集成电路封装

集成电路生产的最后环节

集成电路 封装(Packaging,PKG) 是指利用膜技术及微加工技术,将芯片及其他要素在框架或 基板 上布局、粘贴、固定及连接,引出 接线端子 并通过可塑性 绝缘介质 灌注、固定构成整体结构的工艺,是集成电路生产的最后环节。 集成电路封装主要是对 半导体器件 芯片起到保护、支撑、链接的作用。

集成电路封装大致可分为4个发展阶段。20世纪80年代之前为通孔安装时代,工人手动插入PCB板的通孔中,因性能优良、成本低廉曾为主流,但逐渐被新封装形式取代。 20世纪80年代为表面安装器件时代, 管脚 数和组装密度大幅提高,封装技术迎来革命。20世纪90年代初为焊球阵列封装(BGA)/芯片尺寸封装(CSP)时代, 集成电路 发展到超大规模,封装向更高密度和速度发展,BGA封装成为主流。90年代末的3D整层封装时代, 系统级封装(SIP)出现,推动了性能密度、 集成度 、低成本和灵活性的显著提升。

集成电路封装材料有金属、陶瓷、玻璃和塑料之分 ,而连接方式则分为通孔插装和表面贴装。其工艺流程包括 晶片 减薄和划片芯片贴装、引线键合、 塑封 成型、打标、切筋打弯等六个步骤。 集成电路使用DIP技术、PLCC技术、PGA技术等关键技术进行封装后, 通过测试准备、接口、程序和数据分析等步骤进行封装测试。 封装标准方面, 中国 遵循《大规模集成电路(LSI)封装印制电路板共通设计结构》,而国际标准普遍采用《JEDEC标准》。 集成电路封装的发展趋势指向小型化、高密度化、多 引脚 适应性以及高温环境适应性。

发展历程

集成电路 封装技术是伴随着集成电路的进步而发展起来的。一代集成电路需要相应的一代封装,它的发展史就是集成电路性能不断提高、系统不断小型化的历史。

第一阶段:通孔安装时代

1947年, 美国电话电报公司 (AT&T)贝尔实验室发明了世界上第一只半导体晶体管,开创了集成电路封装的历史。 半导体 晶体管 以三根引线的TO型外壳封装为主,工艺主要是金属玻璃封装工艺。 1958年,美国 德州仪器 研制成功世界上第一块 集成电路 (IC)。 20世纪60年代,人们开发出了双列直插式封装(DoubleIn-line Package,DIP),这种封装结构很好地解决了陶瓷与金属引线的连接,热性能、电性能俱佳。DIP一出现就赢得了IC厂家的青睐,很快得到了推广应用,其 I/O 引线有4~64只 引脚 ,而其系列产品很快应运而生。

20世纪70年代,DIP成为中小规模集成电路封装系列的主导产品。封装材料前期主要是陶瓷封装,为了 降低成本 ,后期推出了 塑封 技术,其不足之处是信号频率较低,组装密度难以提高,不能满足高效率自动化生产的要求。 但随着新的封装形式的不断涌现,这类封装加速萎缩。

第二阶段:表面安装器件时代

1968-1969年, 飞利浦 开发出了小外形封装(SOP)、薄小外形封装(TSOP)、甚小外形封装(VSOP)、缩小型SOP封装(SSOP)、薄体紧缩型SOP封装(TSSOP)及小外形 集成电路 (SOIC)等。这种IC的塑封壳有两类:方形扁平型和小型外壳型。方形扁平型用于多 引脚 电路,小型外壳型用于少引脚电路。 1977年,第一块 超大规模集成电路 (Very Large Scale Integration,VLSI)的出现,进一步促使了IC向多引脚、细间距的方向发展。随着QFP等四边引线封装器件的引脚间距从1.27mm迅速下降到了0.3mm,由数百条引脚引起的 共面 性、对中性问题也大大增加了贴装工艺的难度,于是,使得早在20世纪60年代初就已经出现的面阵列球形焊料端子封装(BGA)在80~90年代又重新进入了人们的视野。

