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2025年集成电路封装技术.pdf


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博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。——《礼记》
集成电路封装技术


在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字
塔的基座。说它同时处在这两种位置都有很充分的根据。从
电子元器件(如晶体管)的密度这个角度上来说,IC 代表了
电子学的尖端。但是IC 又是一个起始点,是一种基本结构
单元,是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样,IC
不仅仅是单块芯片或者基本电子结构,IC 的种类千差万别
(模拟电路、数字电路、射频电路、传感器等),因而对于
封装的需求和要求也各不相同。本文对IC 封装技术做了全
面的回顾,以粗线条的方式介绍了制造这些不可缺少的封装
结构时用到的各种材料和工艺。

集成电路封装还必须充分地适应电子整机的需要和发
展。由于各类电子设备、仪器仪表的功能不同,其总体结构
和组装要求也往往不尽相同。因此,集成电路封装必须多种
多样,才足以满足各种整机的需要。
集成电路封装是伴随集成电路的发展而前进的。随着 : .
吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎?与朋友交而不信乎?传不习乎? ——《论语》
宇航、航空、机械、轻工、化工等各个行业的不断发展,整
机也向着多功能、小型化方向变化。这样,就要求集成电路
的集成度越来越高,功能越来越复杂。相应地要求集成电路
封装密度越来越大,引线数越来越多,而体积越来越小,重
量越来越轻,更新换代越来越快,封装结构的合理性和科学
性将直接影响集成电路的质量。因此,对于集成电路的制造
者和使用者,除了掌握各类集成电路的性能参数和识别引线
排列外,还要对集成电路各种封装的外形尺寸、公差配合、
结构特点和封装材料等知识有一个系统的认识和了解。以便
使集成电路制造者不因选用封装不当而降低集成电路性能;
也使集成电路使用者在采用集成电路进行征集设计和组装
时,合理进行平面布局、空间占用,做到选型恰当、应用合
理。为什么要对芯片进行封装?
任何事物都有其存在的道理,芯片封装的意义又体现
在哪里呢?从业内普遍认识来看,芯片封装主要具备以下四
个方面的作用:固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和
增强散热。下面我们就这四方面做一个简单描述。
: .
以铜为镜,可以正衣冠;以古为镜,可以知兴替;以人为镜,可以明得失。——《旧唐书·魏征列传》


要让芯片正常工作,就必须与外部设备进行数据交换,
而封装最重要的意义便体现在这里。当然,我们不可能将芯
片内的引脚直接与电路板等连接,因为这部分金属线相当
细,(μm),而且多数情况下只有
。但通过封装以后,将外部引脚用金属铜与内部引
脚焊接起来,芯片便可以通过外部引脚间接地与电路板连接
以起到数据交换的作用。
外部引脚系统通常使用两种不同的合金——铁镍合金
及铜合金,前者可用于高强度以及高稳定性的场合,而后者
具有导电性和导热性较好的优势。具体选用何种引脚系统可
根据实际情况来定。
2. 物理性保护芯片通过封装以后可以免受微粒等物
质的污染和外界对它的损害。实现物理性保护的主要方法是
将芯片固定于一个特定的芯片安装区域,并用适当的封装外
壳将芯片、芯片连线以及相关引脚封闭起来,从而达到保护 : .
好学近乎知,力行近乎仁,知耻近乎勇。——《中庸》
的目的。应用领域的不同,对于芯片封装的等级要求也不尽
相同,当然,消费类产品要求最低。



