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01 微电子封装技术(绪论)_图文

发布时间:

微电子封装技术
蔡坚 清华大学微电子学研究所 jamescai@tsinghua.edu.cn

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课程结构
? 本课程共32学时。 ? 教师:蔡坚 jamescai@tsinghua.edu.cn 王水弟 wsd-ime@tsinghua.edu.cn 贾松良 jiasl@tsinghua.edu.cn ? 上课(26~28)学时。 ? 成绩
? 出勤 (15) ? 作业 (15) ? 开卷考试 (70)

2

课程内容
? 课程面向信息电子制造/电子制造产业,介 绍微电子封装及电子组装制造的的基本概念 及封装的基本工艺,兼顾传统的集成电路封 装和先进的封装技术,同时介绍当前发展迅 速对产业影响较大的一些研究/开发热点, 如三维封装、MEMS封装、系统级封装和绿 色电子等,课程还将介绍封装的选择、设计 和封装可靠性及失效分析。
3

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

Lecture 1 绪论:课程概述、封装基本概念、封装功能及发展趋势 Lecture 2 传统集成电路封装技术:传统封装技术流程介绍 Lecture 3 互连技术:一级封装的互连技术 Lecture 4 倒装焊技术:倒装焊技术的发展 Lecture 5~6 新型封装技术:焊球阵列封装和芯片尺寸封装、圆片级和三 维封装技术、微机电系统的封装 Lecture 7 系统级封装 Lecture 8 课堂讨论 Lecture 9 电子组装制造:电子组装的发展趋势、二级封装的基本技术、 PCB板及封装基板基本制造工艺 Lecture 10 封装中的材料:微电子封装材料、电子产品无铅化以及绿色制 造 Lecture 11 微电子封装设计 Lecture 12 封装可靠性 Lecture 13 微电子封装中的失效分析 Lecture 14 课堂讨论
4

教材与参考资料
? 教材: ? 电子课件、《微电子封装技术》讲义
主要参考资料: ? 电子封装与互连手册,贾松良等译,电子工业出版社,2009 ? 微系统封装技术概论,金玉丰等编著,科学出版社,2006 ? 电子封装材料与工艺,贾松良等译,化学工业出版社,2006 ? Advanced Electronic Packaging, Edited by Richard K. Ulrich, William D. Brown, John Wiley & Sons Press, 2006 ? R.R.Tammula等编著,微系统封装基础,黄庆安等译,东南大学出版社, 2004 ? R.R.Tammula等编著,微电子封装手册,贾松良等译校,电子工业出版社, 2001 ? The Electronic Packaging Handbook, Edited by Glenn R. Blackwell, CRC Press, 2000 ? M.C.Pecht,et al,Electronic Packaging Materials and Their Properties, CRC Press.1999 ? C.Y Chang, S.M.Sze, ULSI Technolony, chapter10, McGraw-Hill, 1995 ? ……
5

?

为什么开设本课程?
? 电子封装技术将集成电路包封在某一种标准 组件的方法,通过这种包封,集成电路可以 用于终端产品:如手机、台式机甚至是烟气 探测器。 ? 2004年电子封装工业产生了估计320亿美元 的税收,大约占所有半导体工业税收的10%。
? 封装工业的整个世界市场有1250亿美元,雇员 超过一百万。
6

1. 封装是半导体三大产业之一: IC设计;芯片制造;封装测试。 “在中国,封装行业销售收入占到三者总和的50%左 右,晶圆制造业占32%,设计业占18%。”(中国 半导体行业协会副秘书长于燮康 )
封装测 试业, 30% IC设计 业, 30%
封装测 试业, 50% IC设计 业, 18%

芯片制 造业, 40%

芯片制 造业, 32%

2003年

2008年
7

中国的半导体产业
第三大信息产品制造国(美国、日本)