第三阶段:焊球阵列封装时代

1991年,由Motorola公司等开发的 塑封 BGA使得面阵列 引脚 封装技术实用化。此后,新的面阵列封装IC相继出现(如20世纪90年代中期 美国 的微型 球栅阵列封装 μBGA、 日本 的芯片尺寸封装CSP(ChipScale Package),封装面积/芯片面积之比更是达到1.2以下),其I/O引脚直接分布在封装体的 底面 ,这在适应I/O数快速增长的同时,也极大地改善了组装的工艺性和组件的电气性能。与此同时,SMT的各项技术内容也更加成熟,组装不良率下降到了百万分之十以下。20世纪90年代,SMT发展成为现代 电子 装联的主流技术,成为了电子装联技术史上的又一个高峰。

1994年9月,日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积为1:1.1的封装结构,其封装外形尺寸只比 裸芯片 大一点点。即单个IC芯片有多大,封装尺寸就有多大,从而诞生了一种新的封装形式,命名为芯片尺寸封装,简称CSP( Chip Size Package或Chip ScalePackage)。

第四阶段:3D叠层封装时代

20世纪90年代末, 是3D叠层封装时代,其代表性的产品是系统级封装(System In a Package,SIP),它在封装观念上发生了革命性的变化,从原来的封装元件概念演变成封装系统,SIP实际上就是一系统级的多 芯片封装 (systemMCP),它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内,形成具有系统功能的模块,因而可以实现较高的性能密度、更高的 集成度 、更小的成本和更大的灵活性。 2022年8月, 美国国防部 高级研究计划局(DARPA)宣布设立“下一代微电子制造”(NGMM)研究项目。DARPA表示,微电子制造的下一个主要浪潮将需要不同材料和组件的异构集成,不同来源、不同功能乃至不同材料的器件堆叠封装,将有可能实现功能与性能的革命性改进。

封装目的

集成电路 是由各种 半导体器件 芯片组 合而成的,但孤立或裸露的芯片还不能使用,需要通过适当的焊接(通常是使用金丝球 焊机 )工艺将芯片的功能端引出到相应的 引脚 。还要通过合理的封装工艺完成 微波 元件的成型。集成电路封装主要基于4个目的,即防护、支撑、连接及可靠性。

保护: 集成电路的 半导体芯片 的生产车间有非常严格的生产环境条件控制,恒定的温度((230士3)℃)、恒定的湿度((50士10)%)、严格的尘埃 颗粒度 控制(一般介于1~10K)及严格的 静电 保护措施,裸装条件下的芯片只有这种严格的环境控制下才不会失效。然而日常使用环境不可能具备这种条件,因此 集成电路 的芯片需要进行封装保护。

支撑: 集成电路封装主要起到支撑芯片,将芯片固定好便于电路的连接,以及使器件不易损坏的作用。

链接: 集成电路封装的连接作用是将芯片的功能端 电极 通过 引脚 与外界电路 连通 。金丝将电极与引脚连接起来,载片台用于承载芯片, ep 粘合剂用于将芯片粘贴在载片台上,引脚用于支撑整个器件,而 塑封 体则起到固定及保护作用。

提高可靠性: 原始裸露的芯片离开特定的生存环境后很容易损毁,集成电路封装的材料和工艺起到一定的保护作用,从而决定集成电路的可靠性,延长芯片的工作寿命。

工艺流程

集成电路封装工艺流程包括 晶片 减薄、划片、芯片贴装、引线键合、塑封成型、打标、切筋打弯和检查多道工序。

晶片减薄和划片

晶片减薄是从晶片背面进行研磨,将其减薄到适合封装的程度。晶片减薄后,可以进行划片。划片后需要用 显微镜 进行检查,看是否有划伤等缺陷,合格的芯片进入下道工序。

芯片贴装

芯片贴装是将切割下来的芯片贴装到框架的中间 焊盘 上。常用的芯片贴装工艺方法主要有共晶焊接、 导电胶 黏接、聚合物黏结等。在塑料封装中最常用的方法是使用聚合物黏结剂将芯片粘贴到金属框架上。工艺过程是用针筒或 注射器 将黏结剂涂布到芯片焊盘上,然后用自动拾片机( 机械手 )将芯片精确地放置到芯片焊盘的黏结剂上面,最后 烘焙 固化 。

引线键合

引线键合是实现芯片与引出端互连技术中最主要的一种。该工艺是用硅铝丝、金线或 铜丝 将芯片上的键合区和引线框架相连接,实现芯片与外 引脚 间的互连。该工艺以及芯片的其他互连技术,包括载带自动焊和倒装焊等。

