元器件封装基础

HMC(Hybrid Memory Cube)混 合存储立方体,单颗HMC芯片的 性能超过DDR3内存条20倍以上
FEM(Finite Element Method) Simulation 有限元模拟仿真
Mechanical--ANSYS/ABAQUS/Comsol Thermal--Mentor Flowtherm/ Icepak(Ansys) /Fluent(Ansys) Electrical--ANSYS Mold flow--Autodesk Moldflow Fatigue life--ANSYS Solder ball shaping
元器件封装基础
目录
封装是什么 封装的分类 常见封装形式 封装发展历程和驱动力 主要封装技术 MEMS器件封装的特点 封装技术的未来
封装是什么？
封装，Package
名词定义：是指封装的形式/类别，或安装半导体IC的外壳(包括基底、引线等材料)。强调 其密封/保护芯片的结构。
CSP分类：
Lead Frame Type(传统导线架形式) Rigid Interposer Type( 硬质内插板型) Flexible Interposer Type(软质内插板型) Wafer Level Package(晶圆尺寸封装)
芯片与封装长宽尺寸的比例不小于1:1.1，或封装与芯片面积比例不大于1.2倍，或芯片与 封装尺寸面积之比大于80％。 CSP与BGA结构基本一样，锡球直径和间距缩小 组装密度进一步提高，满足了芯片I/O引脚不断增加的需要 面积/厚度最小，体积最小的封装， 重量轻 占用印刷板的面积小，引脚相同的情况下，面积不到0.5mm间距QFP的十分之一 效散热路短 内部互连线长度短，线路阻抗显著减小，极大地缩短延迟时间，提升芯片速度
Hale Waihona Puke Baidu
WB (Wire Bonding) 引线键合/打线
Au wire/Al wire/Cu wire/ Al-Cu bimetallic wire Ultra low loop Overhang WB Ball bond/Wedge bond
Bumping 凸块
Gold stud/Copper pillar/Solder ball Sputter/Plating Stencil/Screen RDL/UBM/Passivasion
封装引脚多分布于四边 为保护四边引脚，模块封装在预成型载体中 PLCC的管脚间距多为1.27mm PLCC引脚数通常在20至84之间 没有引脚或引脚内弯曲，减小了安装面积 包材预成型，封装工艺流程简化 调试和焊接麻烦，使用引脚转换座便于拆卸
常见封装形式
SOP (Small Out-Line Package) 小外形封装
按使用的包装材料，为金属封装、陶瓷封装和塑料封装
按成型工艺，分为预成型封装(pre-mold)和后成型封装(post-mold） 按封装形式，分为SIP/ DIP/LCC/SOP/BGA/CSP等等 按PCBA (板级组装) 方式来分，则可以划分为PTH (Pin Through Hole)和SMD (Surface Mounted Device) 二大类，即通常所称的插孔式（或通孔式）和表面贴装式
部分派生封装形式：
PBGA（Plastic BGA） CBGA（Ceramic BGA） FCBGA （Flip Chip BGA） TBGA（Tape BGA） CDPBGA（Cavity Down PBGA） TinyBGA (Tiny Ball Grid Array)
常见封装形式
CSP(Chip Size Package)，芯片尺寸封装
可靠性：MEMS使用范围广泛，对其封装提出更高的可靠性要求，尤其要求确保产品在恶 劣条件下的安全工作，免受有害环境侵蚀，封装气密，在保证电功能可靠性同时，还需考 虑可动部件的长期机械性能 经济性： MEMS封装主要采用定制式研发，没有系列化、标准化统一制造技术和平台。其 封装在整个产品价格中占有40％-90％的比重，降低封装成本成为器件设计的核心之一。
SOP是按封装体的紧凑程度定义的，封装的器件相对于它的芯片尺寸和所包含的引脚数 来说，在电路板上的印迹(foot print)是出乎寻常的小 1980 年代随SMT(Surface Mount Technology)技术衍生而出 引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形) 引脚间距非常小，模块厚度薄 焊接操作便于检查 引脚数为8-44之间 部分派生封装形式：
IC 功能相对简单 器件引脚较少 引脚间距固定 可人工组装
SMT组装技术 引脚密度大幅提 升 引脚间距多种 WB/Molding黄金 时代
SMT组装技术 引脚密度再大幅 提升
功能密度提升 更低的成本 更大的灵活度
发展驱动力：
成本： 金属>陶瓷>塑封， THD>SMT， 单个>Stripe>Wafer 性能：单边>双边>四边>面阵列>芯片尺寸 可靠性：引脚形状
常见封装形式
LGA(land grid array)，触点/栅格陈列封装
与英特尔处理器之前的封装技术Socket 478相对应，它也被称为Socket T，主要在于它用 金属触点式封装取代了以往的针状插脚，需要一个安装扣架固定，让CPU可以正确地压在 Socket露出来的具有弹性的触须上。 封装面积得以更充分利用，引脚数比QFP/QFN大，比如LGA775有775个触点 基板(substrate)作为基底 若是有插座，则相关机械配件(socket)制作复杂，成本高 封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解 封装底部可设计大焊盘增强散热，但不如QFN 自感系数/布线电阻低，电性能卓越 适用于应用于高速逻辑LSI 电路
动词定义：是把集成电路装配为最终产品(芯片)的过程，强调的是安放、固定、密封、打 线的过程和动作。
封装的作用：
保护芯片，与外界隔离(绝缘，防水气，防腐蚀，颗粒物，外力等) 实现板级装配(物理性连接，SMT/THT，COB) 互连/功率和信号分配(电性连接，fan-out) 增强散热
