便携式应用的半导体产品封装发展回顾

fighting

便携式应用的半导体产品封装发展回顾 [复制链接]

【来源:飞兆半导体公司】【作者:Venkat Iyer 】
半导体封装主要是提供一个媒介，把精细的硅芯片连接到较粗糙间距的印制电路板上，并保护器件免予受潮。这些年间，虽然这个功能并未改变，但封装技术已远较从前复杂。由于芯片的性能逐步复杂封装已肩负着全部散热的责任，这些热量不能成为限制部件电阻性能的因素，而且对便携式应用而言，由于空间越来越宝贵，也需要更小和更薄的封装，随着硅片工作频率的提高，走线电感需要减小。与此同时，封装方案必须具备成本效益以满足当前消费电子应用的价格目标，鉴于硅技术不断发展，封装不得不变得更轻薄、散热性能更佳、速度更快及成本更低！

1 引线封装

市场上第一种获得广泛接纳的封装是双列直插式（DIP，Dual In Line），可用陶瓷和塑料封装体。这种封装于20世纪60年代未开发出来，正如其名，引线从封装两边引出，并与封装垂直。这是低成本封装，电气性能相对较差，通过将引脚插到电路板的通孔中，便可将封装安装在PCB上，引线会在电路板的另一面夹断，再利用波峰焊接技术来焊接。该封装可容纳最多的引线数目为40，而电路板间距则为0.65mm。这种封装形式至今仍在使用。

在20世纪70年代末80年代初，一种新的电路板装配技术出现，名为表面安装（surface mount）。在这种方法中芯片上的引线（引脚）和元件都被焊接在电路板的某一表面，而不是穿过板体。这使得电路板两面都可用于粘结芯片，安装过程使用了焊料回流技术，今天，超过95％的封装都采用了表面安装技术，为了支持这项工艺，小外形的封装应运而生，其引线也是从封装的两边伸出，并做成海鸥翅膀的形状以便板级安装，这类型封装一般比DIP更薄，能支持最大的引线数为80。

到20世纪80年代中期四边都有引线的封装出现，这类封装称为四方扁平封装（Quad Flat Packs，QFP）（引线呈海鸥翅膀形状）或引线芯片载体（Leaded Chip Carriers）（引线呈弯曲的J字形状）。最常用的典型四方扁平封装间距为0.65mm或0.5mm，引线数高达208。这些封装在20世纪90年代初期之硬盘驱动器和图形市场获得广泛应用。在电气方面它们大约与SO封装相近，但能提供更多的引线，因此在相同的尺寸上具备更多功能，这种封装备有多种不同的尺寸和厚度。

20世纪80年代末90年代初，客户需求在相同的占位面积上享有更高的热性能，于是，裸露焊盘引线封装（Exposed－Pad Leaded Package）得以诞生。这种封装就是把芯片粘接端暴露于底部的四方扁平或更小外形封装。这些暴露的粘接端可以焊接在电路板上，以建立高效的路径为芯片进行散热。在其他因素相同的情况下，该封装的热性能比较相同尺寸的标准四方扁平封装提高50％。此外，它可以在更好的频率下（2－2.5GHz）工作，这类封装在便携式应用如寻呼机和PDA中得到广泛使用。

随着手持便携式设备的尺寸不断缩小，消费者要求在更小的尺寸中享有相同或更多的功能，对于手机和PDA等应用来说，要求的封装尺寸要小，质量要轻，但却不会影响性能。业界隧在20世纪90年代开发出微引线框架（MLF）系列封装，MLF接近于芯片级封装（Chip Scale Package，CSP），用封装的底部引线端提供到PCB板的电气接触，而不是到海鸥翅膀形状引线的soic和qual封装，因此，这种封装有利于保证散热和电气性能。便携式应用是它的主要动力来源，2004年所付用的封装量差不多达20亿。

2 分层封装

以上描述的所有封装都牵涉到引线框架的使用，引线框架通常由铜制作，与基板材料一样。20世纪90年代出现了一种新型封装，采用分层板作为基板材料，名为球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）以引线框架为基础的封装只能够把引线引导到封装体的周边…球栅阵列封装的引线则可引导到布满封装底部的焊球上，这样，对于引线数量相同的封装尺寸而言，较之于四方扁平封装，BGA封装自然更具优势，由于基板是分层的，因而具有电源和接地平面可进一步提高电气性能，起初，BGA封装的典型焊球间距为1.27mm，与间距为0.5mm的四方扁平封装相比，板级装配更加轻而易举。

