芯片封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁——芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)CPU和其他LSI集成電路都起著重要的作用。
自20世紀(jì)80年代，從引腳插入式封裝到表面貼片封裝的革新開始，芯片封裝技術(shù)已經(jīng)歷多代發(fā)展變遷，從DIP（雙列直插式封裝）、QFP（塑料方形扁平封裝）、 PGA（針柵陣列封裝）、BGA（球柵陣列封裝到MCP（多芯片模塊）再到SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）。芯片封裝的作用，也從早期的主要保護(hù)芯片，演變?yōu)樘嵘?a href="/hebeideji/7220046467963655464.html">算力和降低功耗。封裝的材料主要包括塑料、陶瓷、金屬等。
5G和AI技術(shù)驅(qū)動(dòng)了封裝技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)各廠商也有著對(duì)于高性能芯片的需求，從而推動(dòng)產(chǎn)生了許多實(shí)現(xiàn)高帶寬、高密度互連的封裝技術(shù)路線，包括英特爾推出的EMIB2.5D和Foveros 3D 封裝技術(shù)，臺(tái)積電推出的CoWoS、基于FOWLP的InFO以及3D SoIC封裝技術(shù)，華天科技自主研發(fā)的eSIFO技術(shù)等。
發(fā)展沿革
自從Intel公司1971年設(shè)計(jì)制造出4位微處理器芯片以來，20多年里，CPU從Intel 4004、80286、80386、80486發(fā)展到Pentium、PⅡ、PⅢ、P4，從4位、8位、16位、32位發(fā)展到64位；主頻從MHz發(fā)展到今天的GHz；CPU芯片里集成的晶體管數(shù)由2000多個(gè)躍升到千萬以上；半導(dǎo)體制造技術(shù)的規(guī)模由SSI、MSI、LSI、VLSI（超大規(guī)模集成電路）達(dá)到ULSI。封裝的輸入/輸出（I/O）引腳從幾十根，逐漸增加到幾百根，甚至可能達(dá)到2000根。這一切真是一個(gè)翻天覆地的變化。
對(duì)于CPU，大家已經(jīng)很熟悉了，286、386、486、Pentium、PⅡ、Celeron、K6、K6-2、Athlon……相信您可以如數(shù)家珍似地列出一長串。但談到CPU和其他大規(guī)模集成電路的封裝，知道的人未必很多。所謂封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁--芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)CPU和其他LSI(Large Scale Integration)集成電路都起著重要的作用，新一代CPU的出現(xiàn)常常伴隨著新的封裝形式的使用。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP，QFP，PGA，BGA，到CSP再到MCM，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好。引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等。
常見類型
雙列直插式
DIP(Dual Inline-pin Package）是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC）均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100個(gè)。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。
特點(diǎn)：
⒈適合在PCB（印刷電路板）上穿孔焊接，操作方便。
⒉封裝面積與芯片面積之間的比值較大，故體積也較大。
英特爾系列CPU中8088就采用這種封裝形式，CPU緩存（緩存）和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式。
組件封裝式
PQFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)模或超大型集成電路都采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)引腳的焊點(diǎn)。將芯片各腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與PQFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是PQFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。
特點(diǎn)：
⒈適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線。
⒉適合高頻使用。⒊操作方便，可靠性高。
⒋芯片面積與封裝面積之間的比值較小。
英特爾系列CPU中80286、80386和某些486主板采用這種封裝形式。
插針網(wǎng)格式
PGA(引腳 Grid Array Package）芯片封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。