投资来源的多样化:
国家、地方政府、境外企业、私营企业、社会 集资 中长期规划十一五专项: 极大规模集成电路成套装备与关键工艺(02专 项)
8

中国的半导体产业
2002年之后进入了一个快速增长期-半导体产 业的投资在迅速增加
2002年~ 2003年6月:中国半导体产业合同投资额1250 亿元(已完成投资 450亿元) 新建投产、在建、拟建6英寸以上IC圆片厂项目22 个,总投资额125.3亿美元。 新建、在建、拟建半导体封装测试项目约10个,总投 资额30亿美元。 新设立设计企业约300家,包括: Motorola、IBM、 Canon、TI、Philips、Infineon等国际大公司在华设立研 究院或合资设计公司,投资总额已超过15亿人民币。
9

中国是世界半导体封装业的重要基地
亚洲
90% 2001年 91.3% 2006年 新加坡 7.5% 6 7.0% 7

日本
22.9% 1 17.1% 1 香港 2.2%

马来西亚
17.6% 2 17.0% 2 印尼 1.1%

台湾
11.3% 4 13.0% 3 泰国 0.7%

菲律宾
11.5% 3 11.0% 4 欧洲 3.2%

中国大陆
5.1% 7 11.0% 4 美洲 6.8%

韩国
10.2% 5 10.5% 6 美国 3.9%

2001年

2006年

2.0%

1.5%

1.2%

2.6%

6.1%

3.3%

10

? 国际上排名前十位的半导体厂,已有九个在大 陆设立封装厂 ? 世界上排名前四名的封装代加工厂都已在中国 设厂。
? Amkor Technologies、日月光(ASE)、矽品 科技(SPIL)、星*鹋螅–hipPac-STATS)

? 产业需求封装测试技术人才

11

2002年全球排名前十位的半导体公司大都在中国建立封装测试厂
名次
2002年 2001年

公司名称
1 4 3 5 2 Intel 三星 ST微电子 TI 东芝 无锡 上海 苏州 深圳

销售额(亿美元)
2002年 2001年

增长率
-0.3% 49.5% -0.9% 2.5% -5.5%

1 2 3 4 5

234.7 91.8 63.1 62.0 61.9

235.4 61.4 63.6 60.5 65.4

6
7 8 9

8
6 7 9

Infineon
NEC Motorola 菲利浦

苏州
北京 天津 苏州

53.6
52.6 47.3 43.6

45.6
53.0 48.3 44.1

17.5%
-0.8% -2.0% -1.1%

10

10

日立(瑞萨)

苏州

40.5

42.4

-4.6%
12

? 2007年10大半导体厂商排名(iSuppli统计): 1. 英特尔(2006年排名第一) 2. 三星(2006年排名第二) 3. 东芝(2006年排名第四) 4. 德州仪器(2006年排名第三) 5. 意法半导体(2006年排名第五) 6. Hynix (2006年排名第七) 7. Renesas(2006年排名第六) 8. 索尼 (2006年排名第十四) 9. NXP (2006年排名第十) 10. 英飞凌(2006年排名第十五)

13

IC Insights: Top-20 semiconductor sales leaders, 2008 ( Source: IC Insights, compiled by Digitimes, March 2009 )
2008 Rank 2007 Rank Company 2007 sales 2008 sales
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 7 Intel Samsung TI Toshiba TSMC ST 35,021 19,951 13,309 11,850 9,813 8,637 34,490 20,272 11,966 11,059 10,556 9,052

Y/Y
(2%) 2% (10%) (7%) 8% 5%

7
8 9

8
13 9

Renesas
Qualcomm Sony

8,001
5,619 7,203

7,017
6,477 6,420

(12%)
15% (11%)

10

6

Hynix

9,201

6,182

(33%)
14

11
12 13 14 15 16 17

12
11 14 15 10 16 23

Infineon
AMD NEC Micron NXP Freescale Broadcom

5,772
6,013 5,593 5,520 6,026 5,447 3,754

5,972
5,808 5,732 5,688 5,318 4,898 4,509

3%
(3%) 2% 3% (12%) (10%) 20%

18
19 20

17
21 19

Fujitsu
Panasonic Nvidia

4,568
3,810 3,979

4,462
4,321 3,660

(2%)
13% (8%)

