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微电子封装技术的发展与展望

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微电子封装技术的发展与展望

The development and the prospect for microelectronics

packaging technology

周智强

湖南工学院 电气与信息工程学院

电子0902班 学号：09401140245

摘要

微电子技术的发展, 推动着微电子封装技术的不断发展、封装形式的不断出

新。介绍了微电子封装的基本功能与层次, 微电子封装技术发展的三个阶段, 并

综述了微电子封装技术的历史、现状、发展及展望。 关键词: 微电子; 集成电路; 封装技术 Abstract

The development of microelectronics technology promotes the

development of microelectronics packaging technology continuously, and

new packaging forms appear time and again. In this paper, the basic

functions and series of microelectronics packaging, the three stages of

microelectronics packaging technology are introduced. And the history,

the current state and the future trend of the microelectronics packaging

technology are summarized. Keyword: microelectronics; integrated circuit; packaging technology

引 言

随着微电子技术的发展, 集成电路复杂度的增加, 一个电子系统的大部分

功能都可集成于一个单芯片的封装内, 这就要求微电子封装具有很高的性能:

更多的引线、更密的内连线更小的尺寸、更大的热耗散能力、更好的电性能、更

高的可靠性、更低的单个引线成本等。于封装的热、电、可靠性等性能直接影响

着集成电路的性能, 一个电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。不同用途的

集成电路对封装有不同的要求, 所以从80 年代初起, 微电子封装技术也已逐渐

成了影响微电子技术发展的重要因素之一, 微电子封装技术也已逐渐发展成为

一门几种学科交叉的热门科技。微电子技术的发展, 极大的推动着微电子封装技

术的不断发展、封装形式的不断出新。

1. 微电子封装的基本功能与层次

微电子封装包括组装( Assembly) 和封装( Packag ing) 两个方面[ 1] , 它

是将数十万乃至数百万个半导体元器件组装成一个紧凑的封装体, 由外界提供

电源并与外界进行信息交流。

封装的基本功能包括电源供给、信号交流、散热、芯片保护和机械支撑。

微电子封装一般可分为四个层次, 即:

( 1) 0 级封装) ) ) 芯片层次上的互连;

( 2) 一级封装) ) ) 芯片( 单芯片或多芯片) 上的I/ O 与基板互连;

( 3) 二级封装) ) ) 集成块( 封装体) 连入PCB 或板卡( Card) 上;

( 4) 三级封装) ) ) 电路板或卡板连入整机母板上。

微电子封装逐步从传统的面向器件转为面向系统, 最终面向用户。封装的功能也

将在此基础上被极大的扩展开来。

2.微电子封装技术发展的三个阶段

微电子封装技术的发展可分为三个阶段, 在80年代和90年代分别出现了两次飞跃, 如图所示。

2. 1 第一阶段

20 世纪80 年代以前, 封装的主体技术是针脚插装( PTH) , 其特点是插孔安装

到PCB上, 它的主要形式有SIP、DIP、PGA。它们的不足之处是密度、频率难以提

高, 难以满足高效自动化生产的要求。

2. 2 第二阶段

80 年代中期, 表面贴装技术( SMT) 成为最热门的组装技术, 它改变了传统的

PTH 插装形式, 通过细微的引线将集成电路贴装到PCB 板上, 大大提高了集成

电路的电气特性, 生产的自动化也得到很大的提高。

表面贴装封装的主要特点是引线代替针脚, 引线为翼形或丁形, 两边或四

边引出, 节距为1. 27 到0. 4 mm, 适合于3 ) 300 条引线。主要形式为SOP( 小

外型封装) 、PLCC( 塑料有引线片式载体) 、PQFP( 塑料四边引线扁平封装)、J

型引线QFJ 和SOJ、LCCC( 无引线陶瓷芯片载体) 等。它们的主要优点有: 引线

细、短, 间距小, 封装密度提高; 电气性能提高; 体积小, 重量轻; 易于自动化

生产。它所存在的问题是: 在封装密度、I / O 数以及电路频率方面还是难以满

足ASIC、微处理器发展的需要。

2. 3 第三阶段

90年代出现了第二次飞跃, 进入了/ 爆炸式0的发展时期, 就器件封装而言,

随着封装尺寸的进一步小型化、微型化, 出现了许多新的封装技术和封装形式。

这些新技术都采用面阵引脚, 封装密度大为提高。其中最具代表性的有球栅阵列

( BGA) , 倒扣芯片( FC) 和多芯片模块( MCMs) 等技术。FC 技术已经成为当今

封装领域人们寄托最大期望的热点, 在此基础上, 密度很高的芯片规模封装

CSP( chip scale package) 和芯片尺寸封装CSP( chip size package)已成为可

能。直接芯片贴装( DCA) 也得到发展, 使得传统的三级封装在二十一世纪最终

进入一级封装。

3.当前封装技术的发展及其特点

3. 1 载带封装(TCP)

