集成電路封裝：

在電子學(xué)金字塔中的位置既是金字塔的尖頂又是金字塔的基座。說它同時處在這兩種位置都有很充分的根據(jù)。從電子元器件（如晶體管）的密度這個角度上來說，IC代表了電子學(xué)的尖端。但是IC又是一個起始點，是一種基本結(jié)構(gòu)單元，是組成我們生活中大多數(shù)電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。同樣，IC不僅僅是單塊芯片或者基本電子結(jié)構(gòu)，IC的種類千差萬別（模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路、傳感器等），因而對于封裝的需求和要求也各不相同。本文對IC封裝技術(shù)做了全面的回顧，以粗線條的方式介紹了制造這些不可缺少的封裝結(jié)構(gòu)時用到的各種材料和工藝。

集成電路封裝還必須充分地適應(yīng)電子整機(jī)的需要和發(fā)展。由于各類電子設(shè)備、儀器儀表的功能不同，其總體結(jié)構(gòu)和組裝要求也往往不盡相同。因此，集成電路封裝必須多種多樣，才足以滿足各種整機(jī)的需要。

集成電路封裝是伴隨集成電路的發(fā)展而前進(jìn)的。隨著宇航、航空、機(jī)械、輕工、化工等各個行業(yè)的不斷發(fā)展，整機(jī)也向著多功能、小型化方向變化。這樣，就要求集成電路的集成度越來越高，功能越來越復(fù)雜。相應(yīng)地要求集成電路封裝密度越來越大，引線數(shù)越來越多，而體積越來越小，重量越來越輕，更新?lián)Q代越來越快，封裝結(jié)構(gòu)的合理性和科學(xué)性將直接影響集成電路的質(zhì)量。因此，對于集成電路的制造者和使用者，除了掌握各類集成電路的性能參數(shù)和識別引線排列外，還要對集成電路各種封裝的外形尺寸、公差配合、結(jié)構(gòu)特點和封裝材料等知識有一個系統(tǒng)的認(rèn)識和了解。以便使集成電路制造者不因選用封裝不當(dāng)而降低集成電路性能;也使集成電路使用者在采用集成電路進(jìn)行征集設(shè)計和組裝時，合理進(jìn)行平面布局、空間占用，做到選型恰當(dāng)、應(yīng)用合理。

為什么要對芯片進(jìn)行封裝？

任何事物都有其存在的道理，芯片封裝的意義又體現(xiàn)在哪里呢？從業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)識來看，芯片封裝主要具備以下四個方面的作用：固定引腳系統(tǒng)、物理性保護(hù)、環(huán)境性保護(hù)和增強(qiáng)散熱。下面我們就這四方面做一個簡單描述。

1.固定引腳系統(tǒng)

要讓芯片正常工作，就必須與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而封裝最重要的意義便體現(xiàn)在這里。當(dāng)然，我們不可能將芯片內(nèi)的引腳直接與電路板等連接，因為這部分金屬線相當(dāng)細(xì)，通常情況下小于1.5微米（μm），而且多數(shù)情況下只有1.0微米。但通過封裝以后，將外部引腳用金屬銅與內(nèi)部引腳焊接起來，芯片便可以通過外部引腳間接地與電路板連接以起到數(shù)據(jù)交換的作用。

外部引腳系統(tǒng)通常使用兩種不同的合金——鐵鎳合金及銅合金，前者可用于高強(qiáng)度以及高穩(wěn)定性的場合，而后者具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的優(yōu)勢。具體選用何種引腳系統(tǒng)可根據(jù)實際情況來定。

2. 物理性保護(hù)芯片通過封裝以后可以免受微粒等物質(zhì)的污染和外界對它的損害。實現(xiàn)物理性保護(hù)的主要方法是將芯片固定于一個特定的芯片安裝區(qū)域，并用適當(dāng)?shù)姆庋b外殼將芯片、芯片連線以及相關(guān)引腳封閉起來，從而達(dá)到保護(hù)的目的。應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對于芯片封裝的等級要求也不盡相同，當(dāng)然，消費類產(chǎn)品要求最低。