Total

179,087

173,859

(3%)
15

2005年至2008年全球十大半导体厂排名
排名 05年排名 06年排名 07年排名 08年排名

1
2 3 4 5 6 7 8 9 10

Intel
三星 德州仪器 东芝 意法 瑞萨 台积电 海力士 飞思卡尔 NEC

Intel
三星 德州仪器 意法 东芝 台积电 海力士 瑞萨 飞思卡尔 NXP

Intel
三星 德州仪器 东芝 意法 台积电 海力士 瑞萨 索尼 英飞凌
(消息来源:IC Insights)

Intel
三星 德州仪器 台积电 东芝 意法 瑞萨 索尼 海力士 英飞凌
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2000年以来,已建或在建、拟建的部分封装测试企业
项目 威宇科技 桐辰科技 项目类型 封装、测试(已投入$5000万) 数膜混合,电路测试 总投资 2亿美元 3000万美元

Intel
IBM Amkor 华威电子 苏州矽品科技 苏州飞索

快闪存储器封装测试
表面分层电路和高精度芯片载体 集成电路封装测试 集成电路,封装测试 封装(SPIL) ,测试(京隆) 封装、测试

3亿美元
3亿美元 3600万美元 2990万美元 2亿美元 1.08亿美元
17

国内正在建或扩建的大型半导体封装测试企业
单位
北京瑞萨-四通 江苏长电

扩产产品
IC、Tr IC、Tr

投资
7.16亿

扩产产能
5000万块/月 IC:4.5亿块/年 Tr:50亿支/年

南通富士通
扬州晶来 苏州国家半导体

IC
Tr IC

1.8亿
0.8亿 $ 2亿

IC:2亿块/年
Tr:35亿支/年

苏州 Infineon
苏州嘉盛半导体 飞利浦 无锡东芝

DRAM
IC IC、Tr IC

$ 3.75亿 第一期,3亿块/年
$ 1.2亿 $ 0.43亿 IC:3.6亿块/年
18

2002年国内销售额过亿元的IC封装企业18个

? 国内目前封装年产值过10亿元的有2家 (Motorola、Samsung),过5亿元的有 9家; ? 年封装IC产值超亿块的已有12家,超过10 亿块的有3家(江苏长电、深圳赛意法、上 海星*鹋螅 ? 一般国内企业的产品档次低,*均封装单 价在0.1~0.6元/块; ? 新型封装、特殊封装、军用品封装的*均 封装单价高。
19

IC封装:中高端技术有所突破 仍需面对 多重挑战
? “外资企业虽在中国IC封装测试领域占据了绝对优势,但内资 封装测试企业蓬勃发展,中小企业不断涌现,内资特别是民 营企业的发展为IC封装测试业增添了活力和希望。 ? 在全球经济增速放缓的大背景下,半导体市场需求乏力,国 内集成电路产业的增幅也明显下降。2007年国内IC产业的销 售收入规模达1251.3亿元,同比增长24.3%,与2006年 43.3%的增幅相比,增速趋缓。在我国集成电路设计、制造 和封装测试三大产业中,封装测试业的规模与增速仍然领先 于设计、制造业,规模占整个产业的50%以上。2008年上 半年封装测试业共实现销售额357.98亿元,同比增长11.6%, 是三业中增长最快的。” 中国电子报,2008-10-14
20

各类先进封装已开始大量生产
国内企业生产的产品档次较低,以DIP、SOP、QFP为主 合资、独资企业生产的产品相对先进 生产PBGA的有:上海 Intel、威宇、Amkor、IBM、金朋 天津 Motorola、 苏州 飞索、三星、矽品(SPIL)、 深圳 赛意法 生产CSP的有:Intel、飞索、三星等 多层叠式封装:Intel、飞索、三星、矽品等 即将生产BGA、CSP的有:苏州英飞凌(Infineon)、江苏长电、南

通-富士通等
21

中国大陆封测企业的特点
? 长江三角洲、珠江三角洲、京津环渤海地区; ? 中西部地区增势明显;长三角地区仍是外资封装测试企业首选;
? 2007年10月,英特尔(成都)有限公司微处理器工厂顺利运营并实现首 枚多核处理器出口;中芯国际(SMIC)、马来西亚友尼森(Unisem)、美 国芯源系统(MPS)等半导体封装测试项目在成都相继投产。

