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形式

半導(dǎo)體器件有許多封裝形式,按封裝的外形、尺寸、結(jié)構(gòu)分類可分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝三類。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)�？傮w說來,半導(dǎo)體封裝經(jīng)歷了三次重大革新:第一次是在上世紀(jì)80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在上世紀(jì)90年代球型矩陣封裝的出現(xiàn),滿足了市場對高引腳的需求,改善了半導(dǎo)體器件的性能;芯片級封裝、系統(tǒng)封裝等是第三次革新的產(chǎn)物,其目的就是將封裝面積減到最小。

幾年之前封裝本體面積與芯片面積之比通常都是幾倍到幾十倍,但近幾年來有些公司在BGA、TSOP的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而使得封裝本體面積與芯片面積之比逐步減小到接近1的水平,所以就在原來的封裝名稱下冠以芯片級封裝以用來區(qū)別以前的封裝。

人們對芯片級封裝還沒有一個統(tǒng)一的定義,有的公司將封裝本體面積與芯片面積之比小于2的定為CSP,而有的公司將封裝本體面積與芯片面積之比小于1.4或1.2的定為CSP。開發(fā)應(yīng)用最為廣泛的是FBGA和QFN等,主要用于內(nèi)存和邏輯器件。CSP的引腳數(shù)還不可能太多,從幾十到一百多。這種高密度、小巧、扁薄的封裝非常適用于設(shè)計(jì)小巧的掌上型消費(fèi)類電子裝置。

CSP封裝具有以下特點(diǎn):解決了IC裸芯片不能進(jìn)行交流參數(shù)測試和老化篩選的問題;封裝面積縮小到BGA的1/4至1/10;延遲時(shí)間縮到極短;CSP封裝的內(nèi)存顆粒不僅可以通過PCB板散熱,還可以從背面散熱,且散熱效率良好。就封裝形式而言,它屬于已有封裝形式的派生品,因此可直接按照現(xiàn)有封裝形式分為四類:框架封裝形式、硬質(zhì)基板封裝形式、軟質(zhì)基板封裝形式和芯片級封裝。

多芯片模塊MCM

20世紀(jì)80年代初發(fā)源于美國,為解決單一芯片封裝集成度低和功能不夠完善的問題,把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多層互聯(lián)基板上組成多種多樣的電子模塊系統(tǒng),從而出現(xiàn)多芯片模塊系統(tǒng)。它是把多塊裸露的ic芯片安裝在一塊多層高密度互連襯底上,并組裝在同一個封裝中。它和CSP封裝一樣屬于已有封裝形式的派生品。

多芯片模塊具有以下特點(diǎn):封裝密度更高,電性能更好,與等效的單芯片封裝相比體積更小。如果采用傳統(tǒng)的單個芯片封裝的形式分別焊接在印刷電路板上,則芯片之間布線引起的信號傳輸延遲就顯得非常嚴(yán)重,尤其是在高頻電路中,而此封裝最大的優(yōu)點(diǎn)就是縮短芯片之間的布線長度,從而達(dá)到縮短延遲時(shí)間、易于實(shí)現(xiàn)模塊高速化的目的。

WLCSP

此封裝不同于傳統(tǒng)的先切割晶圓,再組裝測試的做法,而是先在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測試,然后再切割。它有著更明顯的優(yōu)勢:首先是工藝大大優(yōu)化,晶圓直接進(jìn)入封裝工序,而傳統(tǒng)工藝在封裝之前還要對晶圓進(jìn)行切割、分類;所有集成電路一次封裝,刻印工作直接在晶圓上進(jìn)行,設(shè)備測試一次完成,有別于傳統(tǒng)組裝工藝;生產(chǎn)周期和成本大幅下降,芯片所需引腳數(shù)減少,提高了集成度;引腳產(chǎn)生的電磁干擾幾乎被消除,采用此封裝的內(nèi)存可以支持到800MHz的頻率,最大容量可達(dá)1GB,所以它號稱是未來封裝的主流。它的不足之處是芯片得不到足夠的保護(hù)。