塑封成型

塑封成型技术包括转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术等,最主要的成型技术是转移成型技术。转移成型使用的材料一般为热固性聚合物。这种材料在低温时是塑性的或流动的,但当将其加热到一定温度时,会发生交联反应,形成刚性固体。在塑料封装中使用的典型成型技术的工艺过程是将已贴装好芯片并完成引线键合的框架带置于模具中,塑封料被挤压注入模腔后快速 固化 ,经过一段时间的保压,使得模块达到一定的硬度,然后用顶杆顶出模块。

打标

打标是在封装模块的顶表面印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识,包括制造商的信息、国家、器件代码等,主要是为了识别并可跟踪器件的信息,常用的打标技术是 激光打标 。

切筋打弯

切筋打弯实际上是两道工序,但通常同时完成。切筋工艺是指切除框架外 引脚 之间的堤坝以及在框架带上连在一起的地方;打弯工艺则是将引脚弯成一定的形状,以适合装配的需要。这些工艺完成后,要进行封装后的检查,合格才能出货。

封装分类

按封装材料分类

金属封装

金属封装是采用金属壳体或底座,IC芯片直接或通过 基板 安装在外壳或底座上,引线穿过金属壳体或底座,大多采用金属封装技术的一种封装形式。 金属材料 具有最优良的水分子渗透阻绝能力,并且具有良好的散热能力和电磁屏蔽,故金属封装具有良好的可靠性,常被作为高可靠性要求和定制的专用气密封装,在分立式芯片元器件封装、专用集成电路封装、 光电器件 封装等领域,金属封装仍然占有相当大的市场,在高 可靠度 需求的军用 电子 封装方面应用尤其广泛。

陶瓷封装

陶瓷封装与金属封装相比,其价格较低。陶瓷被用作集成电路封装材料主要是因其在热、电、机械特性等方面极为稳定,并且 陶瓷材料 的特性可以通过改变其化学成分和工艺的控制调整实现。陶瓷不仅可以作为封盖材料,还可以作为各种微电子产品重要的 基板 。陶瓷封装中最常见的材料是 氧化铝 ,其他比较重要的陶瓷封装材料有 氮化铝 、 碳化铝 、 玻璃 与玻璃陶瓷以及 蓝宝石 等。

玻璃封装

玻璃封装是指利用玻璃作为 电子 元器件密封材料的一种封装方式。玻璃封装除了具有良好的 化学 稳定性、抗氧化性、电绝缘性与致密性之外,还可利用其成分的调整而获得各种不同的热性质以配合工艺需求。

塑料封装

塑料封装是以 有机高分子化合物 树脂 密封塑料封装时,水分子通常在数小时内即能侵入,塑料封装一般被认为是非气密性封装。这种使用 有机化合物 材料的封装称为包封,通常用低温聚合物来实现,包封是非密封性的。最常见的包封材料可分为 环氧 类、 酸 类、 聚硅酮 类和 乌拉坦 类四种类型。集成电路封装使用 ep 类较多,该类材料具有耐湿、耐燃、易保存、流动填充性好、电绝缘性高、 应力 低、强度大和可靠性好等特点。

按连接方式分类

通孔插装式

通孔插装式是将元器件的引线插入 印制板 上的元器件安装孔,再进行焊接实现电器连接的一种方式,适合于分立元器件如 电阻 、 电容 、 晶体管 和双列直插式的IC器件等安装,组装密度较低,随着元器件的发展采用该种安装工艺的逐渐减少。 电子产品自动化生产的主要工艺包括插装元器件、涂敷 钎剂 、预热、 波峰焊 、冷却、剪腿和整理、清洗、检验、卸载等。

表面贴装式

表面贴装式是将焊接端子(或 引脚 )位于同一平面的元器件(即表面贴装元器件)平贴于印制板的 焊盘 表面上,经焊接后与导电图形进行电气互连的一种互连安装方式。其特点是 印制板 上不需元器件安装孔,只有孔径较小的导通孔(过孔),节省了空间,极大地提高了印制板的组装密度,便于自动化安装,提高了生产效率,并且采用再流焊接的技术也大大提高了焊接的可靠性。随着元器件的进一步小型化和功能的扩展,此种安装技术为电子产品的小型化、薄型化、重量轻、功能多的发展方向。

