集成電路封裝簡介

　　集成電路封裝：在電子學金字塔中的位置既是金字塔的尖頂又是金字塔的基座。說它同時處在這兩種位置都有很充分的根據。從電子元器件（如晶體管）的密度這個角度上來說，IC代表了電子學的尖端。但是IC又是一個起始點，是一種基本結構單元，是組成我們生活中大多數電子系統(tǒng)的基礎。同樣，IC不僅僅是單塊芯片或者基本電子結構，IC的種類千差萬別（模擬電路、數字電路、射頻電路、傳感器等），因而對于封裝的需求和要求也各不相同。本文對IC封裝技術做了全面的回顧，以粗線條的方式介紹了制造這些不可缺少的封裝結構時用到的各種材料和工藝。

　　集成電路封裝不僅起到集成電路芯片內鍵合點與外部進行電氣連接的作用，也為集成電路芯片提供了一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對集成電路芯片起到機械或環(huán)境保護的作用，從而集成電路芯片能夠發(fā)揮正常的功能，并保證其具有高穩(wěn)定性和可靠性。總之，集成電路封裝質量的好壞，對集成電路總體的性能優(yōu)劣關系很大。因此，封裝應具有較強的機械性能、良好的電氣性能、散熱性能和化學穩(wěn)定性。

　　雖然IC的物理結構、應用領域、I/O數量差異很大，但是IC封裝的作用和功能卻差別不大，封裝的目的也相當的一致。作為“芯片的保護者”，封裝起到了好幾個作用，歸納起來主要有兩個根本的功能：

　　（1）保護芯片，使其免受物理損傷；

　　（2）重新分布I/O，獲得更易于在裝配中處理的引腳節(jié)距。封裝還有其他一些次要的作用，比如提供一種更易于標準化的結構，為芯片提供散熱通路，使芯片避免產生α粒子造成的軟錯誤，以及提供一種更方便于測試和老化試驗的結構。封裝還能用于多個IC的互連。可以使用引線鍵合技術等標準的互連技術來直接進行互連。或者也可用封裝提供的互連通路，如混合封裝技術、多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級封裝（SiP）以及更廣泛的系統(tǒng)體積小型化和互連（VSMI）概念所包含的其他方法中使用的互連通路，來間接地進行互連。

　　隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）器件和片上實驗室（lab-on-chip）器件的不斷發(fā)展，封裝起到了更多的作用：如限制芯片與外界的接觸、滿足壓差的要求以及滿足化學和大氣環(huán)境的要求。人們還日益關注并積極投身于光電子封裝的研究，以滿足這一重要領域不斷發(fā)展的要求。最近幾年人們對IC封裝的重要性和不斷增加的功能的看法發(fā)生了很大的轉變，IC封裝已經成為了和IC本身一樣重要的一個領域。這是因為在很多情況下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們越來越注重發(fā)展IC封裝技術以迎接新的挑戰(zhàn)。

　　發(fā)展現(xiàn)狀

　　在產業(yè)規(guī)模快速增長的同時，IC 設計、芯片制造和封裝測試三業(yè)的格局也正不斷優(yōu)化。2010年，國內IC設計業(yè)同比增速達到34.8%，規(guī)模達到363.85億元;芯片制造業(yè)增速也達到31.1%，規(guī)模達到447.12億元;封裝測試業(yè)增速相對稍緩，同比增幅為26.3%，規(guī)模為629.18億元。

　　總體來看，IC設計業(yè)與芯片制造業(yè)所占比重呈逐年上升的趨勢，2010年已分別達到25.3%和31%;封裝測試業(yè)所占比重則相應下降，2010年為43.7%，但其所占比重依然是最大的。

　　目前，中國集成電路產業(yè)集群已初步形成集聚長三角、環(huán)渤海和珠三角三大區(qū)域的總體產業(yè)空間格局，2010年三大區(qū)域集成電路產業(yè)銷售收入占全國整體產業(yè)規(guī)模的近95%。集成電路產業(yè)基本分布在省會城市和沿海的計劃單列市，并呈現(xiàn)“一軸一帶”的分布特征，即東起上海、西至成都的沿江發(fā)展軸以及北起大連、南至深圳的沿海產業(yè)帶，形成了北京、上海、深圳、無錫、蘇州和杭州六大重點城市。

　　去年年初，國務院發(fā)布了《國務院關于印發(fā)進一步鼓勵軟件產業(yè)和集成電路產業(yè)發(fā)展若干政策的通知》，從財稅、投融資、研發(fā)、進出口、人才、知識產權等方面給予集成電路產業(yè)諸多優(yōu)惠，政策覆蓋范圍從設計企業(yè)與生產企業(yè)延伸至封裝、測試、設備、材料等產業(yè)鏈上下游企業(yè)，產業(yè)發(fā)展政策環(huán)境進一步好轉。根據國家規(guī)劃，到2015年國內集成電路產業(yè)規(guī)模將在2010年的基礎上再翻一番，銷售收入超過3000億元，滿足國內30%的市場需求。芯片設計能力大幅提升，開發(fā)出一批具有自主知識產權的核心芯片，而封裝測試業(yè)進入國際主流領域。“十二五”期間，中國集成電路產業(yè)將步入一個新的黃金發(fā)展期。

