。普通引线中心距为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm，目前亦有采用0.3mmQFP。为保证引出线良好的共面性，美国的QFP器件四个脚都有一个突出的脚，其尺寸超过引出线O.05mm。

1.3小结

　　综合上述介绍，I／O数量的增加是以牺牲引线间距为代价。间距的缩小给芯片制造、组装工艺提出更高要求，难度亦随之增加，加之间距亦有极限，因此即使I／O数较多的QFP的发展也受到间距极限的限制，因而更新型的封装，更先进的技术就呼之欲出。

2．新型封装

2.1 球栅阵列BGA(Ball Grid Array)

　　正如1.3所述，缩小间距不是解决I／O数增长最有效的解决方案。于是便有以封装底面来互连的解决办法，这便是面积阵列封装AAP(Area Array Package)。采用AAP，相同I／O数与组装面积，AAP间距明显较大，这使组装容易，芯片制造难度下降；相同的组装面积和间距，AAP可使I／O数增多；若间距、I／O数相同，AAP的组装面积明显较小，这使设备的小型化易于实现。因此AAP成为当前封装的热点和趋势。以结构形式划分，AAP可分为BGA和FC。BGA又可分为PBGA、CBGA、CCGA、TBGA四类，下面分述之。

2.1.1 塑封球栅阵列PBGA(Plastic Ball Grid Array)

　　PBGA是最普遍的BGA封装类型，其载体为普通的印制板基材，如FR—4等。硅片通过金属丝压焊方式连到载体的上表面，然后塑料模压成型。有些PBGA封装结构中带有空腔，称热增强型BGA，简称EBGA。

　　下表面为呈部分或完全分布的共晶组份(37Pb／63Sn)的焊球阵列，焊球间距通常为1.0mm、1.27mm、1.5mm。

PBGA有以下特点：

其载体与PCB材料相同，故组装过程二者的热膨胀系数TCE(Thermal Coefficient Of Expansion)几乎相同，即热匹配性良好。

组装成本低。

共面性较好。

易批量组装。

电性能良好。

2.1.2 陶瓷球栅阵列CBGA(Ceramic Ball Grid Array)

　　CBGA即是以多层陶瓷作载体，硅片采用金属丝压焊方式或采用硅片线路面朝下，以倒装片方式实现与载体的互联，然后用填充物包封，起到保护作用。陶瓷载体下表面是90Pb／10Sn的共晶焊球阵列，焊球间距常为1.0mm和1.27mm。CBGA具有如下特点：

优良的电性能和热特性。

密封性较好。

封装可靠性高。

共面性好。

封装密度高。

因以陶瓷作载体，对湿气不敏感。

封装成本较高。

组装过程热匹配性能差，组装工艺要求较高。

2.1.3 陶瓷柱栅阵列CCGA(Ceramic Cloumn Grid Array)

　　CCGA是CBGA的扩展，因此在制作工艺，性能上与CBGA相似。不同的是以90Pb／10Sn焊料柱替代了CBGA中的焊球，焊料柱的产生减小了组装过程PCB与陶瓷载体热性能失配产生的应力，但是焊料柱在组装过程中易受到机械损坏。CCGA的典型柱距为1.27mm。

2.1.4 载带球栅阵列TBGA(Tape Ball Grid Array)

　　载带球栅阵列TBGA是载带自动键合TAB(Tape Automated Bonding)技术的延伸。TBGA的载体为铜／聚酰亚胺／铜的双金属层带(载带)。载体上表面分布的铜导线起传输作用，下表面的铜层作地线。硅片与载体实现互连后，将硅片包封起到保护作用。载体上的过孔实现上下表面的导通，利用类似金属丝压焊技术在过孔焊盘上形成焊球阵列。焊球间距有1.0mm、1.27mm、1.5mm几种。TBGA有以下特点：

封装轻、小。

电性能良。

组装过程中热匹配性好。

潮气对其性能有影响。

2.1.5 小结

　　综合上述介绍，BGA性能明显优于QFP，有良好的电性能，高I／O数。各类BGA的焊球、柱的组份基本是90Pb／10Sn(PBGA除外)，间距基本上是1.0mm、l.27mm，因此间距还有进一步缩小的空间，这样I／O数将进一步增多，这将是BGA的发展方向——uBGA，亦称之为CSP(芯片尺寸封装)，后面将简要介绍。

2.2 倒装芯片FC(F1ip Chip)

　　倒装芯片FC即是将芯片的有源面通过分布于上面的焊球与PCB实现直接互连，从而取代金属丝压焊的连接方式。因此连接长度减小，电路时延也小，电性能较好，可提供较多I／O数且芯片外形尺寸小。

2.3芯片尺寸封装CSP(Chip Scale Package)

　　芯片尺寸封装规约为：封装尺寸为芯片本身尺寸大小的l——1.2倍。正如前文所述，某种意义上而言，CSP是BGA的微小化。CSP尺寸小，I／O数高导致间距缩小，给组装工艺带来挑战。

2.4 其它

　　多芯片模块MCM(Multi—chip Module)是将多个芯片封装在一起，从而完成某特定功能的多芯片封装。其种类有：MCM—C、MCM—L、MCM—D。

　　板载芯片COB(Chip On Board)技术是适应微组装技术发展的，越来越微小的间距，无法实现封装，因而直接将裸芯片安装到PCB板上。

3．结语

　　芯片封装的发展是适应微组装技术FPT(Fine Pitch Technology)的发展而发展。朝轻、薄、小化，高I／O数，外形尺寸小，引线或焊球间距小的方向发展。随着技术的发展，性能将进一步提高，价格将会下降。这样电子组装的新时代将来临，整机性能将明显改善。