ZIF(Zero Insertion Force Socket）是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就可很容易、輕松地插入插座中。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對(duì)不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。
特點(diǎn)：
⒈插拔操作更方便，可靠性高。
⒉可適應(yīng)更高的頻率。
Intel系列CPU中，80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。
球柵陣列式
隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，對(duì)集成電路的封裝要求更加嚴(yán)格。這是因?yàn)榉庋b技術(shù)關(guān)系到產(chǎn)品的功能性，當(dāng)IC的頻率超過100MHz時(shí)，傳統(tǒng)封裝方式可能會(huì)產(chǎn)生所謂的“CrossTalk（串?dāng)_）”現(xiàn)象，而且當(dāng)IC的引腳數(shù)大于208 Pin時(shí)，傳統(tǒng)的封裝方式有其困難度。因此，除使用PQFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片（如圖形芯片與芯片組等）皆轉(zhuǎn)而使用BGA(Ball Grid Array Package）封裝技術(shù)。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。
BGA封裝技術(shù)又可詳分為五大類
⒈PBGA（Plastic BGA）基板：一般為2-4層有機(jī)材料構(gòu)成的多層板。英特爾系列CPU中，Pentium Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處理器均采用這種封裝形式。
⒉CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式。Intel系列CPU中，Pentium I、Ⅱ、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。
⒊FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板。
⒋TBGA（TapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板。
⒌CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封裝中央有方型低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。
特點(diǎn)：
⒈I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠(yuǎn)大于QFP封裝方式，提高了成品率。
⒉雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能。
⒊信號(hào)傳輸延遲小，適應(yīng)頻率大大提高。
⒋組裝可用共面焊接，可靠性大大提高。
BGA封裝方式經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。1987年，***西鐵城（Citizen）公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片（即BGA）。而后，摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發(fā)BGA的行列。1993年，摩托羅拉率先將BGA應(yīng)用于移動(dòng)電話。同年，康柏電腦也在工作站、PC電腦上加以應(yīng)用。直到五六年前，英特爾公司在電腦CPU中（即奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ、奔騰Ⅳ等），以及芯片組（如i850）中開始使用BGA，這對(duì)BGA應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展發(fā)揮了推波助瀾的作用。BGA已成為極其熱門的IC封裝技術(shù)，其全球市場規(guī)模在2000年為12億塊，預(yù)計(jì)2005年市場需求將比2000年有70%以上幅度的增長。
芯片尺寸式
隨著全球電子產(chǎn)品個(gè)性化、輕巧化的需求蔚為風(fēng)潮，封裝技術(shù)已進(jìn)步到CSP(晶片 Size Package）。它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒（Die）大不超過1.4倍。
CSP封裝又可分為四類
⒈Lead Frame Type（傳統(tǒng)導(dǎo)線架形式），代表廠商有富士通株式會(huì)社、日立制作所、Rohm、高士達(dá)（Goldstar）等等。
⒉Rigid Interposer Type（硬質(zhì)內(nèi)插板型），代表廠商有摩托羅拉、索尼、東芝、松下電器等等。
⒊Flexible Interposer Type（軟質(zhì)內(nèi)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。其他代表廠商包括通用電氣（GE）和日本電氣。
⒋Wafer Level Package（晶圓尺寸封裝）：有別于傳統(tǒng)的單一芯片封裝方式，WLCSP是將整片晶圓切割為一顆顆的單一芯片，它號(hào)稱是封裝技術(shù)的未來主流，已投入研發(fā)的廠商包括FCT、Aptos、卡西歐手表、EPIC、富士通株式會(huì)社、三菱電子等。
