IC封裝全解
一、IC封裝歷程
IC封裝歷史始于20世紀(jì)60年代中期，仙童公司開發(fā)出塑料雙列直插式封裝(PDIP)，有8條引線。隨著硅技術(shù)的發(fā)展，芯片尺寸愈來愈大，相應(yīng)地封殼也要變大。到60年代末，四邊有引線較大的封裝出現(xiàn)了。那時(shí)人們還不太注意壓縮器件的外形尺寸，故而大一點(diǎn)的封殼也可以接受。但大封殼占用PCB面積多，于是開發(fā)出引線陶瓷芯片載體(LCCC)。1976年~1977年問，它的變體即塑料有引線載體(PLCC)面世，且生存了約10年，其引腳數(shù)有16個(gè)～132個(gè)。
20世紀(jì)80年代中期開發(fā)出的四方型扁平封裝(QFP)接替了PLCC。當(dāng)時(shí)有凸緣QFP(BQFP)和公制MQFP(MQFP)兩種。但很快MQFP以其明顯的優(yōu)點(diǎn)取代了BQFP。其后相繼出現(xiàn)了多種改進(jìn)型，如薄型QFP(TQFP)、細(xì)引腳間距QFP(VQFP)、縮小型QFP(SQFP)、塑料QFP(PQFP)、金屬Q(mào)FP(MetalQFP)、載帶QFP(TapeQFP)等。這些QFP均適合表面貼裝。但這種結(jié)構(gòu)仍占用太多的PCB面積，不適應(yīng)進(jìn)一步小型化的要求。因此，人們開始注意縮小芯片尺寸，相應(yīng)的封裝也要盡量小。實(shí)際上，1968年～1969年，菲利浦公司就開發(fā)出小外形封裝(SOP)。以后逐漸派生出J型引腳小外型封裝(SOJ)、薄小外形封裝(TSOP)、甚小外形封裝(VSOP)、縮小型SOP(SSOP)、薄的縮小型SOP(TSSOP)及小外形晶體管(SOT)、小外型集成電路(SOIC)等。這樣，IC的塑封殼有兩大類：方型扁平型和小型外殼型。前者適用于多引腳電路，后者適用于少引腳電路。
隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，芯片的功能愈來愈強(qiáng)，需要的外引腳數(shù)也不斷增加，再停留在周邊引線的老模式上，即使把引線問距再縮小，其局限性也日漸突出，于是有了面陣列的新概念，誕生了陣列式封裝。
陣列式封裝最早是針柵陣列(PGA)，引腳為針式。將引腳形狀變通為球形凸點(diǎn)，即有球柵陣列(BGA)；球改為柱式就是柱柵陣列(CGA)。后來更有載帶BGA(TBGA)、金屬封裝BGA(MBGA)、陶瓷BGA(CBGA)、倒裝焊BGA(FCBGA)、塑料BGA(PBGA)、增強(qiáng)型塑封BGA(EPBGA)、芯片尺寸BGA(D2BGA)、小型BOA(MiniBGA)、微小型BGA(MicroBGA)及可控塌陷BGA(C2BGA)等。BGA成為當(dāng)今最活躍的封裝形式。
歷史上，人們也曾試圖不給IC任何封裝。最早的有IBM公司在20世紀(jì)60年代開發(fā)的C4(可控塌陷芯片連接)技術(shù)。以后有板上芯片(COB)、柔性板上芯片(COF)及芯片上引線(LOC)等。但裸芯片面臨一個(gè)確認(rèn)優(yōu)質(zhì)芯片(KGD)的問題。因此，提出了既給IC加上封裝又不增加多少“面積”的設(shè)想，1992年日本富士通首先提出了芯片尺寸封裝(CSP)概念。很快引起國際上的關(guān)注，它必將成為IC封裝的一個(gè)重要熱點(diǎn)。
另一種封裝形式是貝爾實(shí)驗(yàn)室大約在1962年提出，由IBM付諸實(shí)現(xiàn)的帶式載體封裝(TCP)。它是以柔性帶取代剛性板作載體的一種封裝。因其價(jià)格昂貴、加工費(fèi)時(shí)，未被廣泛使用。
上述種類繁多的封裝，其實(shí)都源自20世紀(jì)60年代就誕生的封裝設(shè)想。推動(dòng)其發(fā)展的因素一直是功率、重量、引腳數(shù)、尺寸、密度、電特性、可靠性、熱耗散，價(jià)格等。
盡管已有這么多封裝可供選擇，但新的封裝還會(huì)不斷出現(xiàn)。另一方面，有不少封裝設(shè)計(jì)師及工程師正在努力以去掉封裝。當(dāng)然，這絕非易事，封裝將至少還得陪伴我們20年，直到真正實(shí)現(xiàn)芯片只在一個(gè)互連層上集成。
可以這樣粗略地歸納封裝的發(fā)展進(jìn)程：結(jié)構(gòu)方面TO—DIP—LCC—QFP—BGA—CSP；材料方面是金屬一陶瓷一塑料；引腳形狀是長引線直插一短引線或無引線貼裝一球狀凸點(diǎn)；裝配方式是通孔封裝一表面安裝一直接安裝。
