集成電路封裝簡(jiǎn)介

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(shí)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(gè)角度上來(lái)說，IC代表了電子學(xué)的尖端。但是IC又是一個(gè)起始點(diǎn)，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(wàn)別（模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路、傳感器等），因而對(duì)于封裝的需求和要求也各不相同。本文對(duì)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(shí)用到的各種材料和工藝。

集成電路封裝不僅起到集成電路芯片內(nèi)鍵合點(diǎn)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(gè)穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對(duì)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?，集成電路封裝質(zhì)量的好壞，對(duì)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(gè)作用，歸納起來(lái)主要有兩個(gè)根本的功能：

（1）保護(hù)芯片，使其免受物理?yè)p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(cuò)誤，以及提供一種更方便于測(cè)試和老化試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)。封裝還能用于多個(gè)IC的互連。可以使用引線鍵合技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)的互連技術(shù)來(lái)直接進(jìn)行互連。或者也可用封裝提供的互連通路，如混合封裝技術(shù)、多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級(jí)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(lái)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們?cè)絹?lái)越注重發(fā)展IC封裝技術(shù)以迎接新的挑戰(zhàn)。

發(fā)展現(xiàn)狀

在產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)的同時(shí)，IC設(shè)計(jì)、芯片制造和封裝測(cè)試三業(yè)的格局也正不斷優(yōu)化。2010年，國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)業(yè)同比增速達(dá)到34.8%，規(guī)模達(dá)到363.85億元;芯片制造業(yè)增速也達(dá)到31.1%，規(guī)模達(dá)到447.12億元;封裝測(cè)試業(yè)增速相對(duì)稍緩，同比增幅為26.3%，規(guī)模為629.18億元。

總體來(lái)看，IC設(shè)計(jì)業(yè)與芯片制造業(yè)所占比重呈逐年上升的趨勢(shì)，2010年已分別達(dá)到25.3%和31%;封裝測(cè)試業(yè)所占比重則相應(yīng)下降，2010年為43.7%，但其所占比重依然是最大的。

目前，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)集群已初步形成集聚長(zhǎng)三角、環(huán)渤海和珠三角三大區(qū)域的總體產(chǎn)業(yè)空間格局，2010年三大區(qū)域集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入占全國(guó)整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模的近95%。集成電路產(chǎn)業(yè)基本分布在省會(huì)城市和沿海的計(jì)劃單列市，并呈現(xiàn)“一軸一帶”的分布特征，即東起上海、西至成都的沿江發(fā)展軸以及北起大連、南至深圳的沿海產(chǎn)業(yè)帶，形成了北京、上海、深圳、無(wú)錫、蘇州和杭州六大重點(diǎn)城市。

去年年初，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》，從財(cái)稅、投融資、研發(fā)、進(jìn)出口、人才、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面給予集成電路產(chǎn)業(yè)諸多優(yōu)惠，政策覆蓋范圍從設(shè)計(jì)企業(yè)與生產(chǎn)企業(yè)延伸至封裝、測(cè)試、設(shè)備、材料等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策環(huán)境進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，到2015年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模將在2010年的基礎(chǔ)上再翻一番，銷售收入超過3000億元，滿足國(guó)內(nèi)30%的市場(chǎng)需求。芯片設(shè)計(jì)能力大幅提升，開發(fā)出一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心芯片，而封裝測(cè)試業(yè)進(jìn)入國(guó)際主流領(lǐng)域?！笆濉逼陂g，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)將步入一個(gè)新的黃金發(fā)展期。

國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)在寬帶提速、家電下鄉(xiāng)等宏觀政策影響下好于全球市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為2158.5億元，同比增長(zhǎng)11.6%。

中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步形成了集成電路設(shè)計(jì)、集成電路制造和集成電路封裝測(cè)試三業(yè)并舉、協(xié)調(diào)發(fā)展的格局。2012年，中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)銷售額占比為28.8%、制造業(yè)銷售額占比為23.2%，封裝測(cè)試業(yè)銷售額占比為48.0%。

報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2012年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)量為823.1億塊，同比增長(zhǎng)14.4%。2012年中國(guó)集成電路產(chǎn)品進(jìn)口金額為1920.6億美元，同比增長(zhǎng)12.8%;2012年中國(guó)集成電路產(chǎn)品出口金額為534.3億美元，同比增長(zhǎng)64.1%。