Single-ended

此封裝形式的特點(diǎn)是引腳全部在一邊,而且引腳的數(shù)量通常比較少。它又可分為:導(dǎo)熱型,像常用的功率三極管,只有三個引腳排成一排,其上面有一個大的散熱片;COF是將芯片直接粘貼在柔性線路板上(現(xiàn)有的用Flip-Chip技術(shù)),再經(jīng)過塑料包封而成,它的特點(diǎn)是輕而且很薄,所以當(dāng)前被廣泛用在液晶顯示器(LCD)上,以滿足LCD分辨率增加的需要。其缺點(diǎn)一是Film的價(jià)格很貴,二是貼片機(jī)的價(jià)格也很貴。

Dual

此封裝形式的特點(diǎn)是引腳全部在兩邊,而且引腳的數(shù)量不算多。它的封裝形式比較多,又可細(xì)分為SOT、SOP、SOJ、SSOP、HSOP及其他。

SOT系列主要有SOT-23、SOT-223、SOT25、SOT-26、SOT323、SOT-89等。當(dāng)電子產(chǎn)品尺寸不斷縮小時(shí),其內(nèi)部使用的半導(dǎo)體器件也必須變小,更小的半導(dǎo)體器件使得電子產(chǎn)品能夠更小、更輕、更便攜,相同尺寸包含的功能更多。SOT封裝既大大降低了高度,又顯著減小了PCB占用空間。

小尺寸貼片封裝SOP

飛利浦公司在上世紀(jì)70年代就開發(fā)出小尺寸貼片封裝SOP,以后逐漸派生出SOJ(J型引腳小外形封裝)、TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等。SOP引腳數(shù)在幾十個之內(nèi)。

薄型小尺寸封裝TSOP

它與SOP的最大區(qū)別在于其厚度很薄,只有1mm,是SOJ的1/3;由于外觀輕薄且小,適合高頻使用。它以較強(qiáng)的可操作性和較高的可靠性征服了業(yè)界,大部分的SDRAM內(nèi)存芯片都是采用此TSOP封裝方式。TSOP內(nèi)存封裝的外形呈長方形,且封裝芯片的周圍都有I/O引腳。在TSOP封裝方式中,內(nèi)存顆粒是通過芯片引腳焊在PCB板上的,焊點(diǎn)和PCB板的接觸面積較小,使得芯片向PCB板傳熱相對困難。而且TSOP封裝方式的內(nèi)存在超過150MHz后,會有很大的信號干擾和電磁干擾。

J形引腳小尺寸封裝SOJ

引腳從封裝主體兩側(cè)引出向下呈J字形,直接粘著在印刷電路板的表面,通常為塑料制品,多數(shù)用于DRAM和SRAM等內(nèi)存LSI電路,但絕大部分是DRAM。用SOJ封裝的DRAM器件很多都裝配在SIMM上。引腳中心距1.27mm,引腳數(shù)從20至40不等。

四邊引腳扁平封裝QFP

QFP是由SOP發(fā)展而來,其外形呈扁平狀,引腳從四個側(cè)面引出,呈海鷗翼(L)型,鳥翼形引腳端子的一端由封裝本體引出,而另一端沿四邊布置在同一平面上。它在印刷電路板(PWB)上不是靠引腳插入PWB的通孔中,所以不必在主板上打孔,而是采用SMT方式即通過焊料等貼附在PWB上,一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn),將封裝各腳對準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn),即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。

因此,PWB兩面可以形成不同的電路,采用整體回流焊等方式可使兩面上搭載的全部元器件一次鍵合完成,便于自動化操作,實(shí)裝的可靠性也有保證。這是最普遍采用的封裝形式。

此種封裝引腳之間距離很小、管腳很細(xì),一般大規(guī)�；虺�大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式。其引腳數(shù)一般從幾十到幾百,而且其封裝外形尺寸較小、寄生參數(shù)減小、適合高頻應(yīng)用。該封裝主要適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線。

