芯片封装技术介绍

摘 要：微电子技术的飞速发展也同时推动了新型芯片封装技术的研究和开发。本文主要介绍了几种芯片封装技术的特点，并对未来的发展趋势及方向进行了初步分析。

关键词：芯片；封装；球栅阵列封装

中图分类号： TN405.94 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)08-0049-04

1 引言

芯片封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁，随着微电子技术的飞速发展及其向各行业的迅速渗透，芯片封装也在近二、三十年内获得了巨大的发展，并已经取得了长足的进步。本文简要介绍了近20年来计算机行业芯片封装形成的演变及发展趋势，从中可以看出IC芯片与封装技术相互促进，协调发展密不可分的关系。

2 主要封装技术

2.1 DIP双列直插式封装

DIP(dualIn－line package)是指采用双列直插式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。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。DIP封装的芯片在从插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚^[1]。

DIP封装具有以下特点：

(1)适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便；

(2)芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式（如图1），缓存(cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。

2.2 QFP塑料方形扁平封装

QFP（plastic quad flat package）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装元件技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装不必在主板上穿孔，一般在主 板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的器件，要用专用工具拆卸。

QFP封装具有以下特点：

（1）适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线；
（2）适合高频使用；
（3）操作方便，可靠性高；
（4）芯片面积与封装面积之间的比值较小。

目前QFP的引脚间距已从1.27mm发展到了0.3mm。由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另外由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。

Intel系列CPU中80286，80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。

2.3 PGA针栅阵列封装

PGA(pin grid array package)芯片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，将器件插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

ZIF(zero insertion force socket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就 可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸CPU只需将插座的扳手轻轻抬起，CPU即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点：

(1)插拔操作更方便，可靠性高；
(2)可适应更高的频率。

Intel系列CPU中，Pentium，Pentium Pro均采用这种封装形式。

2.4 BGA球栅阵列封装

BGA封装技术又可分为5大类：

（1）PBGA（plasric BGA）基板：一般为2～4层有机材料构成的多层板（Intel系列CPU中， Pentium II，III，IV处理器均采用这种封装形式）；

（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（Flip Chip，简称FC）的安装方式（Intel系列CPU中，Pentium II，III，IV处理器均采用这种封装形式）；

（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式（Intel系列CPU 中，Pentium I，II，Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式）；

（3）FCBGA（filp chipBGA）基板：硬质多层基板；

（4）TBGA（tapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板；

（5）CDPBGA（carity down PBGA）基板：指封装中央有方形低陷的芯片区（又称空腔区）。

BGA封装具有以下特点：

（1）I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率；

（2）虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能；

（3）信号传输延迟小，适应频率大大提高；

（4）组装可用共面焊接，可靠性大大提高^[3]。

BGA封装方式经过10多年的发展已经进入实用化阶段。1987年，日本西铁城（Citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片（即 BGA）。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年，摩托罗拉率先将 BGA应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前，Intel公司在电脑CPU中（即奔腾II，III，IV等），以及芯片组（如i850）中开始使用BGA，这对BGA 应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，其全球市场规模在2001年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上的增长^[4]。

2.5 CSP芯片尺寸封装

随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求风 潮，封装技术也进步到CSP(chip size package)。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（die）大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类：

（1）Lead Frame Type(传统导线架形式)，代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等；

（2）Rigid Interposer Type(硬质内插板型)，代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等；

（3）Flexible Interposer Type(软质内插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA， CTS的sim-BGA也采用相同的原理，其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC；

（4）Wafer Level Package(晶圆尺寸封装)，有别于传统的单一芯片封装方式，WL CSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

CSP封装具有以下特点：

（1）组装面积小，约为相同引脚数QFP1/4；

（2）高度小，可达1mm；

（3）易于贴装，贴装公差≤±0.3mm（球中心距为0.8mm和1mm时）；

（4）电性能好、阻抗低、干扰小、噪声低、屏蔽效果好；

（5）高导热性。

CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线 网络WLAN／igabitEthemet、ADSL／手机芯片、蓝牙（Bluetooth）等新兴产品中^[2]。

2.6 MCM多芯片模块

为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样 的电子模块系统，从而出现MCM(multi chip model，多芯片模块系统)，它是电路组件功能实现系统级的基础。随着MCM的兴起，使封装的概念发生了本质的变化，在80年代以前，所有的封装是面向器件的，而MCM可以说是面向部件的或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷电路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面安装技术、半导体集成电路技术于一体，是典型的垂直集成技术，对半导体器件来说,它是典型的柔型封装技术，是一种电路的集成。MCM的出现使电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障^[5]。

MCM具有以下特点：

（1）封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化；

（2）缩小整机/模块的封装尺寸和重量；

（3）系统可靠性大大提高。

对MCM发展影响最大的莫过于IC芯片。因为MCM高成品率要求各类IC芯片都是良好的芯片（KGD），MCM采用DCA（裸芯片直接安装技术）或CSP组成，而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选，所以给组装MCM带来了不确定因素。CSP的出现解决了KGD问题，CSP不但具有裸芯片的优点，还可像普通芯 片一样进行测试老化筛选，使MCM的成品率具有保证，大大促进了MCM的发展和推广应用。目前MCM已经成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中，今后将用于工作站、个人计算机、医用电子 设备和汽车电子设备等领域^[6]。

总之，由于CPU和其他超大规模集成电路在不断发展，集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又反过来促进了芯片技术向前发展。