　　國內集成電路產業(yè)在寬帶提速、家電下鄉(xiāng)等宏觀政策影響下好于全球市場。根據中國半導體行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2012年中國集成電路產業(yè)銷售額為2158.5億元，同比增長11.6%。

　　中國集成電路產業(yè)發(fā)展逐步形成了集成電路設計、集成電路制造和集成電路封裝測試三業(yè)并舉、協(xié)調發(fā)展的格局。2012年，中國集成電路設計業(yè)銷售額占比為28.8%、制造業(yè)銷售額占比為23.2%，封裝測試業(yè)銷售額占比為48.0%。

　　報告數據顯示，2012年國內集成電路產量為823.1億塊，同比增長14.4%。2012年中國集成電路產品進口金額為1920.6億美元，同比增長12.8%;2012年中國集成電路產品出口金額為534.3億美元，同比增長64.1%。

　　發(fā)展趨勢：

　　在較長一段時期內，集成電路封裝幾乎沒有多大變化，6～64根引線的扁平和雙列式封裝，基本上可以滿足所有集成電路的需要。對于較高功率的集成電路，則普遍采用金屬圓形和菱形封裝。但是隨著集成電路的迅速發(fā)展，多于64，甚至多達幾百條引線的集成電路愈來愈多。如日本40億次運算速度的巨型計算機用一塊ECL．復合電路，就采用了462條引線的PGA。過去的封裝形式不僅引線數已逐漸不能滿足需要，而且也因結構上的局限而往往影響器件的電性能。同時，整機制造也正在努力增加印制線路板的組裝密度、減小整機尺寸來提高整機性能，這也迫使集成電路去研制新的封裝結構，新的封裝材料來適應這一新的形勢。因此，集成電路封裝的發(fā)展趨勢大體有以下幾個方面：

　　1．表面安裝式封裝將成為集成電路封裝主流 集成電路的表面安裝結構是適應整機系統(tǒng)的需要而發(fā)展起來的，主要是因為電子設備的小型化和輕量化，要求組裝整機的電子元器件外形結構成為片式，使其能平貼在預先印有焊料膏的印制線路板焊盤上，通過再流焊工藝將其焊接牢固。這種作法不僅能夠縮小電子設備的體積，減輕重量，而且這些元器件的引線很短，可以提高組裝速度和產品性能，并使組裝能夠柔性自動化。

　　表面安裝式封裝一般指片式載體封裝、小外形雙列封裝和四面引出扁平封裝等形式，這類封裝的出現(xiàn)，無疑是集成電路封裝技術的一大進步。

　　2．集成電路封裝將具有更多引線、更小體積和更高封裝密度

　　隨著超大規(guī)模和特大規(guī)模集成電路的問世，集成電路芯片變得越來越大，其面積可達7mm×7mm，封裝引出端可在數百個以上，并要求高速度、超高頻、低功耗、抗輻照，這就要求封裝必須具有低應力、高純度、高導熱和小的引線電阻、分布電容和寄生電感，以適應更多引線、更小體積和更高封裝密度的要求。

　　要想縮小封裝體積，增加引線數量．唯一的辦法就是縮小封裝的引線間距。一個40線的雙列式封裝要比68線的H式載體封裝的表面積大20%，其主要區(qū)別就是引線目距由2.54mm改變自1.27mm或1.00cmm。不難想像，如果引線間距進而改變?yōu)?.80mm，O.65mm甚至0 50mm，則封裝的表面積還會太大地縮小。但是為了縮小引線間距，這勢必帶來了一系列新的目題，如印線精密制造就必須用光致腐蝕的蝕刻工藝來代替機械模具的沖制加工，并必須解決引線間距縮小所引起的引線間絕緣電阻的降低和分步電容的增大等各個方面研究課題。

　　集成電路芯片面積增大，通常其相應封裝面積也在加大，這就對熱耗散問題提出了新的挑戰(zhàn)。這個問題是一個綜臺性的，它不僅與芯片功率、封裝材料、封裝結構的表面積和最高結溫有關，還與環(huán)境溫度和冷玲方式等有關，這就必須在材料的選擇、結構的設計和冷卻的手段等方面作出新的努力。