3.環(huán)境性保護(hù)

封裝的另一個作用便是對芯片的環(huán)境性保護(hù)，可以讓芯片免受濕氣等其他可能干擾芯片正常功能的氣體對它正常工作產(chǎn)生不良影響。

4. 增強(qiáng)散熱

眾所周知，所有半導(dǎo)體產(chǎn)品在工作的時候都會產(chǎn)生熱量，而當(dāng)熱量達(dá)到一定限度的時候便會影響芯片正常工作。而封裝體的各種材料本身就可以帶走一部分熱量。當(dāng)然，對于大多數(shù)發(fā)熱量大的芯片，除了通過封裝材料進(jìn)行降溫以外，還需要考慮在芯片上額外安裝一個金屬散熱片或風(fēng)扇以達(dá)到更好的散熱效果。

作用

集成電路封裝不僅起到集成電路芯片內(nèi)鍵合點與外部進(jìn)行電氣連接的作用，也為集成電路芯片提供了一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對集成電路芯片起到機(jī)械或環(huán)境保護(hù)的作用，從而集成電路芯片能夠發(fā)揮正常的功能，并保證其具有高穩(wěn)定性和可靠性?？傊呻娐贩庋b質(zhì)量的好壞，對集成電路總體的性能優(yōu)劣關(guān)系很大。因此，封裝應(yīng)具有較強(qiáng)的機(jī)械性能、良好的電氣性能、散熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

雖然IC的物理結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域、I/O數(shù)量差異很大，但是IC封裝的作用和功能卻差別不大，封裝的目的也相當(dāng)?shù)囊恢?。作為“芯片的保護(hù)者”，封裝起到了好幾個作用，歸納起來主要有兩個根本的功能：

（1）保護(hù)芯片，使其免受物理損傷。

（2）重新分布I/O，獲得更易于在裝配中處理的引腳節(jié)距。封裝還有其他一些次要的作用，比如提供一種更易于標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，為芯片提供散熱通路，使芯片避免產(chǎn)生α粒子造成的軟錯誤，以及提供一種更方便于測試和老化試驗的結(jié)構(gòu)。封裝還能用于多個IC的互連?？梢允褂靡€鍵合技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)的互連技術(shù)來直接進(jìn)行互連?；蛘咭部捎梅庋b提供的互連通路，如混合封裝技術(shù)、多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級封裝（SiP）以及更廣泛的系統(tǒng)體積小型化和互連（VSMI）概念所包含的其他方法中使用的互連通路，來間接地進(jìn)行互連。

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）器件和片上實驗室（lab-on-chip）器件的不斷發(fā)展，封裝起到了更多的作用：如限制芯片與外界的接觸、滿足壓差的要求以及滿足化學(xué)和大氣環(huán)境的要求。人們還日益關(guān)注并積極投身于光電子封裝的研究，以滿足這一重要領(lǐng)域不斷發(fā)展的要求。最近幾年人們對IC封裝的重要性和不斷增加的功能的看法發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，IC封裝已經(jīng)成為了和IC本身一樣重要的一個領(lǐng)域。這是因為在很多情況下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們越來越注重發(fā)展IC封裝技術(shù)以迎接新的挑戰(zhàn)。

折疊封裝形式

集成電路發(fā)展初期，其封裝主要是在半導(dǎo)體晶體管的金屬圓形外殼基礎(chǔ)上增加外引線數(shù)而形成的。但金屬圓形外殼的引線數(shù)受結(jié)構(gòu)的限制不可能無限增多，而且這種封裝引線過多時也不利于集成電路的測試和安裝，從而出現(xiàn)了扁平式封裝。而扁平式封裝不易焊接，隨著波峰焊技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了雙列式封裝。由于軍事技術(shù)的發(fā)展和整機(jī)小型化的需要，集成電路的封裝又有了新的變化，相繼產(chǎn)生了片式載體封裝、四面引線扁平封裝、針柵陣列封裝、載帶自動焊接封裝等。同時，為了適應(yīng)集成電路發(fā)展的需要，還出現(xiàn)了功率型封裝、混合集成電路封裝以及適應(yīng)某些特定環(huán)境和要求的恒溫封裝、抗輻照封裝和光電封裝。并且各類封裝逐步形成系列，引線數(shù)從幾條直到上千條，已充分滿足集成電路發(fā)展的需要。