封装的分类
常见封装形式
MCM (Multichip Module) 多芯片模块
是将多个裸芯片和其它元器件组装在同一块基板上，然后进行封装形成高密度和高可靠性 的微电子组件
高密度互连技术，与单芯片SMT相比传输速度提高4-6倍 体积小/重量轻，与单芯片SMT相比重量可减少80-90% 减少了组装层次，从而有效地提高了可靠性
部分派生封装形式：
LQFP (low profile quad flat package) MQFP(metric quad flat package) TQFP(thin quad flat package) SQFP(shrink quad flat package) VQFP(very-thin quad flat package) FQFP(fine pitch quad flat package) CQFP(quad fiat package with guard ring) QIC(quad in-line ceramic package) QIP(quad in-line plastic package) MQUAD(metal quad) BQFP(quad flat package with bumper)
SIP (System In a Package) 系统级封装
可将多种功能芯片和无源器件集成到封装中，以封装的形式达成 基本完整的系统功能。 芯片面积与封装面积之间的比值较大 引脚在插拔过程中很容易被损坏 引脚数通常在 8-64之间
封装发展历程和驱动力
第一阶段：THD时代 以TO/DIP为代表 第二阶段：SMD时代 以SOP/QFP为代表 第三阶段：引脚阵列 以BGA/CSP为代表 第四阶段：3D堆叠 以SIP为代表
常见封装形式
QFN (Quad Flat No-lead Package)，方形扁平无引脚封装
无引脚封装，呈正方形或矩形 引线框架(lead frame)作为基底 贴装占有面积比QFP 小，高度比QFP 低 封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解 封装底部中央有大面积裸露焊盘用来导热，卓越热性能 引脚数比QFP少，一般从14 到100 左右 引脚容易弯曲变形 自感系数/布线电阻低，电性能卓越 适用于便携小型电子设备的高密度印刷电路板上 焊接操作不便于检查
主要封装技术
DB (Die Bonding) 粘晶/装片
Epoxy/Solder/Eutectic/DAF/FOW Flip chip Stack die
Encapsulation 包封
Plastic Molding (Leadframe/Substrate/Wafer) DAM/Fill encapsulation Underfill MUF (Mold underfill)
主要封装技术
Advanced packaging technology 先进封装技术
Wafer Level Packaging (Wafer bonding/DRIE/Fan-out/3D Litho) TSV (Through Silicon Via)/TGV(Through Glass Via) Interposer Technology POP (Package on Package)
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) SOT(小外形晶体管) SOIC(小外形集成电路)
常见封装形式
QFP（Quad Flat Package） 四方扁平封装
一般为大规模或超大规模集成电路采用 引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形) 引脚间距非常小(0.3-1.0mm)，模块厚度薄 器件形状有正方形和长方形 器件尺寸为10mm*10mm到40mm*40mm间 引脚数为84-304之间 引脚容易弯曲变形
常见封装形式
SIP (Single inline-pin package) 双列直插式封装
封装单侧面出脚 适合在PCB上穿孔焊接，手工操作方便 PCB面积占用小，但高度受限于封闭式空间 引脚在插拔过程中很容易被损坏 引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从2-23
DIP (dual inline-pin package) 双列直插式封装
MEMSIC器件封装的特点
专用性：MEMS中通常有可动部分或悬空结构、硅杯空腔、梁、沟、槽、膜片，甚至是流 体部件与有机部件。对各种不同结构及用途的器件，封装设计要因地制宜，与制造技术同 步协调，专用性很强。
复杂性：多数MEMS封装外壳上需要留有同外界直接相连的非电信号通路，传递光、磁、 热、力、化等，对芯片钝化、封装保护提出了特殊要求。某些MEMS的封装不仅技术新颖， 难度大，而且对封装环境的洁净度要求达到100级。
封装双侧面出脚 适合在PCB上穿孔焊接，手工操作方便 芯片面积与封装面积之间的比值较大 引脚在插拔过程中很容易被损坏 引脚数通常在 8-64之间
常见封装形式
LCC (leadless chip carrier/leaded chip carrier) 无/带引脚芯片载体 PLCC(plastic leadless chip carrier/plastic leaded chip carrier) 无/带塑料引脚芯片载体 CLCC(ceramic leadless chip carrier/ceramic leaded chip carrier) 无/带陶瓷引脚芯片载体
常见封装形式
BGA(ball grid array)，球栅陈列封装
封装面积充分利用，最大的引脚数封装形式，可集成更多功能 引脚间距并没有减小反而增加了，提高了组装成品率 焊接自对中效应，PCBA难度减低 基板(substrate)作为基底 焊点可缓解应力，以及dummy 焊点设计，可靠性更高 快速有效的散热途径，更好的散热性能 寄生参数小，信号传输延迟小，使用频率大大提高，电性能卓越 整体成本低