6封装可靠性教程
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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)：
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
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。
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。
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
•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
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
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。
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）
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。
• 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遇到的困难
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
• 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)：
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
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。
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。
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
•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
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
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。
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）
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。
• 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遇到的困难
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