6封装可靠性教程
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封装的可靠性问题
北京大学微电子学系
Department of microelectronics Peking University
内容提纲
封装可靠性问题
•
集成电路后工序简介
•
•
封装形式
封装的可靠性问题
简 介
封装工艺过程
划片 分离芯片 镜检及分选 装架 检验 引线键合 检验 封盖 外引线整形 打印标签 包装入库 组 装 工 艺 流 程
后工序－主要是将硅片分割成单个芯片，并封
装到管壳内。大体分为： 1. 划片 2. 键合 3. 封装 4. 成品检测 5. 老化筛选 键合和封装工艺最为关键，在很大程度上决定了 集成电路的可靠性和成本
封装工艺过程
引线键合
1. 芯片粘结 芯片和管座的机械结合，不仅芯片要牢靠固定，而且具有电学上 的欧姆接触，并改善散热条件 2. 引线键合 芯片上的压焊点与管壳基座边上的引线压焊区，采用金属细线连接 金丝球焊法、热压键合法、超声键合法等
3. 面朝下键合
芯片正面朝下，将芯片上的压焊点与管壳基座上的压焊区进行键合 省略金属引线，键合速度快，可靠性和成品率都高，对自动化有利 典型方式有：到装方式、樑式引线、珠网方式等
封装工艺过程
封装形式
封装的主要目的：阻止来自外界的冲击和潮气等，以保护内部的芯
片和键合部位；其次是为了易于安装在印刷电路板上。 封装类型 金属管壳封装 塑料封装 陶瓷平行缝焊双列直插封装 陶瓷模塑双列直插封装 陶瓷扁平封装 主要应用 晶体管、SSI 晶体管、SSI SSI～LSI SSI～LSI SSI～MSI
塑料双列直插封装
芯片载体
SSI～LSI
LSI～VLSI
先进的封装技术
目前的集成电路封装技术： 四列扁平封装(QFP)；球焊阵列封装(BGA) 芯片尺寸封装(CSP)；多芯片组装(MCM) 载带自动键合(TAB)；倒装焊(FC) 发展过程：
• 20世纪60、70年代中小规模IC曾大量采用I/O数十个引脚的TO封
装，后来发展成为这个时期的主导封装产品－DIP(双列直插封装 Dual In-line Package)
• 80年代出现了表面安装技术(SMT)，IC封装形式发展成为适合表
面贴装的短引线或无引线(SMC/SMD)结构，用以封装I/O数十个引 脚的中规模集成电路(MSIC)或较少I/O的LSI
发展过程(续)：
• 90年代开发出QFP、塑料四列扁平封装(PQFP)，不但解决了较
QFP、PQFP成为SMT的主导微电子封装形式。
多I/O LSI的封装问题，而且适于SMT在印刷电路板(PCB)或其他基 板上进行表面贴装
•90年代出现了BGA(球格阵列 Ball Grid Array)，以面阵排列、球形
凸点为I/O，克服QFP在VLSI中遇到的困难
•近几年又发展出BGA，封装达到不超过芯片尺寸20%的所谓芯
片尺寸封装(CSP)，这促使MCM得以迅速发展 WB－丝焊 DCA－直接晶片接合(Direct Chip Attachment)
SLIM－单级集成模块(Single level integrated module)
微电子封装发展的历程及趋势
年份 芯片互连 封装形式 组装方式 无源元件 1970 WB DIP PIH 分立 1980 WB QFP SMT 分立 1990 WB BGA BGA/SMT 分立 2000 FC CSP BGA/SMT 分立/组合 2005 低成本高 I/0的FC 裸芯片 DCA 集成
基板
封装层次 元件类型 Si效率（芯 片/基板）
有机
3 5~10 2%
有机
3 5~10 7%
有机
3 5~10 10%
DCA板
3~1 5~10 25%
SLIM
1 1 >75%
先进的封装技术
简介
从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先 进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来 越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减 小，可靠性提高，使用更加方便等等。
一、DIP封装 封装结构形式：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式 DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷 低熔玻璃封装式)。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。
二、芯片载体封装 封装形式有：陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、 小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装 PQFP(Plastic Quad Flat Package)，QFP比DIP的封装尺寸大大减小。 Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装 PQFP。 三、BGA封装 成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O 引脚封装的最佳选择。 Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功 耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、PentiumⅡ采用陶 瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装 微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。
最新的封装发展趋势
封装的可靠性问题
集成电路封装的可靠性要求：
保持器件管芯与外界环境隔绝，排除外界干扰，即集成电路工 作期间维持比较干燥的惰性的内部环境。
从封装的材料方面，封装可分为： 1. 气密封装：金属封装、陶瓷封装、低熔点玻璃封装 2. 塑料封装
一般塑料封装的可靠性比气密封装的差。通常在工作环境苛刻、整机 可靠性要求高或使用较长时，采用气密封装；工作环境良好条件下 采用塑料封装。在美国大量的器件采用塑料封装，气密封装大都用于 军用器件。
封装的可靠性问题
封装造成器件失效的原因：
由于气密性差，水及周围各种污染物渗透到管芯，令 芯片及电极系统发生各种物理化学反应，而造成器件 不稳定和失效。
如某些研究表明：管壳气密密封结构的缺陷，致使水汽在长时间微漏 中浸入，造成电路失效，是主要失效因素。引起引线开路和铝线腐蚀 断开。 另外，在封装壳内采用有机硅树脂等作为内涂料，成为“实封”； 而不用内涂料的称为“空封”(可充保护气体)。 实封存在问题：涂料与管芯引线的热膨胀系数不同，多次温度变化 后，会拉断引线，造成开路而导致器件失效。因此，高可靠性器件 封装均采用气密性空封。