球栅阵列封装的自然发展使得相同芯片的焊球间距及其封装尺寸减小，当间距降低为0.4至0.8mm时，就创造了精细间距球栅阵列，该封装是手持式产品的解决方案，虽然不是真正的芯片级封装，但在业界常被称为分层式芯片级封装。

3 晶圆级封装

在空间非常宝贵的情况下，最好的封装根本即是无封装，这时，可以在晶圆级进行额外处理，以便生成能直接安装在电路板上的器件，这种处理一般包括利用重新分配层把晶片上的精细间距转到芯片本身的较粗糙间距（典型值0.5mm）上，然后在重新安排的函数上生成焊凸。整个晶圆再按需求进行测试和或老化性测试（burned－in）。该晶粒会单个分割出来，晶圆级封装即是一块焊凸晶片。这块晶片会翻转过来，焊凸被直接粘接到PCB板的焊盘上，尽管测试和处理裸片存在许多困难，这种类型封装在过去三四年中仍然获得市场接纳。

4 系统级封装（SIP）

现在出现新一轮的集成是把多个芯片置于单一封装中，成为系统级封装（System in a package；SIP）。更高的晶圆制造成本、更短的产品寿命和混合的晶圆技术，使得某些应用使用芯片级集成没有吸引力。把多个功能集成在封装中而非芯片上，却可以使这些应用更具成本效益，通过在同一个封装中（一般利用分层式基板）放两个或更多芯片，或者在同一个封装中一个叠一个地堆叠芯片，可以实现多芯片封装。例如在手机应用中，闪存和SRAM存储器一般都是一个叠一个。集成电路和MOSFET器件也可以采用这种技术进行集成。SIP还允许无源元件和其他元件（如滤波器和连接器）在同一个封装中集成。SIP在这10年间一直获得广泛使用。

5 封装互连技术的发展

互连技术描述芯片如何连接到封装的基板上。大多数封装中，封装体首先与基板（引线框架或分层式）上的芯片粘接端正面键合，然后采用金线或铝线把芯片焊盘键合到基板的引线指（lead finger）上。这类互连技术称为引线键合（wire bonding）适用于大部分封装应用。不过，引线的使用将增加信号路径的电感，成为高速转换器件的一个限制因素。

为了解决这一问题，一种新的互连方案应时而生。尽管这样技术早于20世纪70年代已经存在，但直到今年才用于量产。该互连技术称为倒装芯片键合（Flip Chip bonding）。首先在芯片的表面键合垫片位置生成一个导电性焊凸，这个凸点芯片接着被翻转直接连接到基板上，在大多数情况下使用的是分层式基板，焊球粘会利用焊料回流工艺接在基板上，回流之后，在芯片和基板之间会使用底部填充工艺来减小器件使用时在焊接处造成的应力。然后，该器件会进行正常铸模。倒装芯片工艺因为成本昂贵，只有在真正需要电气性能时才会使用。

6 封装材料

塑料封装易受潮和湿气影响。这些年来，半导体材料一直发展以满足客户的要求，最初的封装是通孔安装，可靠性要求并不太高，因为在焊接过程中产生的热量离封装很远（在电路板的另一面）。但随着表面安装封装出现，封装材料需要能够抵受焊料回流的热量。即使今天，几种较大型封装业需要在烘干后进行干燥装配，以确保封装不会在安装到电路板时因为回流工艺的冲击而产生裂痕。业界一直不断努力改进铸模混合物及芯片粘接材料，以省去对干燥装配的要求。 封装材料的另一项最新要求是在封装中做到完全无铅，并根据环保要求采用"绿色材料"。封装业已开发出基本上无铅同时无损应用可靠性的材料，铅锡焊料已由锡银和铜合金组成的无铅焊料所取代。铸模混合物中的大部分卤化物（用作阻燃剂）都已除去。

7 结语

半导体制造的不断进步，加上更多功能在单个芯片上的集成，为半导体封装技术带来了极严格的要求，由于器件的速度加快、热量增多，封装技术必须不断改进，才不会成为限制系统性能的阻碍因素，在每一步的发展中，封装工程师往往都能应付挑战，并且紧贴硅技术的创新发展。