集成电路封装最全解析

　　集成电路封装（Packaging，PKG）作为集成电路生产的环节，是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进行布局、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关键工艺。它主要对半导体器件芯片起到保护、支撑、连接的重要作用，其发展历程、目的、工艺流程、分类、技术、形式、测试、标准以及未来趋势等方面都值得深入探究。
　　发展历程
　　集成电路封装技术伴随着集成电路的进步而不断演进，大致经历了四个重要的发展阶段。
　　通孔安装时代（20 世纪 80 年代之前）：1947 年，美国电报电话公司（AT&T）贝尔实验室发明了世界上只半导体晶体管，采用三根引线的 TO 型外壳封装，工艺以金属玻璃封装为主。1958 年，美国德州仪器公司研制出世界上块集成电路（IC）。到 20 世纪 60 年代，双列直插式封装（DIP）被开发出来，它很好地解决了陶瓷与金属引线的连接问题，热性能和电性能俱佳，迅速得到推广应用。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，前期主要采用陶瓷封装，后期为降低成本推出了塑封技术，但存在信号频率低、组装密度难以提高等不足，随着新封装形式的出现，其市场份额逐渐萎缩。
　　表面安装器件时代（20 世纪 80 年代）：1968 - 1969 年，飞利浦公司开发出小外形封装（SOP）等多种封装形式。IC 的塑封壳分为方形扁平型和小型外壳型，分别适用于多引脚和少引脚电路。1977 年，块超大规模集成电路（VLSI）的出现，促使 IC 向多引脚、细间距方向发展。随着 QFP 等四边引线封装器件引脚间距的减小，贴装工艺难度增大，面阵列球形焊料端子封装（BGA）重新受到关注。
　　焊球阵列封装时代（20 世纪 90 年代初）：1991 年，Motorola 公司等开发的塑封 BGA 使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，如美国的微型球栅阵列封装 μBGA、日本的芯片尺寸封装 CSP 等，其 I/O 引脚分布在封装体底面，适应了 I/O 数快速增长的需求，改善了组装工艺性和组件电气性能。同时，SMT 技术更加成熟，成为现代电子装联的主流技术。1994 年，日本三菱电气研究出芯片尺寸封装（CSP），其封装外形尺寸接近裸芯片大小。
　　3D 叠层封装时代（20 世纪 90 年代末）：代表性产品是系统级封装（SIP），它从封装元件概念转变为封装系统，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，实现了较高的性能密度、集成度、低成本和灵活性。2022 年，美国国防部研究计划局（DARPA）设立 “下一代微电子制造”（NGMM）研究项目，强调不同材料和组件的异构集成及器件堆叠封装的重要性。
　　封装目的
　　集成电路封装主要基于防护、支撑、连接及提高可靠性四个目的。保护方面，由于集成电路半导体芯片的生产环境要求严格，而日常使用环境无法满足，所以需要封装来保护芯片。支撑作用是将芯片固定，便于电路连接，使器件不易损坏。连接功能则是通过金丝将芯片的功能端电极与引脚连接起来，载片台承载芯片，环氧树脂粘合剂粘贴芯片，引脚支撑器件，塑封体起到固定和保护作用。提高可靠性方面，原始裸露的芯片易损毁，封装的材料和工艺能保护芯片，决定其可靠性，延长工作寿命。
　　工艺流程
　　集成电路封装工艺流程包含多个工序。晶片减薄是从晶片背面研磨，使其达到适合封装的厚度，然后进行划片，并通过显微镜检查是否有划伤等缺陷，合格的芯片进入下一道工序。芯片贴装是将切割好的芯片粘贴到框架的中间焊盘上，常用的工艺方法有共晶焊接、导电胶黏接、聚合物黏结等，塑料封装中常用聚合物黏结剂，通过涂布、放置芯片和烘烤固化完成。引线键合是用硅铝丝、金线或铜丝将芯片上的键合区和引线框架连接起来，实现芯片与外引脚的互连，此外还有载带自动焊和倒装焊等互连技术。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，其中转移成型技术是主要的，使用热固性聚合物材料，在模具中挤压注入塑封料并快速固化。打标是在封装模块顶表面印上字母和标识，用于识别和跟踪器件信息，常用激光打标技术。