35、集成电路封装技术全解析

集成电路封装技术全解析

1. 封装技术类型与趋势

在集成电路领域，有多种封装技术，如MCM - D、MCM - L等。MCM - D技术通过沉积金属层和绝缘层来实现更薄的层和更优的引脚间距，性能卓越但成本高昂；MCM - L技术则使用层压有机层（如聚酰胺）以降低成本。

市场对高密度、高功能、高片外数据速率和高功率密度的集成电路需求不断增长，使得传统的通孔技术（THT）如双列直插式封装（DIP）和针栅阵列封装（PGA）的使用逐渐减少。相反，传统表面贴装技术、球栅阵列封装（BGA）和裸片（板上芯片）的应用日益广泛，这一趋势如图1所示。

封装类型	使用趋势
DIP、PGA	使用减少
BGA、mBGA、Chip on board（COB）等	使用增加

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(市场需求变化):::process --> B(传统THT使用减少):::process
    A --> C(表面贴装等技术使用增加):::process

2. 集成电路封装的一般要求

集成电路封装有多项一般要求，可大致分为电气、热、化学和机械四个方面：
- 电气方面 ：要提供足够的对外电气连接（引脚），且不能因引脚的寄生电感、电容或电阻导致过长的信号延迟。
- 热方面 ：能够充分传导工作电路产生的热量，承受电路运行时的高温，承受正常电路运行中的热循环，避免因热应力导致机械故障。
- 化学方面 ：保护集成电路免受化学环境影响，特别是水分和离子污染物，同时封装制造所使用的各种材料之间要具有化学兼容性。
- 机械方面 ：保护电路免受机械振动、冲击和应力，并且便于操作、测试和组装到系统中。

3. 电气考虑因素

3.1 引脚密度

超大规模集成电路（VLSI）通常需要数百个引脚，且这一需求还在不断增加。因此，面引脚密度是衡量封装的常用指标。引脚沿两侧直线排列的封装（如DIP）引脚密度较低，而使用方形引脚网格或金属凸块的封装引脚密度较高（>30引脚/cm²）。

3.2 电气模型选择

在对封装引脚的电气行为进行建模时，通常在传输线模型和集总元件模型之间进行选择。选择依据是电路的传播延迟和电信号的飞行时间的比较。飞行时间计算公式为：
[t_{flight}=\frac{l}{c_0\sqrt{\varepsilon_r\mu_r}}]
其中，(l)是电气路径长度，(c_0)是自由空间中的光速，(\varepsilon_r)是介质的相对介电常数，(\mu_r)是介质的相对磁导率。如果电路传播延迟小于飞行时间，则应使用传输模型；否则，集总元件模型适用。

3.3 寄生参数与材料选择

不同封装方式的引脚寄生参数不同，例如表1所示的两种封装方式，这表明在高性能应用中，最小化封装寄生参数非常重要。

封装方式	电感	电容	电阻	引脚信号延迟
W/B w/ PGA	10 nH	12 pF	20 Ω	700 ps
F/C w/ BGA	1.5 nH	4 pF	2 Ω	100 ps

对于封装中使用的绝缘材料，希望其介电常数和损耗角正切值都较低，以减少功率损耗和寄生电容。对于导电材料，电阻率越小越好，以降低寄生电阻。常见材料的相关特性如下表所示：

材料类型	材料名称	介电常数（MHz @1）	损耗角正切（×10⁻⁴ @25°C，1 MHz）	电阻率（μΩcm）
绝缘材料	聚酰胺	3.4 - 4.0	0.0025 - 0.01	-
绝缘材料	环氧树脂	3.5 - 4.0	300	-
绝缘材料	石英	3.5 - 4.0	2	-
导电材料	铜	-	-	1.7
导电材料	金	-	-	2.2
导电材料	铝	-	-	2.65

4. 热考虑因素

热方面的重要考虑因素是散热和热膨胀。高效的散热对于降低工作电路的结温、避免故障或不可逆转的损坏至关重要。因为结泄漏电流随温度呈指数增长，大多数集成电路故障机制也与热有关，电路寿命会随工作温度升高而显著缩短。

热传导遵循傅里叶方程：
[q = -k\nabla T]
在一维情况下，热流可以用类似于欧姆定律的方式描述，热阻计算公式为：
[\theta=\frac{kl}{A}]
一维热流公式为：
[Q=\frac{\Delta T}{\theta}]
对于散热的集成电路，结温计算公式为：
[T_j=T_a + P_d\theta_{ja}]
其中，(T_j)是结温，(T_a)是环境温度，(P_d)是芯片的功耗，(\theta_{ja})是结到环境的热阻。