發(fā)展趨勢(shì)：

在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，集成電路封裝幾乎沒有多大變化，6～64根引線的扁平和雙列式封裝，基本上可以滿足所有集成電路的需要。對(duì)于較高功率的集成電路，則普遍采用金屬圓形和菱形封裝。但是隨著集成電路的迅速發(fā)展，多于64，甚至多達(dá)幾百條引線的集成電路愈來(lái)愈多。如日本40億次運(yùn)算速度的巨型計(jì)算機(jī)用一塊ECL．復(fù)合電路，就采用了462條引線的PGA。過去的封裝形式不僅引線數(shù)已逐漸不能滿足需要，而且也因結(jié)構(gòu)上的局限而往往影響器件的電性能。同時(shí)，整機(jī)制造也正在努力增加印制線路板的組裝密度、減小整機(jī)尺寸來(lái)提高整機(jī)性能，這也迫使集成電路去研制新的封裝結(jié)構(gòu)，新的封裝材料來(lái)適應(yīng)這一新的形勢(shì)。因此，集成電路封裝的發(fā)展趨勢(shì)大體有以下幾個(gè)方面：

1．表面安裝式封裝將成為集成電路封裝主流集成電路的表面安裝結(jié)構(gòu)是適應(yīng)整機(jī)系統(tǒng)的需要而發(fā)展起來(lái)的，主要是因?yàn)殡娮釉O(shè)備的小型化和輕量化，要求組裝整機(jī)的電子元器件外形結(jié)構(gòu)成為片式，使其能平貼在預(yù)先印有焊料膏的印制線路板焊盤上，通過再流焊工藝將其焊接牢固。這種作法不僅能夠縮小電子設(shè)備的體積，減輕重量，而且這些元器件的引線很短，可以提高組裝速度和產(chǎn)品性能，并使組裝能夠柔性自動(dòng)化。

表面安裝式封裝一般指片式載體封裝、小外形雙列封裝和四面引出扁平封裝等形式，這類封裝的出現(xiàn)，無(wú)疑是集成電路封裝技術(shù)的一大進(jìn)步。

2．集成電路封裝將具有更多引線、更小體積和更高封裝密度

隨著超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路的問世，集成電路芯片變得越來(lái)越大，其面積可達(dá)7mm&TImes;7mm，封裝引出端可在數(shù)百個(gè)以上，并要求高速度、超高頻、低功耗、抗輻照，這就要求封裝必須具有低應(yīng)力、高純度、高導(dǎo)熱和小的引線電阻、分布電容和寄生電感，以適應(yīng)更多引線、更小體積和更高封裝密度的要求。

要想縮小封裝體積，增加引線數(shù)量．唯一的辦法就是縮小封裝的引線間距。一個(gè)40線的雙列式封裝要比68線的H式載體封裝的表面積大20%，其主要區(qū)別就是引線目距由2.54mm改變自1.27mm或1.00cmm。不難想像，如果引線間距進(jìn)而改變?yōu)?.80mm，O.65mm甚至050mm，則封裝的表面積還會(huì)太大地縮小。但是為了縮小引線間距，這勢(shì)必帶來(lái)了一系列新的目題，如印線精密制造就必須用光致腐蝕的蝕刻工藝來(lái)代替機(jī)械模具的沖制加工，并必須解決引線間距縮小所引起的引線間絕緣電阻的降低和分步電容的增大等各個(gè)方面研究課題。

集成電路芯片面積增大，通常其相應(yīng)封裝面積也在加大，這就對(duì)熱耗散問題提出了新的挑戰(zhàn)。這個(gè)問題是一個(gè)綜臺(tái)性的，它不僅與芯片功率、封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)的表面積和最高結(jié)溫有關(guān)，還與環(huán)境溫度和冷玲方式等有關(guān)，這就必須在材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和冷卻的手段等方面作出新的努力。

3.塑料封裝仍然是集成自路的主要封裝形式

塑料模塑封裝具有成本低、工藝簡(jiǎn)單和便于自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，雖然在軍用集成電路標(biāo)準(zhǔn)中明文規(guī)定，封裝結(jié)構(gòu)整體不得使用任何有機(jī)聚合物材料，但是在集成電路總量中，仍有85%以上采用塑料封裝。

塑料封裝與其他封裝相比，其缺點(diǎn)主要是它屬于非氣密或半氣密封裝，所以抗潮濕性能差，易受離子污染；同時(shí)熱穩(wěn)定性也不好，對(duì)電磁波不能屏蔽等，因而對(duì)于高可靠的集成電路不宜選用這種封裝形式。但是近幾年來(lái)，塑料封裝的模塑材料、引線框架和生產(chǎn)工藝已經(jīng)不斷完善和改進(jìn)，可靠性也已大大提高，相信在這個(gè)基礎(chǔ)上，所占封裝比例還會(huì)繼續(xù)增大。