二、IC封裝大全
1、BGA(ballgridarray)
球形觸點(diǎn)陳列，表面貼裝型封裝之一。在印刷基板的背面按陳列方式制作出球形凸點(diǎn)用以代替引腳，在印刷基板的正面裝配LSI芯片，然后用模壓樹脂或灌封方法進(jìn)行密封。也稱為凸點(diǎn)陳列載體(PAC)。引腳可超過200，是多引腳LSI用的一種封裝。
封裝本體也可做得比QFP(四側(cè)引腳扁平封裝)小。例如，引腳中心距為1.5mm的360引腳BGA僅為31mm見方；而引腳中心距為0.5mm的304引腳QFP為40mm見方。而且BGA不用擔(dān)心QFP那樣的引腳變形問題。
該封裝是美國Motorola公司開發(fā)的，首先在便攜式電話等設(shè)備中被采用，今后在美國有可能在個(gè)人計(jì)算機(jī)中普及。最初，BGA的引腳(凸點(diǎn))中心距為1.5mm，引腳數(shù)為225。現(xiàn)在也有一些LSI廠家正在開發(fā)500引腳的BGA。BGA的問題是回流焊后的外觀檢查?，F(xiàn)在尚不清楚是否有效的外觀檢查方法。有的認(rèn)為，由于焊接的中心距較大，連接可以看作是穩(wěn)定的，只能通過功能檢查來處理。
美國Motorola公司把用模壓樹脂密封的封裝稱為OMPAC，而把灌封方法密封的封裝稱為GPAC(見OMPAC和GPAC)。
2、BQFP(quadflatpackagewithbumper)
帶緩沖墊的四側(cè)引腳扁平封裝。QFP封裝之一，在封裝本體的四個(gè)角設(shè)置突起(緩沖墊)以防止在運(yùn)送過程中引腳發(fā)生彎曲變形。美國半導(dǎo)體廠家主要在微處理器和ASIC等電路中采用此封裝。引腳中心距0.635mm，引腳數(shù)從84到196左右(見QFP)。
3、碰焊PGA(buttjointpingridarray)
表面貼裝型PGA的別稱(見表面貼裝型PGA)。
4、C－(ceramic)
表示陶瓷封裝的記號。例如，CDIP表示的是陶瓷DIP。是在實(shí)際中經(jīng)常使用的記號。
5、Cerdip
用玻璃密封的陶瓷雙列直插式封裝，用于ECLRAM，DSP(數(shù)字信號處理器)等電路。帶有玻璃窗口的Cerdip用于紫外線擦除型EPROM以及內(nèi)部帶有EPROM的微機(jī)電路等。引腳中心距2.54mm，引腳數(shù)從8到42。在日本，此封裝表示為DIP－G(G即玻璃密封的意思)。
6、Cerquad
表面貼裝型封裝之一，即用下密封的陶瓷QFP，用于封裝DSP等的邏輯LSI電路。帶有窗口的Cerquad用于封裝EPROM電路。散熱性比塑料QFP好，在自然空冷條件下可容許1.5～2W的功率。但封裝成本比塑料QFP高3～5倍。引腳中心距有1.27mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多種規(guī)格。引腳數(shù)從32到368。
7、CLCC(ceramicleadedchipcarrier)
帶引腳的陶瓷芯片載體，表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝的四個(gè)側(cè)面引出，呈丁字形。
帶有窗口的用于封裝紫外線擦除型EPROM以及帶有EPROM的微機(jī)電路等。此封裝也稱為QFJ、QFJ－G(見QFJ)。
8、COB(chiponboard)
板上芯片封裝，是裸芯片貼裝技術(shù)之一，半導(dǎo)體芯片交接貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實(shí)現(xiàn)，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實(shí)現(xiàn)，并用樹脂覆蓋以確?？煽啃浴ｋm然COB是最簡單的裸芯片貼裝技術(shù)，但它的封裝密度遠(yuǎn)不如TAB和倒片焊技術(shù)。
9、DFP(dualflatpackage)
雙側(cè)引腳扁平封裝。是SOP的別稱(見SOP)。以前曾有此稱法，現(xiàn)在已基本上不用。
10、DIC(dualin-lineceramicpackage)
陶瓷DIP(含玻璃密封)的別稱(見DIP).
