第五章 直插式元器件封装技术

塑料封装用的树脂要求应具备如下特性： 1.树脂要尽可能与PDIP所用各种材料的热膨胀系数 (CTE)相匹配或相接近。 2.在-65～150℃的环境使用温度范围内能正常工作， 要求玻璃化温度大于150℃。 3.树脂的吸水性要小，并与引线的粘接性能良好，防 止湿气沿树脂—引线界面侵入内部。 4.要有良好的物理性能和化学性能。 5.要有良好的绝缘性能。 6.固化时间短。 7.Na含量低。 8.辐射性杂质含量低。
陶瓷DIP封装的芯片示意图
多层CDIP封装工艺全过程
(1) 先由流延法制成一定厚度的生瓷片； (2) 将一定厚度的生瓷片生成成一定的尺寸生片 (如 5英寸 ×5英寸或8英寸×8英寸)，冲腔体、层间通孔和填充通孔； (3) 每层生瓷片丝网印刷W或Mo金属化； (4)把多层印刷有金属化的生瓷片叠层，在一定温度和压力 下层压； (5)热切成每个单元的多层 CDIP生瓷体，若需要，进行侧 面金属化印刷； (6) 进 行 排 胶 ， 并 在 湿 氢 或 氮 氧 混 合 气 体 中 在 1550 ～ 1650℃温度下烧成，形成了多层CDIP的熟瓷体； (7)外壳成品再用常规的后道封装工艺，即安装IC芯片→引 线键合→检测→封盖→检漏→成品测试，即成为电路产品。
能连续注塑的热固性环氧系材料正具备这些良 好的特性，已成为国际上通用的材料。近年来，在 提高耐湿性、热导率、降低应力等方面有了明显的 进步。 为改善塑料封装环氧树脂的性能，还要添加一 定的填料。主要填料有 : 石英粉（二氧化硅）、二 氧化钛、氧化铝、氧化锌、无机盐或有机纤维等。 为使PDIP具有一定的颜色，还要添加一些调色 素，如黑色（碳黑）、红色（三氧化二铁）、白色 （二氧化钛）等。 为了塑封后易于脱膜，还要加入适量的脱膜剂。
塑料DIP封装全工艺过程：
1. 塑料封装的引线框架需局部镀 Ag的C194铜合金或42号铁 镍合金； 2.将IC芯片用粘接剂粘接在引线框架的中心芯片区，用WB连 接IC芯片的各焊区与局部电镀Ag的引线框架各焊区； 3. 将载有 IC 芯片的引线框架置于塑封模具的下模中，再盖上 上模； 4.将预热过环氧坯料放入树脂腔中，置于注塑机上，加热上下 模具达到150～180℃，这时环氧坯料已经软化熔融并具有一 定的流动性，注塑机对各个活塞加压，熔融的环氧树脂就通 过注塑流道挤流到各个 IC 芯片所在的空腔中，保温加压约 2～3min即可脱模已成形的塑封件； 5.清除塑料毛刺，还要对引线框架的引线连接处切筋，并打弯 成90度，就成为标准的PDIP； 6. 对 PDIP 进行高温老化筛选，并达到充分固化，再经测试， 分选打印包装就可以成品出厂。
在工艺的过程中有一种工艺要提及，这就是冲 孔工艺；这些层间通孔的作用是连接每层金属化 布线，因此在每层生瓷片精密冲孔后要填充金属 化浆料。 如有一个通孔导通失效，整个外壳就报废。通 孔直径一般在100～400μm之间。冲孔方法有机 械冲孔法、激光冲孔法和钻孔法等。
生瓷片主要由陶瓷粉末、玻璃粉末、粘接剂、溶 剂和增塑剂等组成，它们的作用分别如下： 粘接剂的作用：在生瓷片制作过程中起粘接陶瓷 颗粒的作用； 溶剂的作用：一是在球磨过程中能使瓷粉均匀分 布；二是使生瓷片中的溶剂挥发后形成大量的微孔， 这种微孔能在以后的生瓷叠片层压过程中致使金属 线条的周围瓷片压缩而不损伤金属布线； 增塑剂的作用：能使生瓷片曾现“塑性”或柔性。
TO型塑料封装图片
工艺中如何控制好模塑时的压力，粘度，并保持 塑封时的流道及腔体设计之间的综合平衡，是优化模 塑器件的关键。 该封装简便易行，适用于大批量生产，因此成本 低廉。
5.2.2 SIP单列直插式封装
单列直插式封装（ SIP ）的基板多为陶瓷基板， 由于电路并不复杂，I/O数只有几个或十多个。 先将基板上的 I/O 引脚引向一边，用镀 Ni 、 Ag 或 Pb-Sn 的“卡式”引线卡在基板一边的 I/O 焊区上； 接着在卡式引线的 I/O 焊区上涂上焊膏；然后成批 在再流焊炉中进行再流焊。 通常，它的引线的间距有2.54mm与2.27mm之分。