常见材料的热导率如下表所示：

材料类型	材料名称	热导率（W/mK）
半导体	碳化硅（SiC）	90 - 260
半导体	硅（Si）	150
半导体	砷化镓（GaAs）	50
基板材料	金刚石（C）	2000
基板材料	氧化铍（BeO）	260 - 300
基板材料	氮化铝（AlN）	100 - 270
金属	银（Ag）	428
金属	铜（Cu）	397
金属	金（Au）	317
金属	铝（Al）	230

为了降低热阻，可采用多种封装设计策略，如将大量引脚排列成覆盖封装底部的网格，采用倒装芯片技术将芯片面朝下安装，在一些超大规模集成电路应用中内置金属散热器，以及使用强制对流（空气或液体）等。

5. 化学考虑因素

集成电路封装必须在存储和运行期间保护电路免受化学环境的影响，并且封装制造所使用的各种材料之间要具有化学兼容性。在大多数应用中，水蒸气是最重要的环境因素。许多封装材料具有吸湿性，如果在组装前未充分烘烤，焊接时温度突然升高会导致封装因水分快速汽化而失效（“爆米花效应”）。在组装系统运行期间，水和离子污染物的污染会导致电路逐渐退化，即使使用了封装层（如磷硅玻璃、聚酰胺、氮化硅等）。

一种有效的解决方法是使用密封封装，通常采用金属、陶瓷或金属/陶瓷外壳与玻璃密封。一种常见的密封封装使用科瓦合金（54%铁、29%镍和17%钴的金属合金），其热膨胀系数与常用密封玻璃接近，可减少密封处的热应力，但热导率相对较差，因此高功率密封封装常使用铜合金。

6. 机械考虑因素

集成电路封装的机械故障机制可分为瞬时机械过载和渐进性故障。瞬时过载问题包括延性变形和脆性断裂，渐进性故障机制包括疲劳裂纹扩展和蠕变变形。

延性过载发生在金属（如铝、铜、金和焊料）的临界应力超过屈服应力时，应力计算公式为：
[\sigma=\frac{F}{A}]
常见金属的屈服应力如下表所示：

金属	屈服应力（Mpa）
镍（Ni）	70
铜（Cu）	60
铝（Al）	40
金（Au）	40
铅（Pb）	11
63%铅/37%锡焊料	~10

脆性材料（如陶瓷基板）可能在材料存在缺陷的点发生断裂，相关应力计算公式为：
[\sigma = \frac{YK_{lc}}{\sqrt{a}}]
常见材料的断裂韧性如下表所示：

材料	断裂韧性（Mpa m¹/²）
碳化硅（SiC）	3 - 3.5
氧化铝（Al₂O₃）	3
石英玻璃（SiO₂）	0.5
熔融石英（SiO₂）	0.5
氧化铍（BeO）	3.7
导电环氧树脂	0.3 - 0.5

疲劳裂纹扩展是更常见的现象，在无裂纹的情况下，材料的疲劳可由巴斯金定律描述：
[L = B(\Delta\sigma)^{-\theta_b}]
其中，(\Delta\sigma)是时变应力的峰 - 峰振幅，(B)和(\theta_b)是材料参数，通常(8 < \theta_b < 15)。疲劳是倒装芯片技术中焊料凸块和塑料封装中引线键合的重要故障机制。

7. 封装工艺与材料

集成电路封装过程涉及多个步骤和不同材料，主要有引线键合和倒装芯片两种方法。封装过程中使用的材料包括金属、陶瓷、玻璃和有机物，金属用于引脚、导线、焊料凸块和封装外壳，陶瓷用作基板和封装外壳，玻璃用于密封陶瓷或金属制成的密封外壳，有机物用于封装剂、模制塑料封装和形成粘合剂。

7.1 引线键合工艺

引线键合工艺常用于塑料和陶瓷封装，通过细金线或铝线实现芯片与引脚之间的电气连接。其工艺流程如下：
1. 晶圆测试 ：使用晶圆探针在晶圆上对单个电路进行电气测试，标记并丢弃故障电路。
2. 晶圆分离 ：通过切割或用金刚石锯切割将芯片分离。
3. 晶圆分选 ：丢弃不良芯片，仅封装已知良好的芯片。
4. 芯片键合 ：将已知良好的芯片附着到陶瓷基板或金属引线框架上。
5. 引线键合 ：使用细金线或铝线将芯片与封装引脚连接，常见方法是热超声球 - 楔键合技术。
6. 封装 ：对于塑料封装，采用传递模塑工艺；对于陶瓷封装，采用封装密封工艺。
7. 测试 ：对封装后的电路进行电气测试，进行老化和热循环测试，以识别和丢弃有缺陷的器件。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(晶圆测试):::process --> B(晶圆分离):::process
    B --> C(晶圆分选):::process
    C --> D(芯片键合):::process
    D --> E(引线键合):::process
    E --> F(封装):::process
    F --> G(测试):::process