11、DIL(dualin-line)
DIP的別稱(見DIP)。歐洲半導(dǎo)體廠家多用此名稱。
12、DIP(dualin-linepackage)
雙列直插式封裝。插裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出，封裝材料有塑料和陶瓷兩種。DIP是最普及的插裝型封裝，應(yīng)用范圍包括標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC，存貯器LSI，微機(jī)電路等。引腳中心距2.54mm，引腳數(shù)從6到64。封裝寬度通常為15.2mm。有的把寬度為7.52mm和10.16mm的封裝分別稱為skinnyDIP和slimDIP(窄體型DIP)。但多數(shù)情況下并不加區(qū)分，只簡單地統(tǒng)稱為DIP。另外，用低熔點(diǎn)玻璃密封的陶瓷DIP也稱為cerdip(見cerdip)。
13、DSO(dualsmallout-lint)
雙側(cè)引腳小外形封裝。SOP的別稱(見SOP)。部分半導(dǎo)體廠家采用此名稱。
14、DICP(dualtapecarrierpackage)
雙側(cè)引腳帶載封裝。TCP(帶載封裝)之一。引腳制作在絕緣帶上并從封裝兩側(cè)引出。由于利用的是TAB(自動(dòng)帶載焊接)技術(shù)，封裝外形非常薄。常用于液晶顯示驅(qū)動(dòng)LSI，但多數(shù)為定制品。另外，0.5mm厚的存儲(chǔ)器LSI簿形封裝正處于開發(fā)階段。在日本，按照EIAJ(日本電子機(jī)械工業(yè))會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將DICP命名為DTP。
15、DIP(dualtapecarrierpackage)
同上。日本電子機(jī)械工業(yè)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)對DTCP的命名(見DTCP)。
16、FP(flatpackage)
扁平封裝。表面貼裝型封裝之一。QFP或SOP(見QFP和SOP)的別稱。部分半導(dǎo)體廠家采用此名稱。
17、flip-chip
倒焊芯片。裸芯片封裝技術(shù)之一，在LSI芯片的電極區(qū)制作好金屬凸點(diǎn)，然后把金屬凸點(diǎn)與印刷基板上的電極區(qū)進(jìn)行壓焊連接。封裝的占有面積基本上與芯片尺寸相同。是所有封裝技術(shù)中體積最小、最薄的一種。但如果基板的熱膨脹系數(shù)與LSI芯片不同，就會(huì)在接合處產(chǎn)生反應(yīng)，從而影響連接的可靠性。因此必須用樹脂來加固LSI芯片，并使用熱膨脹系數(shù)基本相同的基板材料。
18、FQFP(finepitchquadflatpackage)
小引腳中心距QFP。通常指引腳中心距小于0.65mm的QFP(見QFP)。部分導(dǎo)導(dǎo)體廠家采用此名稱。
19、CPAC(globetoppadarraycarrier)
美國Motorola公司對BGA的別稱(見BGA)。
20、CQFP(quadfiatpackagewithguardring)
帶保護(hù)環(huán)的四側(cè)引腳扁平封裝。塑料QFP之一，引腳用樹脂保護(hù)環(huán)掩蔽，以防止彎曲變形。
在把LSI組裝在印刷基板上之前，從保護(hù)環(huán)處切斷引腳并使其成為海鷗翼狀(L形狀)。這種封裝在美國Motorola公司已批量生產(chǎn)。引腳中心距0.5mm，引腳數(shù)最多為208左右。
21、H-(withheatsink)