TCP 可提供超窄的引线间距和很薄的封装外形, 以及在PCB 板上占据很小

的面积, 可以用于高I/ O 数的ASIC 和微处理器。载带的价格较贵, 但它的引线

间距可到0.15mm。

3. 2 球栅阵列(BGA)

BGA 的引出端在封装底面, 外引线为焊料球, 焊球节距为1. 5 — 1. 0mm,

适合于100 —1000 以上的引线。由于BGA 完全采用了与QFP( 四边引线扁平封装)

相同的SMT 回流焊接, 避免了QFP 中的超窄间距, 可以提供较大的焊盘区, 因

此焊接工艺容易得多, 强度大大提高, 可靠性明显改善。与QFP 相比, BGA 在高

I/ O 数的封装方面有很大的优势。除此之外, BGA 还有以下优点: 不需引线框

架, 体薄、尺寸小; 与通常引线相比, 无引线损伤问题; 电气性能和热性能好;

安装和焊接方便, 短路搭桥事故少, 焊接可靠性高和封装合格率高; 有自对准

效应, 贴片精度要求低, 生产效率高。

BGA 存在的问题是: BGA 器件和电路板间材料热膨胀系数较难匹配; 焊点目测

较困难,需用X 射线探测; 用于小体积集成电路时, 成本竞争还不够高。 3. 3 倒扣芯片技术( FCT )

倒扣芯片技术是目前半导体封装领域的又一热门技术, 以往的一级封装技

术都是将芯片的有原区面朝上, 背对基板粘贴后键合( 引线键合和载带自动键

合TAB) , 而FCT 则是将芯片有源区面对基板进行键合。

FCT 的基本特点是在芯片和基板上分别制备焊盘, 然后面对面键合, 键合

材料可以是金属引线或载带, 也可以是合金焊料或有机导电聚合物制成的凸缘。

它可以利用芯片上所有面积来获得I/ O 端。FCT 的优点是: 能够提供最高的封

装密度; 最高的I/ O 数; 最小的封装外形; 可散热的聚合物凸缘能改善热性能;

FCT 的引线可以做得最短, 电抗最小, 因此可以获得相对来说最高的工作频率

和最小的噪声。

研究低成本的FCT 是近年来FCT 中的一个发展方向, 如用有机导电聚合物

代替合金焊料, 研究各向异性导电胶及其互连技术, 研究下部填充树脂等, 这

些都有利于进一步降低成本, 减小引线间距, 防止引线间电信号的互相干扰,

增强封装可靠性。 3. 4 芯片规模封装( CSP)

这是一种单芯片封装形式, 其定义为封装比( 封装面积/ 芯片面积) 小于1.

2, 是一种封装面积只比芯片面积稍大一点( 不超过20%) 的封装。其外引线为小

凸焊点或焊盘, 即可四周引线, 也可在底面上阵列式布线。芯片规模封装技术现

分为四类[ 2] : 柔性电路垫片类、刚性基片类、引线框架类、晶圆片级封装类。

所用的工艺包括内引线键合, 以及FCT 等各种技术。未来的芯片规模封装将更多

的利用刚性和柔性的基片, 以及晶圆片级封装。大多数CSP 是用在要求尺寸小和

互连密度高的产品上, 如DSP、ASIC、微控制器、各种类型的存储器等。

3. 5 直接芯片贴装技术(DCA)

DCA 是将芯片倒扣直接贴焊在电路板上, 这种技术省略了将芯片制成封装

体的一系列的过程, 直接进入第二级封装。它可以比常规SMT 提供更高的封装密

度和更好的空间占有率, 使得电子产品做得更薄、更小、更轻, 生产周期缩短,

成本降低, 效率提高。DCA 可通过引线键合、TAB 和合金焊料键合等形式实现。

但DCA 需要高密度的PCB 来支撑, 所以推广DCA 还有一定难度。

3. 6 多芯片模块( MCMs)