SIP 的插座占的基板面积小，插取自如， SIP 的 工艺简便易行，很适于多品种、小批量的 HIC 及 PWB 基板封装，还便于逐个引线的更换和返修。下图为 塑料SIP的结构示意图：
塑料SIP(PSIP)封装实物图
5.2.3 DIP双列直插式封装
上 世 纪 70 年 代 ， 芯 片 封 装 基 本 都 采 用 DIP(Dual ln-line Package)封装，此封装形式在当时具有适合 PCB穿孔安装，布线和操作较为方便等特点。 DIP 是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。 目前，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形 式，其引脚数一般为4-64个,多的也不超过100个；产 品呈系列化 , 标准化 , 品种规格齐全 , 至今仍然大量沿 用。 采用 DIP 封装的 CPU 芯片有两排引脚，引脚间距有 2.54mm 和 1.78mm 两种，一般需要插入到具有 DIP 结构 的芯片插座上使用。当然，也可以直接插在有相同焊 孔数和几何排列的电路板上进行焊接。
•玻璃封装盖或顶部
陶瓷DIP封装技术和多层 CDIP封装技术
CDIP封装工艺全过程
(1)底座和盖板的制作：粉末压制法工艺制作是用氧 化铝粉末、润滑剂和粘接剂的混合物压制成所需要的 形状，然后在空气中烧结成陶瓷件。 (2)具体封装工艺：
a. 芯片用Au浆料固定在陶瓷底座上； b. Al金属引线（Fe/Ni线）一端与芯片焊区键合连接，另 一端键合在引脚上； c. 在陶瓷盖板和底座上刷玻璃浆料，盖板盖在装好 IC 芯 片的底座组装件上；在空气中使玻璃溶化，使芯片密封在 陶瓷之中与外界隔离，玻璃即起到密封作用，还起到应力 缓和作用。 d. 经过玻璃过渡，使陶瓷与金属引线的热膨胀系数相匹 配。
5.1.2
分类及特点
根据封装接线端子的排布方式对其进行分类，可分 为引脚插入型和表面贴装型。 1、引脚插入型：
单列直插式封装（SIP）
双列直插式封装（DIP）
Z型引脚直插式封装（ZIP） 收缩双列直插式封装（S-DIP） 窄型双列直插式封装（SK-DIP） 针栅阵列插入式封装（PGA）
2、表面贴装型：
DIP封装的工艺流程
引线框贴装 引脚成形
芯片贴装
检漏
引线键合
引脚电镀
密封
标记
当粘贴压焊的芯片通过了目检测试后，接下来就 进行保护性封装结构；主要的封装方法有：陶瓷DIP 封装技术、多层CDIP封装技术和塑料DIP封装技术。
封装方法
密封型 •焊接 •焊接盖 非密封型
•树脂压模
•顶部滴胶封装 塑料DIP封装技术
(4)针栅阵列封装（PGA）
5.2
5.2.1 TO型封装
插装技术
TO金属封装工艺： 1. 将芯片固定在外壳底座的中心，常常采用 Au-Sb 合金共熔法或导电胶粘接固化法使晶体管的接地极与底 座间形成良好的欧姆接触 ( 多引脚的 TO 型结构还可以封 装IC芯片，对于IC芯片，还可以采用环氧树脂粘接固化 法) ； 2. 在芯片的焊接区与接线柱间用Au丝或AI丝连接起 来；接着将焊好的内引线的底座移至干燥箱中操作，并 通以惰性气体或N2保护芯片； 3. 将管帽套在底座上，利用电阻熔焊法或环形平行 缝焊法将管帽与底座边缘焊牢，并达到密封要求。 TO 金属封装是使用最早，应用最为广泛的全密封晶 体管封装结构。
封装体印字
封装体加工完毕后，必须对其加注重要的识别信息， 封装体上典型的信息码有产品类别、器件规格、生产 日期、生产批号和产地。 目前，主要的印字手段有墨印法和激光印字法。墨 印法适用于所有的封装材料且附着性好，其工艺是先 用平版印字机印字，然后将字烘干。 激光印字特别适用于塑料封装体的印字方法，信息 被永久地刻入到封装体的表面，对深色材料的封装体 又能提供较好的对比度。另外，激光印字的速度快且 无污染，因为封装体表面不需要外来材料加工也不需 要烘干工序。缺点是一旦印错字或器件状况改变了就 很难改正。
塑料DIP封装技术