但是由于QFP的引線端子在四周布置,且伸出PKG之外,若引線間距過窄,引線過細(xì),則端子難免在制造及實(shí)裝過程中發(fā)生變形。當(dāng)端子數(shù)超過幾百個,端子間距等于或小于0.3mm時(shí),要精確地搭載在電路圖形上,并與其他電路組件一起采用再流焊一次完成實(shí)裝,難度極大,致使價(jià)格劇增,而且還存在可靠性及成品率方面的問題。

采用J字型引線端子的PLCC等可以緩解一些矛盾,但不能從根本上解決QFP的上述問題。由QFP衍生出來的封裝形式還有LCCC、PLCC以及TAB等。

此封裝的基材有陶瓷、金屬和塑料三種。從數(shù)量上看,塑料封裝占絕大部分,當(dāng)沒有特別表示出材料時(shí),多數(shù)情況為塑料QFP。塑料QFP是最普及的多引腳LSI封裝。QFP封裝的缺點(diǎn)是:當(dāng)引腳中心距小于0.65mm時(shí),引腳容易彎曲。為了防止引腳變形,現(xiàn)已出現(xiàn)了幾種改進(jìn)的QFP品種。

塑料四邊引腳扁平封裝PQFP

芯片的四周均有引腳,其引腳數(shù)一般都在100以上,而且引腳之間距離很小,管腳也很細(xì),一般大規(guī)�；虺�大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式。用這種形式封裝的芯片,必須采用表面安裝設(shè)備技術(shù)(SMT)將芯片邊上的引腳與主板焊接起來。PQFP封裝適用于SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線,適合高頻使用,它具有操作方便、可靠性高、芯片面積與封裝面積比值較小等優(yōu)點(diǎn)。

帶引腳的塑料芯片載體PLCC。它與LCC相似,只是引腳從封裝的四個側(cè)面引出,呈丁字形,是塑料制品。引腳中心距1.27mm,引腳數(shù)從18到84。J形引腳不易變形,比QFP容易操作,但焊接后的外觀檢查較為困難。它與LCC封裝的區(qū)別僅在于前者用塑料,后者用陶瓷,但已經(jīng)出現(xiàn)用陶瓷制作的J形引腳封裝和用塑料制作的無引腳封裝。

無引腳芯片載體LCC或四側(cè)無引腳扁平封裝QFN。指陶瓷基板的四個側(cè)面只有電極接觸而無引腳的表面貼裝型封裝。由于無引腳,貼裝占有面積比QFP小,高度比QFP低,它是高速和高頻IC用封裝。但是,當(dāng)印刷基板與封裝之間產(chǎn)生應(yīng)力時(shí),在電極接觸處就不能得到緩解,因此電極觸點(diǎn)難于做到QFP的引腳那樣多,一般從14到100左右。材料有陶瓷和塑料兩種,當(dāng)有LCC標(biāo)記時(shí)基本上都是陶瓷QFN,塑料QFN是以玻璃環(huán)氧樹脂為基板基材的一種低成本封裝。

球型矩陣封裝BGA

BGA封裝經(jīng)過十幾年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段,已成為最熱門的封裝。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,對集成電路的封裝要求越來越嚴(yán)格。這是因?yàn)榉庋b關(guān)系到產(chǎn)品的性能,當(dāng)IC的頻率超過100MHz時(shí),傳統(tǒng)封裝方式可能會產(chǎn)生所謂的交調(diào)噪聲"Cross-Talk Noise"現(xiàn)象,而且當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208腳時(shí),傳統(tǒng)的封裝方式有其難度。因此,除使用QFP封裝方式外,現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片皆轉(zhuǎn)而使用BGA封裝。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、高引腳數(shù)封裝的最佳選擇。BGA封裝的器件絕大多數(shù)用于手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、微機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、PAD和各類平板顯示器等高檔消費(fèi)市場。

BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)有:1.輸入輸出引腳數(shù)大大增加,而且引腳間距遠(yuǎn)大于QFP,加上它有與電路圖形的自動對準(zhǔn)功能,從而提高了組裝成品率;2.雖然它的功耗增加,但能用可控塌陷芯片法焊接,它的電熱性能從而得到了改善,對于集成度很高和功耗很大的芯片,采用陶瓷基板,并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱,從而可達(dá)到電路的穩(wěn)定可靠工作;3.封裝本體厚度比普通QFP減少1/2以上,重量減輕3/4以上;4.寄生參數(shù)減小,信號傳輸延遲小,使用頻率大大提高;5.組裝可用共面焊接,可靠性高。

BGA封裝的不足之處:BGA封裝仍與QFP、PGA一樣,占用基板面積過大;塑料BGA封裝的翹曲問題是其主要缺陷,即錫球的共面性問題。共面性的標(biāo)準(zhǔn)是為了減小翹曲,提高BGA封裝的特性,應(yīng)研究塑料、粘片膠和基板材料,并使這些材料最佳化。同時(shí)由于基板的成本高,而使其價(jià)格很高。

小型球型矩陣封裝Tiny-BGA

它與BGA封裝的區(qū)別在于它減少了芯片的面積,可以看成是超小型的BGA封裝,但它與BGA封裝比卻有三大進(jìn)步:由于封裝本體減小,可以提高印刷電路板的組裝密集度;芯片與基板連接的路徑更短,減小了電磁干擾的噪音,能適合更高的工作頻率;具有更好的散熱性能。

微型球型矩陣封裝mBGA。它是BGA的改進(jìn)版,封裝本體呈正方形,占用面積更小、連接短、電氣性能好、不易受干擾,所以這種封裝會帶來更好的散熱及超頻性能,但制造成本極高。

引腳在一端的封裝形式大概又可分為三極管的封裝形式和單列直插封裝形式。

典型的三極管引腳插入式封裝形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是信號放大和電源穩(wěn)壓。

單列直插式封裝SIP

引腳只從封裝的一個側(cè)面引出,排列成一條直線,引腳中心距通常為2.54mm,引腳數(shù)最多為二三十,當(dāng)裝配到印刷基板上時(shí)封裝呈側(cè)立狀。其吸引人之處在于只占據(jù)很少的電路板面積,然而在某些體系中,封閉式的電路板限制了SIP封裝的高度和應(yīng)用,加上沒有足夠的引腳,性能不能令人滿意。多數(shù)為定制產(chǎn)品,它的封裝形狀還有ZIP和SIPH。

引腳在兩端的封裝形式大概又可分為雙列直插式封裝、Z形雙列直插式封裝和收縮型雙列直插式封裝等。

雙列直插式封裝DIP

絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路均采用這種封裝形式,其引腳數(shù)一般不超過100。DIP封裝的芯片有兩排引腳,分布于兩側(cè),且呈直線平行布置,引腳間距為2.54mm,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。此封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心,以免損壞管腳。它的封裝結(jié)構(gòu)形式有:多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP等。此封裝具有以下特點(diǎn):

1、適合在印刷電路板(PCB)上穿孔焊接,操作方便。
2、芯片面積與封裝面積之間的比值較大,故體積也較大。
3、除其外形尺寸及引腳數(shù)之外,并無其他特殊要求。帶散熱片的雙列直插式封裝DIPH主要是為功耗大于2W的器件增加的。

Z形雙列直插式封裝ZIP

它與DIP并無實(shí)質(zhì)區(qū)別,只是引腳呈Z狀排列,其目的是為了增加引腳的數(shù)量,而引腳的間距仍為2.54mm。陶瓷Z形雙列直插式封裝CZIP與ZIP外形一樣,只是用陶瓷材料封裝。