切筋打弯是切除框架外引脚之间的堤坝和连接部分，并将引脚弯成适合装配的形状，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：金属封装采用金属壳体或底座，具有优良的水分子渗透阻绝能力、散热能力和电磁屏蔽性能，常用于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应用广泛，特别是在高可靠度需求的军用电子封装方面。陶瓷封装价格相对较低，陶瓷材料在热、电、机械特性等方面稳定，可通过调整化学成分和工艺来改变特性，常见材料有氧化铝、氮化铝等，可作为封盖材料和基板。玻璃封装利用玻璃作为密封材料，具有良好的化学稳定性、抗氧化性、电绝缘性与致密性，还可调整成分以满足工艺需求。塑料封装以高分子树脂密封，一般被认为是非气密性封装，常用的包封材料有环氧类、氰酸酯类、聚硅酮类和氨基甲酸乙酯类等，其中环氧树脂类使用较多，具有耐湿、耐燃等优点。
　　按连接方式分类：通孔插装式是将元器件的引线插入印制板上的安装孔并焊接实现电气连接，适合分立元器件和双列直插式 IC 器件等安装，但组装密度较低，随着元器件发展，采用这种安装工艺的逐渐减少。表面贴装式是将表面贴装元器件平贴于印制板的焊盘表面，通过再流焊接实现电气互连，其特点是印制板无需元器件安装孔，节省空间，提高了组装密度和生产效率，也提高了焊接可靠性，适应了电子产品小型化、薄型化、功能多的发展方向。
　　按芯片数量分类：单芯片封装（SCP）对单个芯片进行封装，可实现特定功能，市面上多数单芯片封装器件经过功能测试和老化测试，可靠性较高。多芯片封装（MCM）将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上进行气密性封装，可实现多个功能，但由于包含多个模块，存在信号传输问题和功率密度过高等问题，提升其性能对改善先进电子封装产品性能至关重要。
　　按气密性分类：气密性封装使用具有空腔结构的金属、陶瓷、玻璃外壳，能更好地保护芯片和组件，适用于对可靠性要求苛刻的航天、航空、军事、船舶等领域。非气密性封装以高分子树脂密封，水分子易侵入，通常用低温聚合物实现，属于非密封性封装。
　　封装技术
　　引线键合技术：是广泛使用的半导体封装技术，通过细小的金属丝（通常是金或铝），利用热压、超声波或热声波技术将芯片的焊盘和封装的引线框架连接起来，具有成本效益高、可靠性好、适应多样化封装需求等优点，适用于大量生产的高速自动化过程。
　　FC 封装技术：通过芯片上的凸点将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上，与常规封装芯片放置方向相反，主要用于半导体设备，在尺寸、外观、柔性、可靠性以及成本等方面具有优势。
　　晶圆级封装技术：是一种先进的封装技术，封装过程在晶圆形态完成，使封装尺寸几乎与芯片本身一样大，减小了封装体积，提高了封装密度，降低了成本，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、传感器等。
　　封装形式
　　常见的封装形式有单列直插式封装（SIP）、双列直插式封装（DIP）、小外形封装（SOP）及其衍生形式（如 SOJ、TSOP 等）、塑封引线芯片封装（PLCC）、塑料方形扁平式封装（QFP）、塑封四角扁平封装（PQFP）、薄塑封四角扁平封装（TQFP）、方形扁平无引脚封装（QFN）、插针网格阵列封装（PGA）、栅阵列封装（BGA）、平面网格数组封装（LGA）、板上芯片封装（COB）、塑料扁平组件式封装（PFP）、Z 型引脚直插式封装（ZIP）、芯片尺寸封装（CSP）、无引脚芯片载体（LCC）等，每种封装形式都有其特点和适用场景。
　　封装测试
　　集成电路封装测试是检测集成电路或模块功能和性能的重要手段，包括测试准备、测试接口、测试程序和数据分析四个步骤。测试准备需要根据被测器件的技术指标和规范配置测试仪，同时考虑费用、可靠性等因素。测试接口要根据 DUT 的封装形式等因素选择测试插座和设计制作测试负载板，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，需经验丰富的 PCB 工程师完成，以防止信号完整性问题影响测试结果。测试程序软件包含控制测试设备的指令序列，现代化的测试仪还具备多种复杂功能。数据分析收集的 ATE 数据至关重要，不仅能判断器件是否达标，还能为制造过程提供反馈，揭示设计中的潜在问题，通过对测试数据的分析可了解器件质量，挑选出性能高于平均水平的芯片。