封装的另一个作用便是对芯片的环境性保护,可以让
芯片免受湿气等其他可能干扰芯片正常功能的气体对它正
常工作产生不良影响。
4. 增强散热
众所周知,所有半导体产品在工作的时候都会产生热
量,而当热量达到一定限度的时候便会影响芯片正常工作。
而封装体的各种材料本身就可以带走一部分热量。当然,对
于大多数发热量大的芯片,除了通过封装材料进行降温以
外,还需要考虑在芯片上额外安装一个金属散热片或风扇以
达到更好的散热效果。作用
集成电路封装不仅起到集成电路芯片内键合点与外部
进行电气连接的作用,也为集成电路芯片提供了一个稳定可 : .
非淡泊无以明志,非宁静无以致远。——诸葛亮
靠的工作环境,对集成电路芯片起到机械或环境保护的作
用,从而集成电路芯片能够发挥正常的功能,并保证其具有
高稳定性和可靠性。总之,集成电路封装质量的好坏,对集
成电路总体的性能优劣关系很大。因此,封装应具有较强的
机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。
虽然IC 的物理结构、应用领域、I/O 数量差异很大,
但是 IC 封装的作用和功能却差别不大,封装的目的也相当
的一致。作为“芯片的保护者”,封装起到了好几个作用,归
纳起来主要有两个根本的功能:
(1)保护芯片,使其免受物理损伤。
(2)重新分布I/O,获得更易于在装配中处理的引脚
节距。封装还有其他一些次要的作用,比如提供一种更易于
标准化的结构,为芯片提供散热通路,使芯片避免产生 α粒
子造成的软错误,以及提供一种更方便于测试和老化试验的
结构。封装还能用于多个 IC 的互连。可以使用引线键合技
术等标准的互连技术来直接进行互连。或者也可用封装提供
的互连通路,如混合封装技术、多芯片组件( MCM)、系统
级封装 (SiP )以及更广泛的系统体积小型化和互连 (VSMI)
概念所包含的其他方法中使用的互连通路,来间接地进行互 : .
海纳百川,有容乃大;壁立千仞,无欲则刚。——林则徐
连。
随着微电子机械系统(MEMS)器件和片上实验室
(lab-on-chip)器件的不断发展,封装起到了更多的作用:
如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和
大气环境的要求。人们还日益关注并积极投身于光电子封装
的研究,以满足这一重要领域不断发展的要求。最近几年人
们对 IC 封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大
的转变,IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。
这是因为在很多情况下,IC 的性能受到IC封装的制约,因
此,人们越来越注重发展IC封装技术以迎接新的挑战。
折叠封装形式
集成电路发展初期,其封装主要是在半导体晶体管的
金属圆形外壳基础上增加外引线数而形成的。但金属圆形外
壳的引线数受结构的限制不可能无限增多,而且这种封装引 : .
操千曲尔后晓声,观千剑尔后识器。——刘勰
线过多时也不利于集成电路的测试和安装,从而出现了扁平
式封装。而扁平式封装不易焊接,随着波峰焊技术的发展又
出现了双列式封装。由于军事技术的发展和整机小型化的需
要,集成电路的封装又有了新的变化,相继产生了片式载体
封装、四面引线扁平封装、针栅阵列封装、载带自动焊接封
装等。同时,为了适应集成电路发展的需要,还出现了功率
型封装、混合集成电路封装以及适应某些特定环境和要求的
恒温封装、抗辐照封装和光电封装。并且各类封装逐步形成
系列,引线数从几条直到上千条,已充分满足集成电路发展
的需要。
折叠封装材料
如上所述,集成电路封装的作用之一就是对芯片进行
环境保护,避免芯片与外部空气接触。因此必须根据不同类
别的集成电路的特定要求和使用场所,采取不同的加工方法
和选用不同的封装材料,才能保证封装结构气密性达到规定
的要求。集成电路早期的封装材料是采用有机树脂和蜡的混
合体,用充填或灌注的方法来实现封装的, 显然可靠性很差。
也曾应用橡胶来进行密封,由于其耐热、耐油及电性能都不
理想而被淘汰。使用广泛、性能最为可靠的气密密封材料是
玻璃-金属封接、陶瓷 -金属封装和低熔玻璃 -陶瓷封接。处于
大量生产和降低成本的需要,塑料模型封装已经大量涌现,
它是以热固性树脂通过模具进行加热加压来完成的,其可靠 : .
天行健,君子以自强不息。地势坤,君子以厚德载物。——《周易》
性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件,但由于其耐
热性较差和具有吸湿性,还不能与其他封接材料性能相当,
尚属于半气密或非气密的封接材料。
随着芯片技术的成熟和芯片成品率的迅速提高,后部
封接成本占整个集成电路成本的比重也愈来愈大,封装技术
的变化和发展日新月异,令人目不暇接。究竟集成电路封装
形式有哪几种?
一、SOP 小外形封装
SOP,也可以叫做SOL和 DFP,是一种很常见的元器
件形式。同时也是表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧引
出呈海鸥翼状( L 字形) 。封装材料分塑料和陶瓷两种。始于
70年代末期。
SOP 封装的应用范围很广,除了用于存储器 LSI外,
还输入输出端子不超过 10-40的领域里,SOP 都是普及最广
泛的表面贴装封装。后来,为了适应生产的需要,也逐渐派
生出 SOJ、SSOP 、TSSOP、SOIC 等一些小外形封装。
二、 PGA插针网格阵列封装
PGA芯片封装形式常见于微处理器的封装,一般是将
集成电路( IC)包装在瓷片内,瓷片的底部是排列成方形的
插针,这些插针就可以插入获焊接到电路板上对应的插座
中,非常适合于需要频繁插波的应用场合。对于同样管脚的
芯片,PGA封装通常要比过去常见的双列直插封装需用面积 : .
勿以恶小而为之,勿以善小而不为。——刘备
更小。
PGA封装具有插拨操作更方便,可靠性高及可适应更
高的频率的特点,早期的奔腾芯片、InTel 系列 CPU 中的
80486和 PenTIum、PenTIum Pro均采用这种封装形式。
三、BGA球栅阵列封装
BGA封装是从插PGA插针网格阵列改良而来,是一
种将某个表面以格状排列的方式覆满引脚的封装法,在运作
时即可将电子讯号从集成电路上传导至其所在的印刷电路
板。在BGA封装下,在封装底部处引脚是由锡球所取代,
这些锡球可以手动或透过自动化机器配置,并透过助焊剂将

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  • 时间2025-02-15