传递模塑工艺中，将一定量的模塑料放入金属模具中，在压力（约6 Mpa）和热量（约175°C）作用下，热固性模塑料熔化并符合封装模具的形状。模塑料通常含有约70%（重量）的填料（如SiO₂或Al₂O₃），以改善热特性。但该工艺对引线键合有较大机械应力，因此有时会使用预成型塑料封装。

封装密封工艺是使用中间玻璃层将金属或陶瓷盖粘结到陶瓷基板上，所用玻璃在400°C流动形成密封，但高温要求使用铝键合线以避免金 - 铝反应。

7.2 倒装芯片工艺

倒装芯片工艺的起始芯片需制造有焊料凸块，通常使用铅 - 锡共晶或铅 - 铟合金。其工艺流程如下：
1. 晶圆测试、分离和分选 ：与引线键合工艺相同。
2. 芯片翻转 ：将有焊料凸块的芯片翻转并面朝下放置在基板上，焊料凸块与封装上的金属焊盘匹配。
3. 焊料回流 ：在高温（铅/锡共晶为230°C）下进行焊料回流，形成芯片与封装之间的良好电气和机械连接，熔融焊料的表面张力确保芯片与封装正确对齐。
4. 封装密封 ：对封装进行密封。
5. 测试 ：对封装后的电路进行测试。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(晶圆测试):::process --> B(晶圆分离):::process
    B --> C(晶圆分选):::process
    C --> D(芯片翻转):::process
    D --> E(焊料回流):::process
    E --> F(封装密封):::process
    F --> G(测试):::process

综上所述，集成电路封装技术是一个复杂且关键的领域，涉及多个方面的考虑和多种工艺方法，不同的封装技术和材料选择会对集成电路的性能、可靠性和成本产生重要影响。在实际应用中，需要根据具体需求综合考虑各方面因素，选择最合适的封装方案。

集成电路封装技术全解析

8. 不同封装工艺对比

引线键合工艺和倒装芯片工艺是集成电路封装中两种重要的方法，它们各有特点，以下从多个方面对这两种工艺进行对比：
|对比项目|引线键合工艺|倒装芯片工艺|
| ---- | ---- | ---- |
|芯片安装方式|芯片面朝上，通过引线连接芯片与引脚|芯片面朝下，通过焊料凸块实现芯片与封装的连接|
|工艺复杂度|相对复杂，涉及晶圆测试、分离、分选、芯片键合、引线键合、封装等多个步骤|步骤相对较少，但芯片需提前制造焊料凸块|
|电气性能|引脚电感、电容和电阻相对较大，信号延迟较长|引脚寄生参数小，信号延迟短，电气性能更优|
|机械应力|传递模塑工艺对引线键合产生较大机械应力|焊料回流过程中机械应力相对较小|
|成本|对于引脚数较少的芯片，成本相对较低|芯片制造焊料凸块增加了成本，但对于高引脚数芯片，整体成本可能更具优势|
|应用场景|常用于引脚数较少、对成本敏感的应用|适用于高性能、高引脚数的集成电路，如微处理器等|

9. 封装技术的发展趋势

随着市场对集成电路性能要求的不断提高，封装技术也在不断发展。以下是一些主要的发展趋势：
- 高密度集成 ：市场对更高密度集成电路的需求促使封装技术向更高引脚密度、更小尺寸方向发展。例如，倒装芯片技术和球栅阵列封装（BGA）的应用越来越广泛，以满足超大规模集成电路（VLSI）对数百个引脚的需求。
- 高性能化 ：为了提高集成电路的性能，封装技术需要不断降低寄生参数，减少信号延迟。这包括优化引脚布局、选择低介电常数和低损耗角正切的绝缘材料、以及使用低电阻率的导电材料等。
- 散热优化 ：随着集成电路功率密度的增加，散热问题变得越来越重要。未来的封装技术将更加注重散热设计，如采用高效的散热材料、增加散热通道、以及使用强制对流等方式来提高散热效率。
- 系统级封装（SiP） ：系统级封装将多个不同功能的芯片集成在一个封装内，实现了更高的集成度和更小的尺寸。这种封装方式可以减少芯片之间的互连长度，提高系统性能，同时降低成本。
- 环保材料的应用 ：随着环保意识的提高，封装材料的环保性也越来越受到关注。未来的封装技术将更多地使用无铅焊料、可回收材料和低污染材料，以减少对环境的影响。