特點(diǎn)：
⒈滿足了芯片I/O引腳不斷增加的需要。
⒉芯片面積與封裝面積之間的比值很小。
⒊極大地縮短延遲時(shí)間。
CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應(yīng)用在3C產(chǎn)品（IA）、數(shù)字電視（DTV）、電子書（E-Book）、無線網(wǎng)絡(luò)WLAN/GigabitEthemet、adsl/手機(jī)芯片、藍(lán)牙（Bluetooth）等新興產(chǎn)品中。
多芯片模塊式
為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個(gè)高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成多種多樣的電子模塊系統(tǒng)，從而出現(xiàn)MCM(Multi 晶片 模組）多芯片模塊系統(tǒng)。
特點(diǎn)：
⒈封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)模塊高速化。
⒉縮小整機(jī)/模塊的封裝尺寸和重量。
⒊系統(tǒng)可靠性大大提高。
分類方法
封裝材料
塑料、陶瓷、玻璃、金屬等，
封裝形式
普通雙列直插式，普通單列直插式，小型雙列扁平，小型四列扁平，圓形金屬，體積較大的厚膜電路等。
封裝體積
最大為厚膜電路，其次分別為雙列直插式，單列直插式，金屬封裝、雙列扁平、四列扁平為最小。
引腳間距
普通標(biāo)準(zhǔn)型塑料封裝，雙列、單列直插式一般多為2.54±0.25 mm，其次有2mm（多見于單列直插式）、1.778±0.25mm（多見于縮型雙列直插式）、1.5±0.25mm，或1.27±0.25mm(多見于單列附散熱片或單列V型)、1.27±0.25mm(多見于雙列扁平封裝)、1±0.15mm(多見于雙列或四列扁平封裝)、0.8±0.05～0.15mm(多見于四列扁平封裝)、0.65±0.03mm(多見于四列扁平封裝)。
引腳寬度
雙列直插式封轉(zhuǎn)一般有7.4～7.62mm、10.16mm、12.7mm、15.24mm等數(shù)種。
雙列扁平封裝（包括引線長度）一般有6～6.5±m(xù)m、7.6mm、10.5～10.65mm等。
四列扁平封裝（40引腳以上的長×寬）一般有10×10mm(不計(jì)引線長度)、13.6×13.6±0.4mm(包括引線長度)、20.6×20.6±0.4mm(包括引線長度)、8.45×8.45±0.5mm(不計(jì)引線長度)、14×14±0.15mm（不計(jì)引線長度）等。
封裝步驟
板上芯片（ChipOnBoard,COB)工藝過程首先是在基底表面用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂(一般用摻銀顆粒的環(huán)氧樹脂)覆蓋硅片安放點(diǎn)。然后將硅片直接安放在基底表面，熱處理至硅片牢固地固定在基底為止，隨后再用絲焊的方法在硅片和基底之間直接建立電氣連接。
裸芯片技術(shù)主要有兩種形式：一種是COB技術(shù)，另一種是倒裝片技術(shù)（FlipChip）。板上芯片封裝（COB），半導(dǎo)體芯片交接貼裝在PCB接線端子上，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)，并用樹脂覆蓋以確保可靠性。雖然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)。
焊接方法
（1）熱壓焊
利用加熱和加壓力使金屬絲與焊區(qū)壓焊在一起。其原理是通過加熱和加壓力，使焊區(qū)（如Al）發(fā)生塑性形變同時(shí)破壞壓焊界面上的氧化層。從而使原子間產(chǎn)生吸引力達(dá)到“鍵合”的目的，此外，兩金屬界面不平整加熱加壓時(shí)可使上下的金屬相互鑲嵌。此技術(shù)一般用為玻璃板上芯片COG。
（2）超聲焊
超聲焊是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的能量，通過拾振器在超高頻的磁場感應(yīng)下，迅速伸縮產(chǎn)生彈性振動(dòng)，使劈刀相應(yīng)振動(dòng)，同時(shí)在劈刀上施加一定的壓力，于是劈刀在這兩種力的共同作用下，帶動(dòng)AI絲在被焊區(qū)的金屬化層如（AI膜）表面迅速摩擦，使AI絲和AI膜表面產(chǎn)生塑性變形，這種形變也破壞了AI層界面的氧化層，使兩個(gè)純凈的金屬表面緊密接觸達(dá)到原子間的結(jié)合，從而形成焊接。主要焊接材料為鋁線焊頭，一般為楔形。
（3）金絲焊
球焊在引線鍵合中是最具代表性的焊接技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)在的半導(dǎo)體封裝二、三極管封裝都采用AU線球焊。而且它操作方便、靈活、焊點(diǎn)牢固（直徑為25UM的AU絲的焊接強(qiáng)度一般為0.07～0.09N/點(diǎn)），又無方向性，焊接速度可高達(dá)15點(diǎn)/秒以上。金絲焊也叫熱（壓）（超）聲焊主要鍵合材料為金（AU）線焊頭為球形故為球焊。
COB封裝流程