按芯片数量分类

单芯片封装

单芯片封装(SingleChip Package, SCP )是对单个芯片进行封装,可以实现某个单独特定的功能。经过多年的发展与技术积累,截至2022年,市面上销售的单芯片封装器件多数已通过功能测试以及老化测试,出货时已淘汰早期不良产品,可靠性较高。

多芯片封装

多芯片封装(Multi Chip Module ,MCM)是将多个 裸芯片 装载在陶瓷等多层 基板 上,再进行气密性封装,可以实现多个功能。随着半导体技术朝着高速、高密度化发展,MCM的重要性日益提升。然而,由于MCM包含多个模块,器件间线路较长,容易产生干扰 电容 、 电阻 大等信号传输问题,以及功率密度过高等问题,使得系统性能大幅下降,并会产生不同形态的电路延时。因此,提升MCM的性能对于改善先进 电子 封装 产品性能 具有至关重要的作用。

按气密性分类

气密性封装

气密性封装主要指使用具有空腔结构的金属、陶瓷、玻璃外壳的封装。由于金属、陶瓷、玻璃外壳具有较高的抵抗外部环境气氛的渗透能力和 热学 性能,可以实现对空腔中的芯片、组件更好的保护。这类气密性封装多用在对可靠性要求苛刻的航天、航空、军事、船舶等领域。

非气密性封装

非气密性封装是以 有机高分子化合物 没药树 密封塑料封装时,水分子通常在数小时内即能侵入,塑料封装一般被认为是非气密性封装。这种使用 有机化合物 材料的封装称为包封,通常用低温聚合物来实现,包封是非密封性的。

封装技术

封装技术主要指的是封装过程中所采用的技术手段。

引线键合技术

引线键合(Wire Bonding)是一种广泛使用的半导体封装技术,主要用于连接集成电路(IC)的芯片与其封装的引脚。这种技术涉及使用细小的 金属丝 (通常是金或铝),通过热压、超声波或热声波技术将其键合到芯片的焊盘和封装的引线框架上。引线键合技术因其成本效益高、可靠性好以及适应多样化封装需求的能力而被广泛采用,特别适用于大量生产中的高速自动化过程。

FC封装技术

FC(Flipchip)封装技术是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到 基板 、载体或者 电路板 上, 导线 键合是将芯片的面朝上。由于芯片是倒扣在封装衬底上的,与常规封装芯片放置方向相反。 倒装芯片 元器件主要用于半导体设备,如 无源滤波器 、探测天线、存储器装备等。倒装芯片封装技术与其他封装技术相比,在尺寸、外观、柔性、可靠性以及成本等方面有很大的优势。

晶圆级封装技术

晶圆级封装(Wafer Level Package,WLP)是一种先进的封装技术,其中封装的整个过程在晶圆形态完成,而不是单独封装每个芯片。这种技术使得封装尺寸几乎与芯片本身一样大,极大地减小了封装的体积,提高了封装密度,同时降低了成本。晶圆级封装广泛应用于需要高 集成度 和小型化的应用,如智能手机中的摄像头模块、 传感器 和其他微型电子设备。这种封装方式不仅提高了生产效率,还优化了电子设备的性能和可靠性。

封装形式

封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。

单列直插式封装(SIP)

单列直插式封装(SIP,single in- 谱线 )引脚从封装一个侧面引出,引脚朝下,以缺口、凹槽或色点作为引脚参考标记,引脚编号顺序一般从左到右,排列成一条直线。当装配到印刷 基板 上时封装呈侧立状。 引脚 中心距通常为2.54mm,引脚数为2~23,多数为定制产品。

双列直插式封装(DIP)

双列直插式封装(DIP,Dual In-line Package)是一种普及的插装型封装技术,主要用于中小规模 集成电路 (IC),如标准逻辑IC、存储器LSI和微机电路等。 其封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP封装的集成电路芯片具有两排引脚,引脚数量一般不超过100个。这些引脚从封装两侧引出,以缺口或色点等标记为参考,引脚朝上时按顺时针方向排列,反之则按逆时针方向排列。DIP封装芯片可以插入到具有DIP结构的芯片插座上,也可以直接插在具有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。插拔DIP封装芯片时应特别小心,以免损坏引脚。