10. 封装技术在实际应用中的选择

在实际应用中，选择合适的封装技术需要综合考虑多个因素，以下是一些具体的选择步骤：
1. 确定性能要求 ：根据集成电路的应用场景，确定对电气性能、热性能、机械性能等方面的要求。例如，对于高速数据传输的应用，需要选择引脚寄生参数小、信号延迟短的封装技术；对于高功率集成电路，需要选择散热性能好的封装技术。
2. 评估引脚数量 ：根据集成电路的功能和复杂度，确定所需的引脚数量。对于引脚数较少的芯片，可以选择成本较低的引线键合工艺；对于高引脚数的芯片，倒装芯片技术或球栅阵列封装可能更合适。
3. 考虑成本因素 ：封装成本是一个重要的考虑因素，需要综合考虑芯片制造、封装工艺、材料成本等多个方面。在满足性能要求的前提下，选择成本最低的封装方案。
4. 分析应用环境 ：考虑集成电路的应用环境，如温度、湿度、振动等因素。对于恶劣环境下的应用，需要选择具有良好机械性能和化学稳定性的封装技术。
5. 参考行业趋势 ：关注封装技术的发展趋势，选择具有前瞻性和适应性的封装方案。例如，随着系统级封装（SiP）的发展，对于一些需要集成多个芯片的应用，可以考虑采用SiP技术。

11. 封装技术的未来挑战与机遇

尽管封装技术取得了很大的进展，但仍然面临着一些挑战和机遇：
- 挑战 ：
- 热管理难题 ：随着集成电路功率密度的不断增加，散热问题变得越来越严峻。如何有效地将热量从芯片传递到外界，避免结温过高导致的性能下降和可靠性问题，是封装技术面临的一大挑战。
- 机械应力问题 ：不同材料的热膨胀系数差异会导致封装在热循环过程中产生机械应力，可能引起芯片与封装之间的连接失效、焊点疲劳等问题。如何减少机械应力对封装可靠性的影响，是需要解决的关键问题之一。
- 环保要求 ：环保法规对封装材料的限制越来越严格，如限制铅等有害物质的使用。封装技术需要不断寻找环保替代材料，同时保证封装性能不受影响。
- 高密度集成挑战 ：实现更高密度的集成意味着更小的尺寸和更高的引脚密度，这对封装工艺和设计提出了更高的要求。如何在有限的空间内实现更多的电气连接和良好的散热，是封装技术发展的一大挑战。
- 机遇 ：
- 新兴应用需求 ：随着物联网、人工智能、5G通信等新兴技术的发展，对集成电路的性能和功能提出了更高的要求，为封装技术带来了新的发展机遇。例如，物联网设备对低功耗、小尺寸封装的需求，5G通信对高速、高频封装的需求等。
- 技术创新推动 ：新材料、新工艺的不断涌现为封装技术的创新提供了可能。例如，新型散热材料的研发可以提高散热效率，先进的光刻技术可以实现更小的引脚间距，这些技术创新将推动封装技术不断向前发展。
- 系统级封装（SiP）的发展 ：系统级封装将多个不同功能的芯片集成在一个封装内，实现了更高的集成度和更小的尺寸。这种封装方式可以满足新兴应用对多功能、高性能的需求，具有广阔的发展前景。

12. 总结

集成电路封装技术是集成电路产业中不可或缺的重要环节，它直接影响着集成电路的性能、可靠性和成本。本文详细介绍了集成电路封装的多种技术类型、一般要求、电气、热、化学和机械等方面的考虑因素，以及引线键合和倒装芯片两种主要的封装工艺。同时，探讨了封装技术的发展趋势、在实际应用中的选择方法，以及面临的挑战和机遇。

在未来的发展中，封装技术将不断创新和进步，以满足市场对集成电路日益增长的需求。无论是高密度集成、高性能化、散热优化还是环保要求，都将促使封装技术朝着更加先进、更加可靠的方向发展。对于从事集成电路设计、制造和应用的人员来说，深入了解封装技术的原理和发展趋势，选择合适的封装方案，将有助于提高产品的竞争力和市场占有率。

希望通过本文的介绍，能够帮助读者更好地理解集成电路封装技术，为相关领域的研究和应用提供有益的参考。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(市场需求):::process --> B(封装技术发展趋势):::process
    B --> C(高密度集成):::process
    B --> D(高性能化):::process
    B --> E(散热优化):::process
    B --> F(系统级封装):::process
    B --> G(环保材料应用):::process
    C --> H(挑战与机遇):::process
    D --> H
    E --> H
    F --> H
    G --> H