? 2007年底,国内有一定规模的IC封装测试企业有74家,其中本土 企业或内资控股企业21家,其余均为外资及合资企业。
? ? 国内外资IDM型封装测试企业主要为母公司服务,OEM型封装测试 企业所接订单多为中高端产品; 内资封装测试企业的产品已由DIP、SOP等传统低端产品向QFP、 QFN、BGA、CSP等中高端产品发展。

? 前10家IC封装测试企业在2007年度的收入合计为475.9亿元,占当 年IC封装测试业总销售收入666.5亿元的71.4%
? “大者恒大,强者恒强”
22

2007年中国大陆封测企业基本情况

23

分立器件封装:低端市场竞争激烈

24

2008年国内10大封装测试企业
序号
1 2

企业名称
飞思卡尔 奇梦达科技

企业类型
外资 外资

公司所在地
天津 江苏苏州

IC销售额(亿元)
116.08 85.95

3
4 5 6 7 8 9

威讯联*氲继
江苏新潮 上海松下半导体 深圳赛意法 瑞萨半导体 南通华达集团 英飞凌

外资
内资 合资 合资 合资 内资 外资

北京
江苏江阴 上海 广东深圳 北京 江苏南通 江苏苏州

45.01
39.88 39.07 35.50 28.83 26.60 23.19

10

三星电子

外资

江苏苏州

20.90

25 资料来源:《电子与封装》2009年第7期

中国的半导体封装业
? 半导体封装产业主要在东亚和东南亚;半导体封装产值最大的 是日本和马来西亚。 ? 世界半导体封装产值的90%在亚洲,主要在东亚和东南亚的日 本、马来西亚、台湾、菲律宾、韩国。 ? 中国正在成为世界IC封装基地之一。 ? 2006年中国大陆是第4位。 ? 中国的半导体封装产量年增长率约为40%~50%,产值年增长 率约为25%。 ? 封测业在2008年总体还是保持增长,且高于晶圆制造业*1倍, 但与往年保持的20%-25%增长率相比,2008年的8.3%增长 率已呈现出了明显的下滑趋势。 ? 从2008年前三季度数据看,IC设计业共实现销售额159.37亿 元,同比增长率为8.6%,与上年同期相比有较明显的回落。 IC晶圆制造业销售额增幅回落至4.1%,销售额为286.77亿元。 IC封装测试业实现销售额539.64亿元,同比增长8.3%。
26

2. 微电子封装是器件/元件的基本组成部分: 芯片 + 封装 ? 器件/元件

(封装工艺)
传统集成电路,封装的成本相对较低;但是在 某些器件中,封装成本已接*器件成本的1/2;在 MEMS/微系统中,封装可能比芯片制造更加困难, 成本可能上升为70%~90%;封装已经成为新器 件商业化的瓶颈。
27

3. 器件失效中,约有1/3与封装有关。 器件破坏性物理分析(DPA)试验中的不 合格品,约有1/2与封装有关。 4. 封装技术是一门 综合性、多学科的高技术 涉及材料、力学、电子、热学、可靠性等 产业需要多学*徊娴淖酆先瞬拧

28

多学*徊妫↖)
? 材料科学与工程 ? 封装体(外壳、基板) ? 散热片(Heat sink) ? 键合材料、封接材料 ? 互连材料(引线丝、焊料) ? 材料与环境之间的相互作用 ? 腐蚀、疲劳、断裂、扩散、质量传输、焊接等 ? 电子工程 ? 导体、半导体、绝缘体 ? 有源及无源器件 ? 电源与功率管理 ? 信号传输
29

多学*徊妫↖I)
? 力学与机械工程 ? 应力问题 ?应力的产生、积累和释放 ?应力对电性能及材料特性的影响 ? 热问题 ?热的产生、传输 ?对电性能及材料特性的影响 ?热力影响