小外形封装(SOP)

小外形封装(SOP,Small Outline Package)是一种表面贴装型封装技术,主要采用塑料或陶瓷作为封装材料,引脚从封装体的两侧引出,形状类似海鸥翼(L字形)。这种技术的引脚数量通常不超过28个,应用极为广泛,特别是在存储器LSI、规模较小的ASSP等电路中 。SOP封装的标准有多种,如SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等,其中数字代表引脚数 。此外,SOP技术逐渐衍生出多种相关封装形式,如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 )和SOIC(小外形 集成电路 ),在集成电路领域中占据重要地位。

塑封引线芯片封装(PLCC)

塑封引线芯片封装(PLCC,Plastic Leaded Chip Carrier),为表面贴装型封装之一,是一种外形呈正方形的封装,具有32个引脚,从四个侧面呈丁字形引出,是塑料制品。这种封装的外形尺寸比DIP封装小得多,非常适合使用表面安装技术(SMT)在印制电路板(PCB)上进行安装布线。PLCC封装具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

塑料方形扁平式封装(QFP)

塑料方形扁平式封装(QFP,Plastic Quad Flat Package)为塑料方形扁平式封装,采用此封装的 集成电路 芯片 引脚 之间距离很小,引脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式,其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的集成电路芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在 电路板 上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应引脚的焊点。将芯片各引脚对准相应的焊点,即可实现与电路板的焊接。用这种方法焊上去的集成电路芯片,如果不用专用工具很难拆卸下来。

塑封四角扁平封装(PQFP)

塑封四角扁平封装(PQFP)芯片 引脚 之间距离很小,引脚很细,一般大规模或 超大规模集成电路 采用这种封装形式,其引脚数一般都在100以上。

薄塑封四角扁平封装(TQFP)

薄塑封四角扁平封装(TQFP)能有效利用空间,从而降低对印制电路板空间大小的要求。由于缩小了高度和体积,这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用,如PCMCIA卡和网络器件。几乎所有 阿尔特拉 的CPLD/FPGA都有TQFP。

方形扁平无引脚封装(QFN)

方形扁平无引脚封装(QFN,Quad Flat No-leads Package)是一种表面贴装型封装,由 日本电子株式会社 机械工业会规定的名称。该封装在四侧配置电极触点,无引脚设计使得其占用面积和高度均低于QFP。不过,由于无引脚设计,当印刷基板与封装间产生 应力 时,电极接触处的缓解能力较弱,通常电极触点数量从14至100。QFN封装材料包括陶瓷和塑料,带LCC标记的通常为陶瓷QFN。塑料QFN通常使用玻璃 ep 为基材,是一种低成本封装,电极触点中心距有1.27mm、0.65mm和0.5mm等规格,也称为塑料LCC、PCLC、P-LCC等。

插针网格阵列封装(PGA)

插针网格阵列封装(PGA, 引脚 栅极 Array Package),此封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少,可以围成2~5圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。和其他封装形式相比,PGA封装具有插拔操作更方便,可靠性高、可适应更高的频率的特点。

栅阵列封装(BGA)

栅阵列封装(BGA,Ball Grid Array)封装为球状引脚栅格阵列封装,此封装形式为高密度表面装配封装。在封装的底部, 引脚 都成球状并排列成一个类似于格子的图案,由此命名为BGA。截至2022年,主板控制 芯片组 多采用此类封装技术,材料多为陶瓷。与其他封装技术相比,BGA封装技术具有成品率高、改善 电热 、适应频率高、可靠性好的特点。

栅阵列封装(BGA)的芯片的I/O端是呈面阵排列的球形凸点,凸点可以是Sn-Pb焊料,也可以使用有机导电树脂。BGA封装是高引脚数、高效能IC的主要封装类型,常用于 芯片组 、图形处理芯片、ASIC、微处理器等。

平面网格数组封装(LGA)

平面网格数组封装(LGA,Land 栅极 Array)封装,采用LGA封装形式的 集成电路 芯片,下层只有金属圆点作接触之用。它依靠一个包含安装扣具的插座,用下层的金属原点和插座上的弹性 针脚 接触,从而与主板连成一体。

板上芯片封装(COB)