第一步：擴(kuò)晶。采用擴(kuò)張機(jī)將廠商提供的整張LED晶片薄膜均勻擴(kuò)張，使附著在薄膜表面緊密排列的LED晶粒拉開，便于刺晶。第二步：背膠。將擴(kuò)好晶的擴(kuò)晶環(huán)放在已刮好銀漿層的背膠機(jī)面上，背上銀漿。點(diǎn)銀漿。適用于散裝LED芯片。采用點(diǎn)膠機(jī)將適量的銀漿點(diǎn)在PCB印刷線路板上。第三步：將備好銀漿的擴(kuò)晶環(huán)放入刺晶架中，由操作員在顯微鏡下將LED晶片用刺晶筆刺在PCB印刷線路板上。第四步：將刺好晶的PCB印刷線路板放入熱循環(huán)烘箱中恒溫靜置一段時(shí)間，待銀漿固化后取出(不可久置，不然LED芯片鍍層會(huì)烤黃，即氧化，給邦定造成困難)。如果有LED芯片邦定，則需要以上幾個(gè)步驟；如果只有IC芯片邦定則取消以上步驟。第五步：粘芯片。用點(diǎn)膠機(jī)在PCB印刷線路板的IC位置上適量的紅膠(或黑膠)，再用防靜電設(shè)備(真空吸筆或子)將IC裸片正確放在紅膠或黑膠上。第六步：烘干。將粘好裸片放入熱循環(huán)烘箱中放在大平面加熱板上恒溫靜置一段時(shí)間，也可以自然固化(時(shí)間較長)。第七步：邦定(打線)。采用鋁絲焊線機(jī)將晶片(LED晶粒或IC芯片)與PCB板上對(duì)應(yīng)的焊盤鋁絲進(jìn)行橋接，即COB的內(nèi)引線焊接。第八步：前測。使用專用檢測工具(按不同用途的COB有不同的設(shè)備，簡單的就是高精密度穩(wěn)壓電源)檢測COB板，將不合格的板子重新返修。第九步：點(diǎn)膠。采用點(diǎn)膠機(jī)將調(diào)配好的AB膠適量地點(diǎn)到邦定好的LED晶粒上，IC則用黑膠封裝，然后根據(jù)客戶要求進(jìn)行外觀封裝。第十步：固化。將封好膠的PCB印刷線路板放入熱循環(huán)烘箱中恒溫靜置，根據(jù)要求可設(shè)定不同的烘干時(shí)間。第十一步：后測。將封裝好的PCB印刷線路板再用專用的檢測工具進(jìn)行電氣性能測試，區(qū)分好壞優(yōu)劣。
與其它封裝技術(shù)相比，COB技術(shù)價(jià)格低廉（僅為同芯片的1/3左右）、節(jié)約空間、工藝成熟。但任何新技術(shù)在剛出現(xiàn)時(shí)都不可能十全十美，COB技術(shù)也存在著需要另配焊接機(jī)及封裝機(jī)、有時(shí)速度跟不上以及PCB貼片對(duì)環(huán)境要求更為嚴(yán)格和無法維修等缺點(diǎn)。
某些板上芯片(CoB)的布局可以改善IC信號(hào)性能，因?yàn)樗鼈內(nèi)サ袅舜蟛糠只蛉糠庋b，也就是去掉了大部分或全部寄生器件。然而，伴隨著這些技術(shù)，可能存在一些性能問題。在所有這些設(shè)計(jì)中，由于有引線框架片或BGA標(biāo)志，襯底可能不會(huì)很好地連接到VCC或地。可能存在的問題包括熱膨脹系數(shù)(CTE)問題以及不良的襯底連接。
倒裝芯片的發(fā)展
30多年前，“倒裝芯片”問世。當(dāng)時(shí)為其冠名為“C4”，即“可控熔塌芯片互連”技術(shù)。該技術(shù)首先采用銅，然后在芯片與基板之間制作高鉛焊球。銅或高鉛焊球與基板之間的連接通過易熔焊料來實(shí)現(xiàn)。此后不久出現(xiàn)了適用于汽車市場的“封帽上的柔性材料(FOC)”；還有人采用Sn封帽，即蒸發(fā)擴(kuò)展易熔面或E3工藝對(duì)C4工藝做了進(jìn)一步的改進(jìn)。C4工藝盡管實(shí)現(xiàn)起來比較昂貴(包括許可證費(fèi)用與設(shè)備的費(fèi)用等)，但它還是為封裝技術(shù)提供了許多性能與成本優(yōu)勢。與引線鍵合工藝不同的是，倒裝芯片可以批量完成，因此還是比較劃算。
由于新型封裝技術(shù)和工藝不斷以驚人的速度涌現(xiàn)，因此完成具有數(shù)千個(gè)凸點(diǎn)的芯片設(shè)計(jì)目前已不存在大的技術(shù)障礙小封裝技術(shù)工程師可以運(yùn)用新型模擬軟件輕易地完成各種電、熱、機(jī)械與數(shù)學(xué)模擬。此外，以前一些世界知名公司專為內(nèi)部使用而設(shè)計(jì)的專用工具目前已得到廣泛應(yīng)用。為此設(shè)計(jì)人員完全可以利用這些新工具和新工藝最大限度地提高設(shè)計(jì)性，最大限度地縮短面市的時(shí)間。
無論人們對(duì)此抱何種態(tài)度，倒裝芯片已經(jīng)開始了一場工藝和封裝技術(shù)革命，而且由于新材料和新工具的不斷涌現(xiàn)使倒裝芯片技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展以后仍能處于不斷的變革之中。為了滿足組裝工藝和芯片設(shè)計(jì)不斷變化的需求，基片技術(shù)領(lǐng)域正在開發(fā)新的基板技術(shù)，模擬和設(shè)計(jì)軟件也不斷更新升級(jí)。因此，如何平衡用最新技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的愿望與以何種適當(dāng)款式投放產(chǎn)品之間的矛盾就成為一項(xiàng)必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。由于受互連網(wǎng)帶寬不斷變化以及下面列舉的一些其它因素的影響，許多設(shè)計(jì)人員和公司不得不轉(zhuǎn)向倒裝芯片技術(shù)。
其它因素包括：
①減小信號(hào)電感——40Gbps(與基板的設(shè)計(jì)有關(guān))；②降低電源/接地電感；③提高信號(hào)的完整性；④最佳的熱、電性能和最高的可靠性；⑤減少封裝的引腳數(shù)量；⑥超出引線鍵合能力，外圍或整個(gè)面陣設(shè)計(jì)的高凸點(diǎn)數(shù)量；⑦當(dāng)節(jié)距接近200μm設(shè)計(jì)時(shí)允許；S片縮小(受焊點(diǎn)限制的芯片)；⑧允許BOAC設(shè)計(jì)，即在有源電路上進(jìn)行凸點(diǎn)設(shè)計(jì)。
參考資料 >
創(chuàng)新“接軌”芯片，80后樂清海歸小伙回鄉(xiāng)開疆辟土.今日頭條.2023-11-30