4.直接粘結(jié)式封裝將取得更大發(fā)展

集成電路的封裝經(jīng)過插入式、表面安裝式的變革以后，一種新的封裝結(jié)構(gòu)—直接粘結(jié)式已經(jīng)經(jīng)過研制、試用達(dá)到了具有商品化的價(jià)值，并且取得了更大的發(fā)展，據(jù)國(guó)際上預(yù)測(cè)，直接粘結(jié)式封裝在集成電路中所占比重將從1990年的8%上升至2000年的22%，這一迅速上升的勢(shì)頭，說明了直接粘結(jié)式封裝的優(yōu)點(diǎn)和潛力。

所謂直接粘結(jié)式封裝就是將集成電路芯片直接粘結(jié)在印制線路板或覆有金屬引線的塑料薄膜的條帶上，通過倒裝壓焊等組裝工藝，然后用有機(jī)樹脂點(diǎn)滴形加以覆蓋。當(dāng)前比較典型的封裝結(jié)構(gòu)有芯片板式封裝（COB）、載帶自動(dòng)焊接封裝（TAB）和倒裝芯片封轉(zhuǎn)（FLIPCHIP）等樹種，而其中COB封裝和TAB封裝已經(jīng)大量使用于音樂、語(yǔ)音、鐘表程控和照相機(jī)快門等直接電路。

直接粘結(jié)式封裝其所以能夠迅速發(fā)展，最重要的因素是它能適用于多引線、小間距、低成本的大規(guī)模自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)，并且簡(jiǎn)化了封裝結(jié)構(gòu)和組裝工藝。例如COB封裝不再使用過去的封裝所必需的金屬外引線；TAB封裝采用倒裝壓焊而不再使用組裝工藝必須的內(nèi)引線鍵合。這樣，一方面減少了鍵合的工作量，另一方面因減少引線的壓焊點(diǎn)數(shù)而提高了集成電路的可靠性。

在中國(guó)COB封裝已經(jīng)大量生產(chǎn)，而TAB封裝尚處于開發(fā)階段，相信在今后的集成電路中，這類封裝會(huì)占據(jù)一定的地位和取得更大的發(fā)展。

5.功率集成電路封裝小型化已成為可能

功率集成電路的封裝結(jié)構(gòu)，受封裝材料的導(dǎo)熱性能影響，造成封裝體積較大而與其他集成電路不相匹配，已成為人們關(guān)注的問題之一，而關(guān)鍵所在是如何采用新的封裝材料。

功率集成電路所用的封裝材料，不僅要求其導(dǎo)熱性能好，而且也要求線膨脹系數(shù)低，并具備良好的電氣性能和機(jī)械性能。隨著科學(xué)的進(jìn)步，一些新的材料已經(jīng)開始應(yīng)用到集成電路方面來(lái)，如導(dǎo)熱性能接近氧化鈹（BeO）線膨脹系數(shù)接近硅（Si）的新陶瓷材料—氮化鋁（AlN），將成為功率集成電路封裝結(jié)構(gòu)的主體材料，從而大大地縮小了體積和改善了電路的性能，相信將來(lái)還會(huì)有更多的新材料參與到這一領(lǐng)域中來(lái)，使功率集成電路能進(jìn)一步縮小體積。

另外，采用氟利昂小型制冷系統(tǒng)對(duì)功率集成電路進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以降低其表面環(huán)境溫度來(lái)解決封裝的功耗，已在一些大型計(jì)算機(jī)中得到實(shí)現(xiàn)。這樣在改變封裝結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)、使用新的封裝材料的同時(shí)，再改善外部冷卻條件，那么集成電路的熱性能就可取得更大的改善。

當(dāng)前以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能電網(wǎng)、新能源汽車為代表的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，將成為繼計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子之后，推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。工信部預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)規(guī)模到2015年將達(dá)到12000億元。

我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境亟待優(yōu)化，設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試以及專用設(shè)備、儀器、材料等產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同性不足，芯片、軟件、整機(jī)、系統(tǒng)、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)互動(dòng)不緊密。“十二五”期間，中國(guó)將積極探索集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上下游虛擬一體化模式，充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作與協(xié)同，共建價(jià)值鏈。培育和完善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)與軟件、整機(jī)、系統(tǒng)及服務(wù)的有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)企業(yè)的群體躍升，增強(qiáng)電子信息大產(chǎn)業(yè)鏈的整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。