因封装材质为塑料，所以用 PDIP 表示； 在 PDIP 封装中，因为 IC 芯片的 I/O 引脚数多， 再加上芯片也相对较大，这使得芯片与塑封 料的应力匹配更显重要。
PDIP常用各种材料的热膨胀系数 材料名称 Si C914铜合金等 Au丝 树脂 材料用途 芯片 引线框架 引线键合 塑料封装 热膨胀系数 约为4×10-6 / ℃ 约为5×10-6 / ℃ 约为1.5×10-6 / ℃ 约为4.5～7×10-6/℃
5.1
5.2
插装器件概述及分类特点 5.1.1 概述 5.1.2 分类及特点 插装技术 5.2.1 TO型 5.2.2 SIP单列直插式封装 5.2.3 DIP双列直插式封装 5.2.4 PGA针栅阵列插入式封装
5.1
插装器件概述及分类特点
5.1.1 概述
随着晶体管的出现及其质量的稳步提高，特别是 硅平面晶体管的日趋成熟；20世纪50年代末，晶体管 代替电子管已成为席卷全球之势。 这时，各类晶体管的封装类型主要有玻璃封装的 二极管和金属封装的三极管。普通管封装有 3 根长引 线，高频管或需要外壳接地的晶体管封装有 4 根长引 线； 晶体管的金属底座与 c 极相通，而 e 、b 两极则通过 金属底座的开孔，用玻璃绝缘子隔离，金属帽与金属 底座的边缘进行密封焊接，这就构成了至今仍沿用的 TO型封装——圆柱形外壳封装。当时用晶体管组装的 典型电子整机首推黑白电视机。
TO8
TO5
TO3
晶体管封装结构示意图
TO塑料封装工艺： 1. 将I/O引线冲制成引线框架，在芯片焊区将芯 片固定，将芯片的各焊区用WB焊到其他引线键合区； 2.按塑封件的大小制成一定规格的塑封模具，模 具有数十个甚至数百个相同尺寸的空腔，每个空腔体 间有细通道相连； 3.将焊接好内引线的引线框架放到模具的各个腔 体中，塑封时，先将塑封料加热至150～180℃，待其 充分软化融融后，再加压将塑封料压到各个腔体中， 略待几分钟固化后，就完成了注塑封装工作； 4.开模，整修塑封毛刺，再切断各引线框架不必 要的连接部分，就成为单独的TO塑封件了； 5.最后切筋，打弯，成形和镀锡。
电子管封装结构示意图
电子管插装结构示意图
晶体管封装结构示意图
由于晶体管的体积和重量均为电子管的数十分之 一，安装基板可省去笨重的插座，也不需用金属基板 支撑各种元器件了，选用单面酚醛环氧纸质覆铜板 (有机基板)就可胜任，而且这种基板制作工艺简单， 成本低廉，易打孔。 由于晶体管体积小、电压低、耗电省，所以在覆 铜板上刻蚀成所需的电路图形后，元器件穿过通孔焊 接在铜焊区上即可。这样，既提高了生产效率和产量， 又提高了焊接的一致性，从而提高了焊点的质量和电 子产品的可靠性。
PDIP
DIP
PCDIP
ຫໍສະໝຸດ Baidu
FDIP
DIP-tab 部分DIP封装芯片照片
PSDIP
DIP封装结构具有以下特点:
1.适合PCB的穿孔安装; 2.与TO型封装相比，易于PCB布线; 3.操作方便。 因此， Intel 系列 CPU 中 8088 就采用这种封装形 式；缓存 (Cache) 和早期的内存芯片也是采用 DIP 封 装； Intel 公司的 CPU 如 8086 、 80286 都采用 PDIP 封 装。
小外形塑料封装（SOP） 微型四方封装（MSP） 四边引线扁平封装（塑封）（QFP） 玻璃（陶瓷）扁平封装（FPG）
无引线陶瓷封装芯片载体（LCCC）
塑封无引线芯片载体（PLCC） 小外形J引线塑料封（SOJ） 球栅阵列封装（BGA） 芯片尺寸大小封装（CSP）
其中比较典型插入型封装有:
(1)圆柱外壳封装（TO） (2)单列直插式封装（SIP） (3)双列直插式封装（DIP）
从上述可以看出，晶体管和电子管有一个基本的 共同点：管脚带有引线，适合进行插装，只是晶体管 引脚插装后仍需焊接方能达到可靠连接，而电子管插 脚坚硬，只需与插座紧密接触就能达到可靠连接。
目前，各类插装元器件封装的引脚间距多为 2.54mm 。 DIP 封装已形成 4-64 个引脚的系列化产品； PGA 封装能适应LSI 芯片封装的要求，I/O 数可达数百 个。