板上芯片封装(COB,Chips on Board)可以将多颗芯片直接封装在 基板 上,从而实现阵列式封装,极易组装大功率器件,且经由基板直接散热,具有减少 热阻 的优势。

塑料扁平组件式封装(PFP)

塑料扁平组件式封装(PFP,Plastic Flat Package)的引脚是从芯片的四周引出的,这样芯片引脚之间的距离很小,管脚很细,芯片面积不变的情况下可以容纳更多数量的引脚。PFP封装外形既可以是正方形,也可以是长方形。

Z型引脚直插式封装(ZIP)

Z型引脚直插式封装(ZIP,Zigzag In-line Package)的引脚也在芯片单侧排列,只是引脚比SIP粗短些,节距等特征也与DIP基本相同。

芯片尺寸封装(CSP)

芯片尺寸封装(CSP,Chip Size Package或Chip Scale Package)。JEDEC(美国EIA协会联合电子器件工程委员会)的JSTK一012标准规定,LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积的120%的产品称之为CSP。CSP技术的出现确保VLSI在高性能、高可靠性的前提下实现芯片的最小尺寸封装(接近 裸芯片 的尺寸),而相对成本却更低,符合电子产品小型化的发展潮流,是具有市场竞争力的高密度封装形式。

无引脚芯片载体(LCC)

无引脚芯片载体(LCC,Leadless Chip Carrier)是一种紧凑型电子封装类型,设计用于表面贴装技术。这种封装没有传统的外露引脚,而是在其底部具有金属焊盘或触点,用于电气连接。LCC的设计使得它具有较低的体积和高度,适合于空间受限的应用场合。由于其高密度的布局和优化的热管理性能,LCC封装广泛应用于高性能计算和通信设备中。

封装测试

集成电路 封装测试是对集成电路或模块进行检测,通过测量对于集成电路的输出响应和预期输出比较,以确定或评估集成电路元器件功能和性能的过程,是验证设计、监控生产、保证质量、分析失效以及指导应用的重要手段。集成电路测试过程主要包括4个步骤:测试设备、测试接口、测试程序、数据分析。

测试准备

测试仪的基本功能是向被测器件施加输入,并观察其输出。测试仪通常也被称为自动测试设备。配置测试仪必须考虑到被测器件的技术指标和规范,包括:器件最高时钟频率、定时精度要求、输入/输出 引脚 的数目、输入/输出 模拟信号 和 数模混合信号 特性等。其他测试设备要考虑的因素还有费用、可靠性、服务能力、软件编程难易程度等。

测试接口

测试接口主要是根据DUT的封装形式、最高时钟频率、 ATE 的资源配置和接口 板卡 形式等方面的因素合理地选择测试插座(Socket)和设计制作测试负载板(Loadboard)。测试负载板的作用是为DUT和ATE通道资源之间提供可靠、高效的硬件连接。对于大规模、高频数字器件,测试负载板的设计制作尤为重要,需要经验丰富的PCB工程师完成,以防 信号完整性 问题如反射、振铃、 串扰 等影响测试结果。此外,PCB的材料、层数、过孔选择,元器件布局,以及 电源线 和 地线 设计均会影响电磁 兼容性 。因此,高速PCB设计是一项高度专业化的工作。

测试程序

测试程序软件包含着控制测试设备的指令序列,如上电、向输入 引脚 施加时钟和 向量 、检测输出引脚、将输出信号与预先存储好的预期响应进行比较等。现代化的测试仪还可以提供输入信号的 波形 选择、屏蔽输出信号、感知高阻状态以及多种复杂的功能。

数据分析

ATE (自动测试设备)收集的数据至关重要,它不仅帮助判断被测器件是否达到质量标准,还为制造过程提供关键反馈,并揭示设计中的潜在弱点。如果器件没有通过测试,当然可以立即指出该器件有问题。但是,即使器件通过了测试,也不能说该器件就是合格的,除非测试过程的故障覆盖率达到了100%。对测试数据的分析可以提供有关器件质量的信息。由于制造过程中会有一些随机的偏差,所以器件的特性也会有高低之分。测试数据分析还可以将那些性能高于平均水平的芯片挑选出来。