　　3.塑料封裝仍然是集成自路的主要封裝形式

　　塑料模塑封裝具有成本低、工藝簡單和便于自動化生產等優(yōu)點，雖然在軍用集成電路標準中明文規(guī)定，封裝結構整體不得使用任何有機聚合物材料，但是在集成電路總量中，仍有85%以上采用塑料封裝。

　　塑料封裝與其他封裝相比，其缺點主要是它屬于非氣密或半氣密封裝，所以抗潮濕性能差，易受離子污染；同時熱穩(wěn)定性也不好，對電磁波不能屏蔽等，因而對于高可靠的集成電路不宜選用這種封裝形式。但是近幾年來，塑料封裝的模塑材料、引線框架和生產工藝已經不斷完善和改進，可靠性也已大大提高，相信在這個基礎上，所占封裝比例還會繼續(xù)增大。

　　4.直接粘結式封裝將取得更大發(fā)展

　　集成電路的封裝經過插入式、表面安裝式的變革以后，一種新的封裝結構—直接粘結式已經經過研制、試用達到了具有商品化的價值，并且取得了更大的發(fā)展，據國際上預測，直接粘結式封裝在集成電路中所占比重將從1990年的8%上升至2000年的22%，這一迅速上升的勢頭，說明了直接粘結式封裝的優(yōu)點和潛力。

　　所謂直接粘結式封裝就是將集成電路芯片直接粘結在印制線路板或覆有金屬引線的塑料薄膜的條帶上，通過倒裝壓焊等組裝工藝，然后用有機樹脂點滴形加以覆蓋。當前比較典型的封裝結構有芯片板式封裝（COB）、載帶自動焊接封裝（TAB）和倒裝芯片封轉（FLIPCHIP）等樹種，而其中COB封裝和TAB封裝已經大量使用于音樂、語音、鐘表程控和照相機快門等直接電路。

　　直接粘結式封裝其所以能夠迅速發(fā)展，最重要的因素是它能適用于多引線、小間距、低成本的大規(guī)模自動化或半自動化生產，并且簡化了封裝結構和組裝工藝。例如COB封裝不再使用過去的封裝所必需的金屬外引線；TAB封裝采用倒裝壓焊而不再使用組裝工藝必須的內引線鍵合。這樣，一方面減少了鍵合的工作量，另一方面因減少引線的壓焊點數而提高了集成電路的可靠性。

　　在中國COB封裝已經大量生產，而TAB封裝尚處于開發(fā)階段，相信在今后的集成電路中，這類封裝會占據一定的地位和取得更大的發(fā)展。

　　5. 功率集成電路封裝小型化已成為可能

　　功率集成電路的封裝結構，受封裝材料的導熱性能影響，造成封裝體積較大而與其他集成電路不相匹配，已成為人們關注的問題之一，而關鍵所在是如何采用新的封裝材料。

　　功率集成電路所用的封裝材料，不僅要求其導熱性能好，而且也要求線膨脹系數低，并具備良好的電氣性能和機械性能。隨著科學的進步，一些新的材料已經開始應用到集成電路方面來，如導熱性能接近氧化鈹（BeO）線膨脹系數接近硅（Si）的新陶瓷材料—氮化鋁（AlN），將成為功率集成電路封裝結構的主體材料，從而大大地縮小了體積和改善了電路的性能，相信將來還會有更多的新材料參與到這一領域中來，使功率集成電路能進一步縮小體積。

　　另外，采用氟利昂小型制冷系統(tǒng)對功率集成電路進行強制冷卻，以降低其表面環(huán)境溫度來解決封裝的功耗，已在一些大型計算機中得到實現(xiàn)。這樣在改變封裝結構的外形設計、使用新的封裝材料的同時，再改善外部冷卻條件，那么集成電路的熱性能就可取得更大的改善。

　　當前以移動互聯(lián)網、三網融合、物聯(lián)網、云計算、智能電網、新能源汽車為代表的戰(zhàn)略性新興產業(yè)快速發(fā)展，將成為繼計算機、網絡通信、消費電子之后，推動集成電路產業(yè)發(fā)展的新動力。工信部預計，國內集成電路市場規(guī)模到2015年將達到12000億元。

　　我國集成電路產業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境亟待優(yōu)化，設計、制造、封裝測試以及專用設備、儀器、材料等產業(yè)鏈上下游協(xié)同性不足，芯片、軟件、整機、系統(tǒng)、應用等各環(huán)節(jié)互動不緊密。“十二五”期間，中國將積極探索集成電路產業(yè)鏈上下游虛擬一體化模式，充分發(fā)揮市場機制作用，強化產業(yè)鏈上下游的合作與協(xié)同，共建價值鏈。培育和完善生態(tài)環(huán)境，加強集成電路產品設計與軟件、整機、系統(tǒng)及服務的有機連接，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)企業(yè)的群體躍升，增強電子信息大產業(yè)鏈的整體競爭優(yōu)勢。