相对于单芯片封装而言, MCMs 是直接把多个裸芯片安装在多层高密度互连

衬底上,层与层之间的金属线条由通孔连接, 然后一起密封起来, 封装外壳与电

路板的连接与其他外壳相同。MCMs 封装比起单芯片封装来允许芯片与芯片之间

靠得更近, 因此互连线变短;影响信号传输速度的传输延迟大大降低, 同时也解

决了串扰噪声、电感、电容耦合以及电磁辐射等问题。多芯片模块封装与等效的

单芯片封装相比, 体积减少了4/ 5 至9/ 10, 芯片到芯片的延迟减小了3/ 4。此

封装的缺点是成本较高, 多年来, 工业界一直在期待着多芯片封装能降低成本,

从军用和航天领域进入民用。

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第四代微电子封装技术—TVS技术及其发展精选全文

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第四代微电子封装技术—TVS技术及其发展

随着微电子制造由二维向三维发展，三维芯片堆叠的封装方式成为发展的必然方向。但是使用传统金线键合的三维电路封装技术不仅会占用大量空间，同时会增加能耗、降低运行速度。因此，可实现芯片直接互联的TSV技术孕育而生。TSV技术可以使微电子封装达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时TSV技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高运行速度。在DRAM芯片制造中使用TSV技术可以使IC器件的性能大幅度提高，其中基于TSV技术开发的混合存储立方体（HMC）可以使存储器性能提高20倍，而体积和能耗缩小到原有1/10。但由于TSV技术本身的缺点使其商业化过程步履艰难。而TSV技术最大的缺点还是在于成本太高。

标签：微电子封装；TSV；金属化；键合；DRAM

引言

自1965年“摩尔定律”[1]提出以来，微电子器件的密度几乎沿着“摩尔定律”的预言发展。到了今天，芯片特征尺寸达到22nm，再想通过降低特征尺寸来提高电路密度不仅会大幅提高成本，还会降低电路的可靠性。为了提高电路密度，延续或超越“摩尔定律”，微电子制造由二维向三维发展成为必然。其方法之一就是将芯片堆叠以后进行封装，由此产生了三维电路封装技术（3D IC packaging）。三维电路封装技术中，芯片电极是通过金线键合的技术来实现电路的导通。如图1a所示，随着芯片叠层的增加，键合金线将占用大量的空间。同时由于连接的延长使得电路能耗升高、速度降低。因此，业界需要一种方法，能够使得硅芯片在堆叠的同时实现电路的导通，从而避免采用硅芯片以外的线路连接。传统半导体工艺主要是针对硅圆片表明进行加工并形成电路，而要实现硅芯片上下层之间的连接，需要一种能贯通硅芯片的加工工艺，即TSV技术（图1b）。早在1958年，半导体的发明人William Shockley，在其专利中就提到过硅通孔的制备方法[2]。而TSV（through-silicon via）工艺的概念在1990年代末才提出，香港应用技术研究院和台湾半导体制造公司于1998年申请相关美国专利[3，4]，而关于TSV技术最早的论文发表于2000年[5]。相比传统金线键合，TSV技术不仅能减少金线所占用的平面尺寸，由于减少了金线焊点使得Z轴方向达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时TSV技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高运行速度。