相关标准

中国标准

《大规模集成电路(LSI)封装印制电路板共通设计结构》(标准号:GB/T43863-2024)标准为大规模 集成电路 、封装 基板 及封装的设计提供了统一的格式和规则要求,为相关方设计数据的交换和处理、信息和结果的共享提供了统一遵循的原则。该标准的发布将为中国集成电路的自主设计制造和测试水平的提升发挥重要支撑作用。

国际标准

JEDEC标准是由1958年成立的固态技术协会(Joint Electron Device Engineering Council,JEDEC)发布的国际上微电子产业的领导标准。大半个世纪以来,JEDEC所制定的固态器件(半导体)开发测试方法和产品标准为全球电子行业所采纳和通行。

发展趋势

小型化

集成电路封装继续朝着超小型化的方向发展,出现了与芯片尺寸大小相同的超小型化封装形式 晶圆 级封装技术(WLP)。 集成电路 封装的小型化趋向,低成本、高质量、短交货期、外形尺寸符合国际标准都是小型化所必需的条件。

高密度化

从高密度封装的定义分析,有些是通过输入/输出间距或互连线间距来定义,有些则是按外壳定义,它必须与芯片共同设计成所要求的形式。无论如何定义,高密度封装是对高性能 集成电路 和系统的一种要求。由于元器件的 集成度 越来越高,要求封装的 引脚 数越来越多,引脚间的间距越来越小,从而使封装的难度也越来越大。

适应多引脚

外引线越来越多是IC封装的一大特点,当然也是难点,因为引线间距不可能无限小到0.5mm以下,再次流焊时焊料难以稳定供给,故障率很高。多引脚封装是今后的主流,而TCP(载带封装)和BGA(球栅阵列)将能满足这一要求。

适应高发热

由于集成电路的功耗越来越大,封装的 热阻 也会因为尺寸的缩小而增大,电子机器的使用环境复杂,从空调环境、车内环境、地下环境到 发动机 机箱 及强烈爆炸环境等,因而必须解决封装的散热问题。在高温条件下,必须保证长期工作的稳定性和可靠性。例如,以KGD、CSP为代表的小型化、薄型化封装,提高性能的各种封装方式都是为了提高封装的散热性。

适应高温环境

高温环境下,IC芯片上的键合焊垫与金丝的连接处,即Au/Al连接部位,由于密封材料 溶剂型低溴环氧树脂 的分解游离产生腐蚀性强的 卤化物 使之粘贴,生成易 升华 的 溴化铵 ,形成空隙,使Au/A1连接处的接触 电阻 增大,出现接触不良甚至断线。

适应高可靠性

性能稳定、工作可靠、寿命长是对一切电子产品的要求,对IC尤其如此。金属和陶瓷封装IC的可靠性已经很高,完全适应各种军事要求,但是成本太高,已经成为能否广泛应用的制约因素。为了适应新的封装要求,金属和陶瓷封装还有许多技术难题亟待解决。

考虑环保要求

进入21世纪以来,环保给电子产品以及半导体、电子部件带来一个新的研究课题,突出的问题是废弃的电子产品中铅的溶解引起 酸雨 ,对 地下水 的污染,侵入人体内危害人体的健康;使用的树脂等含 卤化物 的溶解或者燃烧对环境产生的危害等。因此对IC封装技术发展而言,无铅焊料的高 熔点 化,会要求半导体部件、封装的耐热性条件更加严格。

参考资料

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  2. 中国电科15所主导制定的集成电路领域国家标准正式发布 中电太极集团官方公众号 2024-05-22
  3. 科学有力量 | 大话集成电路(86):国际封装标准JEDEC是什么? 山西省科技馆官方公众号 2024-05-22
  4. 技经观察丨芯片3D封装——延续摩尔定律的重要技术方向之一 搜狐 2024-05-12
  5. 引线键合(Wire Bonding)——将芯片装配到PCB上的方法 SKhynix Newsroom 2024-06-02
  6. [半导体后端工艺:第七篇] 晶圆级封装工艺 SKhynix Newsroom 2024-06-02
  7. 什么是SOP封装?有哪些种类和特点? 电子发烧友 2024-06-02
  8. QFN封装 电子工程世界 2024-06-02
  9. 先进的芯片尺寸封装(CSP)技术 半导体封装工程师之家 2024-06-02
  10. Leadless Chip Carrier evergreen semiconductor 2024-06-02