北京大学微电子学系
Department of microelectronics Peking University
内容提纲
封装可靠性问题
•
集成电路后工序简介
•
•
封装形式
封装的可靠性问题
简 介
封装工艺过程
划片 分离芯片 镜检及分选 装架 检验 引线键合 检验 封盖 外引线整形 打印标签 包装入库 组 装 工 艺 流 程
后工序－主要是将硅片分割成单个芯片，并封
装到管壳内。大体分为： 1. 划片 2. 键合 3. 封装 4. 成品检测 5. 老化筛选 键合和封装工艺最为关键，在很大程度上决定了 集成电路的可靠性和成本
封装工艺过程
引线键合
1. 芯片粘结 芯片和管座的机械结合，不仅芯片要牢靠固定，而且具有电学上 的欧姆接触，并改善散热条件 2. 引线键合 芯片上的压焊点与管壳基座边上的引线压焊区，采用金属细线连接 金丝球焊法、热压键合法、超声键合法等
3. 面朝下键合
芯片正面朝下，将芯片上的压焊点与管壳基座上的压焊区进行键合 省略金属引线，键合速度快，可靠性和成品率都高，对自动化有利 典型方式有：到装方式、樑式引线、珠网方式等
封装工艺过程
封装形式
封装的主要目的：阻止来自外界的冲击和潮气等，以保护内部的芯
片和键合部位；其次是为了易于安装在印刷电路板上。 封装类型 金属管壳封装 塑料封装 陶瓷平行缝焊双列直插封装 陶瓷模塑双列直插封装 陶瓷扁平封装 主要应用 晶体管、SSI 晶体管、SSI SSI～LSI SSI～LSI SSI～MSI
塑料双列直插封装
芯片载体
SSI～LSI
LSI～VLSI
先进的封装技术
目前的集成电路封装技术： 四列扁平封装(QFP)；球焊阵列封装(BGA) 芯片尺寸封装(CSP)；多芯片组装(MCM) 载带自动键合(TAB)；倒装焊(FC) 发展过程：
• 20世纪60、70年代中小规模IC曾大量采用I/O数十个引脚的TO封
装，后来发展成为这个时期的主导封装产品－DIP(双列直插封装 Dual In-line Package)
• 80年代出现了表面安装技术(SMT)，IC封装形式发展成为适合表
面贴装的短引线或无引线(SMC/SMD)结构，用以封装I/O数十个引 脚的中规模集成电路(MSIC)或较少I/O的LSI
发展过程(续)：
• 90年代开发出QFP、塑料四列扁平封装(PQFP)，不但解决了较
QFP、PQFP成为SMT的主导微电子封装形式。
多I/O LSI的封装问题，而且适于SMT在印刷电路板(PCB)或其他基 板上进行表面贴装
•90年代出现了BGA(球格阵列 Ball Grid Array)，以面阵排列、球形
凸点为I/O，克服QFP在VLSI中遇到的困难
•近几年又发展出BGA，封装达到不超过芯片尺寸20%的所谓芯
片尺寸封装(CSP)，这促使MCM得以迅速发展 WB－丝焊 DCA－直接晶片接合(Direct Chip Attachment)
SLIM－单级集成模块(Single level integrated module)
微电子封装发展的历程及趋势
年份 芯片互连 封装形式 组装方式 无源元件 1970 WB DIP PIH 分立 1980 WB QFP SMT 分立 1990 WB BGA BGA/SMT 分立 2000 FC CSP BGA/SMT 分立/组合 2005 低成本高 I/0的FC 裸芯片 DCA 集成
基板
封装层次 元件类型 Si效率（芯 片/基板）
有机
3 5~10 2%
有机
3 5~10 7%
有机
3 5~10 10%
DCA板
3~1 5~10 25%
SLIM
1 1 >75%
先进的封装技术
简介
从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先 进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来 越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减 小，可靠性提高，使用更加方便等等。
一、DIP封装 封装结构形式：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式 DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷 低熔玻璃封装式)。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。
二、芯片载体封装 封装形式有：陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、 小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装 PQFP(Plastic Quad Flat Package)，QFP比DIP的封装尺寸大大减小。 Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装 PQFP。 三、BGA封装 成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O 引脚封装的最佳选择。 Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功 耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、PentiumⅡ采用陶 瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装 微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。
最新的封装发展趋势
封装的可靠性问题
集成电路封装的可靠性要求：
保持器件管芯与外界环境隔绝，排除外界干扰，即集成电路工 作期间维持比较干燥的惰性的内部环境。
从封装的材料方面，封装可分为： 1. 气密封装：金属封装、陶瓷封装、低熔点玻璃封装 2. 塑料封装
一般塑料封装的可靠性比气密封装的差。通常在工作环境苛刻、整机 可靠性要求高或使用较长时，采用气密封装；工作环境良好条件下 采用塑料封装。在美国大量的器件采用塑料封装，气密封装大都用于 军用器件。
封装的可靠性问题
封装造成器件失效的原因：
由于气密性差，水及周围各种污染物渗透到管芯，令 芯片及电极系统发生各种物理化学反应，而造成器件 不稳定和失效。
如某些研究表明：管壳气密密封结构的缺陷，致使水汽在长时间微漏 中浸入，造成电路失效，是主要失效因素。引起引线开路和铝线腐蚀 断开。 另外，在封装壳内采用有机硅树脂等作为内涂料，成为“实封”； 而不用内涂料的称为“空封”(可充保护气体)。 实封存在问题：涂料与管芯引线的热膨胀系数不同，多次温度变化 后，会拉断引线，造成开路而导致器件失效。因此，高可靠性器件 封装均采用气密性空封。