折疊封裝材料

如上所述，集成電路封裝的作用之一就是對芯片進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，避免芯片與外部空氣接觸。因此必須根據(jù)不同類別的集成電路的特定要求和使用場所，采取不同的加工方法和選用不同的封裝材料，才能保證封裝結(jié)構(gòu)氣密性達(dá)到規(guī)定的要求。集成電路早期的封裝材料是采用有機(jī)樹脂和蠟的混合體，用充填或灌注的方法來實現(xiàn)封裝的，顯然可靠性很差。也曾應(yīng)用橡膠來進(jìn)行密封，由于其耐熱、耐油及電性能都不理想而被淘汰。使用廣泛、性能最為可靠的氣密密封材料是玻璃-金屬封接、陶瓷-金屬封裝和低熔玻璃-陶瓷封接。處于大量生產(chǎn)和降低成本的需要，塑料模型封裝已經(jīng)大量涌現(xiàn)，它是以熱固性樹脂通過模具進(jìn)行加熱加壓來完成的，其可靠性取決于有機(jī)樹脂及添加劑的特性和成型條件，但由于其耐熱性較差和具有吸濕性，還不能與其他封接材料性能相當(dāng)，尚屬于半氣密或非氣密的封接材料。

隨著芯片技術(shù)的成熟和芯片成品率的迅速提高，后部封接成本占整個集成電路成本的比重也愈來愈大，封裝技術(shù)的變化和發(fā)展日新月異，令人目不暇接。

究竟集成電路封裝形式有哪幾種？

一、SOP小外形封裝

SOP，也可以叫做SOL和DFP，是一種很常見的元器件形式。同時也是表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀（L字形）。封裝材料分塑料和陶瓷兩種。始于70年代末期。

SOP封裝的應(yīng)用范圍很廣，除了用于存儲器LSI外，還輸入輸出端子不超過10-40的領(lǐng)域里，SOP都是普及最廣泛的表面貼裝封裝。后來，為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，也逐漸派生出SOJ、SSOP、TSSOP、SOIC等一些小外形封裝。

二、PGA插針網(wǎng)格陣列封裝

PGA芯片封裝形式常見于微處理器的封裝，一般是將集成電路（IC）包裝在瓷片內(nèi)，瓷片的底部是排列成方形的插針，這些插針就可以插入獲焊接到電路板上對應(yīng)的插座中，非常適合于需要頻繁插波的應(yīng)用場合。對于同樣管腳的芯片，PGA封裝通常要比過去常見的雙列直插封裝需用面積更小。

PGA封裝具有插撥操作更方便，可靠性高及可適應(yīng)更高的頻率的特點，早期的奔騰芯片、InTel系列CPU中的80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。

三、BGA球柵陣列封裝

BGA封裝是從插PGA插針網(wǎng)格陣列改良而來，是一種將某個表面以格狀排列的方式覆滿引腳的封裝法，在運作時即可將電子訊號從集成電路上傳導(dǎo)至其所在的印刷電路板。在BGA封裝下，在封裝底部處引腳是由錫球所取代，這些錫球可以手動或透過自動化機(jī)器配置，并透過助焊劑將它們定位。

BGA封裝能提供比其他如雙列直插封裝或四側(cè)引腳扁平封裝所容納更多的接腳，整個裝置的地步表面可作為接腳使用，比起周圍限定的封裝類型還能具有更短的平均導(dǎo)線長度，以具備更加的高速效能。

四、DIP雙列直插式封裝

所謂DIP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。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。

DIP封裝具有以下特點：

1、 適合在PCB（印刷電路板）上穿孔焊接，操作方便。

2、 芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。Intel系列CPU中的8088就采用這種封裝形式，緩存（Cache）和早期的內(nèi)存芯片業(yè)是這種封裝形式。