30

多学*徊妫↖II)
? 工业工程(系统工程) ? 可靠性 ?老化、加速实验 ?多因素耦合失效机理 ? 生产控制(制造业共同面临的问题) ?质量控制

31

多学*徊妫↖V)
?目前的趋势是集成电路芯片成本下降,导致 封装的成本在元件成本中的比例开始提升; ?由于信号速度、成本、可靠性等方面的原因, 封装设计变得比以前更为重要;多学*徊 成为封装设计成功的关键因素。

32

国内大学的封装研究与教育
? TsH Univ.,
? 主要进行系统级封装、微系统封装的设计与技 术研究,已经开展了圆片级封装、倒装焊凸点、 MEMS微麦克风、无铅焊料、以及封装时效分析 等方面的研究。 ? 材料系,主要进行封装材料及多层基板的研究; 力学系;清华大学-伟创力联合实验室。

? HUST、HIT、BUST、FDU、SJTU、CSU、 DUT、etc ? IME、SIMIT、IMR
33

部分美国大学的封装研究与教育
大学 Georgia Tech University of AZ University of Maryland University of South Carolina 培养计划 研究生和本科生 研究生 研究生和本科生 Research 多学科 EE FA No

研究生

Arizona State University

研究生

EE、ME、MSE

34

IC封装的作用和类型

35

36

1. IC封装的定义
IC封装是微电子器件两个基本组成部分之一:
芯片(管芯)+ 封装(外壳) chip (die) package 微电子器件 device packaging

封装给管芯(芯片)和印制电路板(PWB) 之间提供电互连、机械支撑、机械和环境保 护及导热通道。
37

2. 封装的分级
零级封装: 芯片上的互连; 一级封装: 器件级封装; 二级封装: PCB (PWB)级封装; 三级封装: 分机柜内母板的组装; 四级封装: 分机柜。 本课程讨论的封装是主要是指“一级封 装”,即IC器件的封装。
38

常规组合的电路封装
硅圆片
0级
1级 2级

管芯 3级 4级

印制板

器件

5级

39

IC封装示意
Board

Transistor

Package

System
Chip
40

3. 封装的基本功能
(1) 信号分配
电互连和线间电隔离 (2) 电源分配 (3) 热耗散:使结温处于控制范围之内 (4) 防护:对器件的芯片和互连进行机械、 电磁、化学等方面的防护

41

封装的四种主要功能

42

4. IC封装的主要类型
(1)IC的封装按照器件使用时的组装方式(二 级封装)可分为: 通孔插装式 PTH (Pin through hole) 表面安装式 SMT (Suface mount technology) 目 前 表 面 安 装 式 封 装 已 占 IC 封 装 总 量 的 (70 ~ 80)%。
43

(2)按主要使用材料来分, 裸芯片 (6 ~ 7)% 金属封装 陶瓷封装 1~2% 塑料封装 > 92 % 历史的发展过程:最早是金属封装,然后是陶 瓷封装,最后是塑料封装。 按性能分:金属和陶瓷封装是气密封装,塑料 封装是非气密或准气密封装。
44

? ? ? ? ?

金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条 件”,如军用、宇航等, 塑封只能用于“不太严酷”的环境; 金属、陶瓷封装是“空封”,封装不与芯 片表面接触, 塑封是“实封”; 金属封装目前主要用于大功率的混合集成 电路(HIC),部分军品及需空封器件。
45

水通过材料的渗透率

46

(3)按引线形状 无引线:焊点、焊盘 有引线:

TH 直插

47

L型 (翼型) J型

SMT

焊球 焊柱

扁*

I形(柱形)
48

(4)IC封装外壳的分类表(P.4)
四边引线 扁 * 表面安 装式 SM 片式载体 两边引线 叠式封装 L L PQFP TQFP / LQFP SQFP SOP / SOL / SOIC SSOP TSOP

四边引线
两边引线

J
J

PLCC
SOJ PBGA PDIP SHDIP SKDIP SLDIP

塑 料

阵列式

单面引线 标准

两边引线 TH插 入式 单边引线



小 型 单 列 双 列 阵列式 表面安 装式 片式载体 SM 陶 瓷 TH插 入式 阵列式 单面引线 l 阵列式 无引 扁 * 单面引线 四边引线 L - - · SIP ZIP