中国电子学会生产技术学分会(电子封装专业)第七届电子封装技术国际会议先进封装技术高级讲座微电子及

中国电子学会生产技术学分会(电子封装专业)第七届电子封装技术国际会议先进封装技术高级讲座微电子及

中国电子学会生产技术学分会（电子封装专业）　

第七届电子封装技术国际会议先进封装技术高级讲座　

背景及目的　微电子及微系统封装的最新进展　

微电子和微系统技术的趋势主要表现为：　

１．微型化至纳米规模。不仅集成电路，而且封装、互联、电路板和系统都在向微型化发展。　

２．功能集成化。“超越摩尔”的产品开发，例如系统级封装、传感器、执行器、和微机电系统（ＭＥＭＳ），　

推动了功能集成化的高速发展。　

３．新材料和生态材料的引入。新材料不仅在性能和功能上取得发展，而且还能减少对环境的污染。　

因而，无铅焊料、绿色化合物等正在高速开发和实现。　

与此同时，成本的减少，上市和外购时间等因素增加了产品失效的几率和设计的复杂性，因此增加了　

满足产品质量和可靠性要求的难度。　

本讲座邀请国际公认的专家，为您提供最尖端的专业知识、微电子和微系统封装领域最新的发展和指　

南。讲座内容不仅包括先进ＣＭＯＳ发展的全面概述，而且将详细描述封装和装配技术、设计方法、可靠性　

鉴定测试和预测手段、以及无铅应用方面的最新进展。讲座还将涉及纳米电子在未来发展趋势中的地位。　

课程大纲　

・讲座Ｉ一先进微电子和微系统封装　

・微电子和微系统封装的发展趋势和路线图　

・纳米电子的发展趋势和路线图　

・先进的ＣＭＯＳ工艺　

・先进的封装工艺　

・晶体级凸点制作工艺　

・芯片薄化　

・互联技术　

・先进封装装配　

・芯片级封装　

・圆片级封装　

・微机电系统封装的基本原理　

・讲座Ⅱ一失模模式和可靠性设计　

・绪论　

・各种失效模式　

・失效机制的分类　

・失效分析的方法和工具　

插

页７　维普资讯 ・可靠性设计　

・先进芯片封装的技术及失效　

・热机械的失效（例如裂缝，脱层，大翘曲，疲劳等）　

・冲击／跌落和振动引起的故障　

・虚拟设计介绍　

・讲座Ⅲ一湿度引起的损伤和预防　

・绪论　

・电子封装方面与湿度有关的破坏例子　

・无铅应用中湿度导致破坏的关键问题　

・湿度对材料性质的影响　

微电子技术发展趋势及未来发展展望

微电子技术发展趋势及未来发展展望

微电子技术发展趋势及未来发展展望

论文概要：

本文介绍了穆尔定律及其相关内容，并阐述对微电子技术发展趋势的展望。针对日前世界局势紧张，战争不断的状况，本文在最后浅析了微电子技术在未来轻兵器上的应用。由于这是我第一次写正式论文，恳请老师及时指出文中的错误，以便我及时改正。

一．微电子技术发展趋势

微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏。微电子技术的发展，大大推动了航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的迅猛发展。微电子技术的发展和应用，几乎使现代战争成为信息战、电子战。在我国，已经把电子信息产业列为国民经济的支拄性产业。如今，微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。

集成电路(IC)是微电子技术的核心，是电子工业的“粮食”。集成电路已发展到超大规模和甚大规模、深亚微米(0.25μm)精度和可集成数百万晶体管的水平，现在已把整个电子系统集成在一个芯片上。人们认为：微电子技术的发展和应用使全球发生了第三次工业革命。

1965年，Intel公司创始人之一的董事长Gorden Moore在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系时发现，每过18～24个月，芯片集成度提高一倍。这一关系被称为穆尔定律(Moores Law)，一直沿用至今。

穆尔定律受两个因素制约，首先是事业的限制(business Limitations)。随着芯片集成度的提高，生产成本几乎呈指数增长。其次是物理限制(Physical

Limitations)。当芯片设计及工艺进入到原子级时就会出现问题。

DRAM的生产设备每更新一代，投资费用将增加1.7倍，被称为V3法则。目前建设一条月产5000万块16MDRAM的生产线，至少需要10亿美元。据此，64M位的生产线就要17亿美元，256M位的生产线需要29亿美元，1G位生产线需要将近50亿美元。

微电子封装技术的发展现状

微电子封装技术的发展现状

WeldingTechnologyVol．38No．11Nov.2009·专题综述·

微电子封装技术的发展现状

张满

（淮阴工学院机械系，江苏淮安223001）

摘要：论述了微电子封装技术的发展历程、发展现状及发展趋势，主要介绍了微电子封装技术中的芯片级互联技术与微电子装联技术。芯

片级互联技术包括引线键合技术、载带自动焊技术、倒装芯片技术。倒装芯片技术是目前半导体封装的主流技术。微电子装联技术包括波

峰焊和再流焊。再流焊技术有可能取代波峰焊技术，成为板级电路组装焊接技术的主流。从微电子封装技术的发展历程可以看出，IC芯片

与微电子封装技术是相互促进、协调发展、密不可分的，微电子封装技术将向小型化、高性能并满足环保要求的方向发展。

关键词：微电子封装；倒装芯片；再流焊；发展现状

中图分类号：TN6；TG454文献标志码：A收稿日期：2009-06-04文章编号：1002－025X(2009)11-0001-05

0前言

上世纪90年代以来，以“3C”，即计算机

（computer）、通信（communication）和家用电器等消

费类电子产品（consumerelectronics）为代表的IT产

业得到迅猛发展［1］。微电子产业已经成为当今世界第一

大产业，也是我国国民经济的支柱产业。现代微电子

产业逐渐演变为设计、制造和封装三个独立产业［2］。

微电子封装技术是支持IT产业发展的关键技术，作

为微电子产业的一部分，近年来发展迅速。微电子封

装是将数十万乃至数百万个半导体元件（即集成电路

芯片）组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源，

并与外界进行信息交流。微电子封装可以保证IC在

处理过程中芯片免受机械应力、环境应力（例如潮气

和污染）以及静电破坏。封装必须满足器件的各种性

能要求，例如在电学（电感、电容、串扰）、热学

（功率耗散、结温）、质量、可靠性以及成本控制方面

的各项性能指标要求。

现代电子产品高性能的普遍要求、计算机技术的

高速发展和LSI，VLSI，ULSI的普及应用，对PCB