表示帶散熱器的標(biāo)記。例如，HSOP表示帶散熱器的SOP。
22、pingridarray(surfacemounttype)
表面貼裝型PGA。通常PGA為插裝型封裝，引腳長約3.4mm。表面貼裝型PGA在封裝的底面有陳列狀的引腳，其長度從1.5mm到2.0mm。貼裝采用與印刷基板碰焊的方法，因而也稱為碰焊PGA。因?yàn)橐_中心距只有1.27mm，比插裝型PGA小一半，所以封裝本體可制作得不怎么大，而引腳數(shù)比插裝型多(250～528)，是大規(guī)模邏輯LSI用的封裝。封裝的基材有多層陶瓷基板和玻璃環(huán)氧樹脂印刷基數(shù)。以多層陶瓷基材制作封裝已經(jīng)實(shí)用化。
23、JLCC(J-leadedchipcarrier)
J形引腳芯片載體。指帶窗口CLCC和帶窗口的陶瓷QFJ的別稱(見CLCC和QFJ)。部分半導(dǎo)體廠家采用的名稱。
24、LCC(Leadlesschipcarrier)
無引腳芯片載體。指陶瓷基板的四個(gè)側(cè)面只有電極接觸而無引腳的表面貼裝型封裝。是高速和高頻IC用封裝，也稱為陶瓷QFN或QFN－C(見QFN)。
25、LGA(landgridarray)
觸點(diǎn)陳列封裝。即在底面制作有陣列狀態(tài)坦電極觸點(diǎn)的封裝。裝配時(shí)插入插座即可。現(xiàn)已實(shí)用的有227觸點(diǎn)(1.27mm中心距)和447觸點(diǎn)(2.54mm中心距)的陶瓷LGA，應(yīng)用于高速邏輯LSI電路。LGA與QFP相比，能夠以比較小的封裝容納更多的輸入輸出引腳。另外，由于引線的阻抗小，對于高速LSI是很適用的。但由于插座制作復(fù)雜，成本高，現(xiàn)在基本上不怎么使用。預(yù)計(jì)今后對其需求會(huì)有所增加。
26、LOC(leadonchip)
芯片上引線封裝。LSI封裝技術(shù)之一，引線框架的前端處于芯片上方的一種結(jié)構(gòu)，芯片的中心附近制作有凸焊點(diǎn)，用引線縫合進(jìn)行電氣連接。與原來把引線框架布置在芯片側(cè)面附近的結(jié)構(gòu)相比，在相同大小的封裝中容納的芯片達(dá)1mm左右寬度。
27、LQFP(lowprofilequadflatpackage)
薄型QFP。指封裝本體厚度為1.4mm的QFP，是日本電子機(jī)械工業(yè)會(huì)根據(jù)制定的新QFP外形規(guī)格所用的名稱。
28、L－QUAD
陶瓷QFP之一。封裝基板用氮化鋁，基導(dǎo)熱率比氧化鋁高7～8倍，具有較好的散熱性。封裝的框架用氧化鋁，芯片用灌封法密封，從而抑制了成本。是為邏輯LSI開發(fā)的一種封裝，在自然空冷條件下可容許W3的功率?，F(xiàn)已開發(fā)出了208引腳(0.5mm中心距)和160引腳(0.65mm中心距)的LSI邏輯用封裝，并于1993年10月開始投入批量生產(chǎn)。
29、MCM(multi-chipmodule)
多芯片組件。將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線基板上的一種封裝。根據(jù)基板材料可分為MCM－L，MCM－C和MCM－D三大類。
MCM－L是使用通常的玻璃環(huán)氧樹脂多層印刷基板的組件。布線密度不怎么高，成本較低。
MCM－C是用厚膜技術(shù)形成多層布線，以陶瓷(氧化鋁或玻璃陶瓷)作為基板的組件，與使用多層陶瓷基板的厚膜混合IC類似。兩者無明顯差別。布線密度高于MCM－L。
MCM－D是用薄膜技術(shù)形成多層布線，以陶瓷(氧化鋁或氮化鋁)或Si、Al作為基板的組件。布線密謀在三種組件中是最高的，但成本也高。