收縮型雙列直插式封裝SKDIP。形狀與DIP相同,但引腳中心距為1.778mm小于DIP(2.54mm),引腳數(shù)一般不超過100,材料有陶瓷和塑料兩種。

引腳矩陣封裝PGA

它是在DIP的基礎(chǔ)上,為適應(yīng)高速度、多引腳化(提高組裝密度)而出現(xiàn)的。此封裝其引腳不是單排或雙排,而是在整個平面呈矩陣排布,在芯片的內(nèi)外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列,與DIP相比,在不增加引腳間距的情況下,可以按近似平方的關(guān)系提高引腳數(shù)。根據(jù)引腳數(shù)目的多少,可以圍成2圈-5圈,其引腳的間距為2.54mm,引腳數(shù)量從幾十到幾百。

PGA封裝具有以下特點(diǎn):

1、插拔操作更方便,可靠性高;
2、可適應(yīng)更高的頻率;
3、如采用導(dǎo)熱性良好的陶瓷基板,還可適應(yīng)高速度、大功率器件要求;
4、由于此封裝具有向外伸出的引腳,一般采用插入式安裝而不宜采用表面安裝;
5、如用陶瓷基板,價(jià)格又相對較高,因此多用于較為特殊的用途。它又分為陳列引腳型和表面貼裝型兩種。

陳列引腳型PGA

是插裝型封裝,其底面的垂直引腳呈陳列狀排列。封裝材料基本上都采用多層陶瓷基板(在未專門表示出材料名稱的情況下,多數(shù)為陶瓷PGA),用于高速大規(guī)模邏輯LSI電路,成本較高。引腳中心距通常為2.54mm,引腳數(shù)從幾十到500左右,引腳長約3.4mm。為了降低成本,封裝基材可用玻璃環(huán)氧樹脂印刷基板代替,也有64~256引腳的塑料PGA。

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�腳中心距只有1.27mm,比插裝型PGA小一半,所以封裝本體可制作小一些,而引腳數(shù)比插裝型多(250~528),是大規(guī)模邏輯LSI用的封裝形式。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的封裝已經(jīng)實(shí)用化。

有機(jī)管引腳矩陣式封裝OPGA。這種封裝的基底使用的是玻璃纖維,類似印刷電路板上的材料。此種封裝方式可以降低阻抗和封裝成本。

金屬封裝

由于該種封裝尺寸嚴(yán)格、精度高、金屬零件便于大量生產(chǎn),故其價(jià)格低、性能優(yōu)良、封裝工藝容易靈活,被廣泛應(yīng)用于晶體管和混合集成電路如振蕩器、放大器、交直流轉(zhuǎn)換器、濾波器、繼電器等等產(chǎn)品上,許多微型封裝及多芯片模塊(MCM)也采用此金屬封裝。

陶瓷封裝

陶瓷封裝的許多用途具有不可替代的功能,特別是集成電路組件工作頻率的提高,信號傳送速度的加快和芯片功耗的增加,需要選擇低電阻率的布線導(dǎo)體材料及低介電常數(shù)、高導(dǎo)電率的絕緣材料等。

金屬-陶瓷封裝

它是以傳統(tǒng)多層陶瓷工藝為基礎(chǔ),以金屬和陶瓷材料為框架而發(fā)展起來的。最大特征是高頻特性好、噪音低而被用于微波功率器件。金屬-陶瓷封裝的種類有分立器件封裝,包括同軸型和帶線型;單片微波集成電路(MMIC)封裝,包括載體型、多層陶瓷型和金屬框架-陶瓷絕緣型。

塑料封裝

塑料封裝由于其成本低廉、工藝簡單,并適于大批量生產(chǎn),因而具有極強(qiáng)的生命力,自誕生起發(fā)展得越來越快,在封裝中所占的份額越來越大。塑料封裝在全世界范圍內(nèi)占集成電路市場的95%以上。塑料封裝的種類有分立器件封裝,包括A型和F型;集成電路封裝包括SOP、DIP、QFP和BGA等等。