PPGA CQFP LCC(QFN) CBGA CCBGA

线

单面引线

两边引线

标准



CDIP GDIP
CPGA

陶瓷侧边钎焊 陶瓷玻璃熔封

金属:圆型,扁腔;浅腔、深腔,*板式;垂直引线、侧向引线。

49

(5)集成电路主要封装类型的 符号、名称、外型(见下表)

50

51

一级封装的类型

52

(6)IC封装的生命周期
上世纪末集成电路封装的生命周期

53

(7)目前世界上产量较多的几类封装
SOP PDIP QFP (PLCC) BGA

54

IC封装的发展趋势

55

各类封装在封装总量中所占的份额(%)
DIP 1996 28 SOP 47 QFP 13 BGA ?1 CSP ?1 其他 12

1998
2003

15
12

57
56

12
12

?1
?1

1
7

12
7

56

集成电路封装引出端数的分布范围
引线数范围 ≤33 33~100 101~308 ≥308

1997年

76%

18%

5%

1%

2003年

68%

20%

10%

2%

57

技术发展趋势
△ 芯片封装工艺: 从逐个管芯封装到出现了圆片级封装,即(先 将圆片划片成小管芯,再逐个封装成器件),到 (在圆片上完成封装划片后就成器件)。 △ 芯片与封装的互连: 从引线键合(WB)向倒装焊(FC)转变。 △ 微电子封装和PCB板之间的互连: 已由通孔插装(PTH)为主转为表面安装(SMT) 为主。
58

△ 封装密度正愈来愈高 封装密度的提高体现在下列三方面: ? 硅片的封装效率 = 硅芯片面积/封装所占印 制板面积 = Sd/Sp不断提高; ? 封装的高度不断降低;引线节距不断缩小; ? 引线布臵从封装的两侧发展到封装的四周, 到封装的底面。 这样使单位封装体积的硅密度和引线密度 都大大提高。
59

技术发展比较

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Package Pincount Maximum 2003 2005 112408 122500 134550 134550 0.5 0.5 0.5 0.4 144600 140578 0.5 0.4 160660 148606 0.5 0.4 180720 150636 0.5 0.3 180800 160668 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
60

170700

180738

188774

198812

Minimum Overall Package Profile (mm) 2003 2005

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

61

单芯片封装向多芯片封装的演变

62

硅片封装效率的提高
年代 封装形式 1970 DIP 1980 PQFP 1990 BGA / CSP 1993 DCA / CSP

封装效率Sd/Sp 2% ~ 7%

10% ~ 30% 20% ~ 80 % 50 % ~ 90 %

63

封装效率的改进

封装效率 =2-7%(1970-)

封装效率 =10-30%(1980-)

封装效率 =20-80%(1990-)

封装效率 =50-90%(1993-)
64

封装厚度的变化
封装形式 PQFP / PDIP 3.6 ~ 2.0 TQFP / TSOP 1.4 ~ 1.0 UTQFP / UTSOP 0.8 ~ 0.5

封装厚度 (mm)

65

封装厚度比较
PQFP PDIP TQFP TSOP UTQFP UTSOP

封装厚度 3.6 - 2.0mm

1.4 - 1.0mm

0.8 - 0.5mm
66

除非裸芯片,很难使封装体厚度 tp小于0.5mm。 tp = 上 包 封 体 ( 高 于 引 线 拱 高 ) + 芯 片 厚 度 (0.2~0.3 mm)+下包封体(包括芯片焊盘+ 芯片粘接层厚度) 包封体:防潮、防尘、防辐射等 环境保护,机械保护
67

引线节距缩小的趋势
年份 1980 1985 1990 1995 2000

典型封装

DIP, PGA
2.54

SDIP, PLCC, BGA
1.27

QFP

QFP, CSP
0.33

CSP, DCA
0.15~ 0.050

典型引线 节距 (mm )

0.63

68

引线节距的发展趋势

69




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