集成电路封装

集成电路封装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。[1]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。

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，来间接地进行互连。

随着微电子机械系统(MEMS)器件和片上验室（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。

变革

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。

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。

发展现状

在产业规模快速增长的同时，IC计、芯片制造和封装测试三业的格局也正不断优化。2010年，国内IC设计业同比增速达到34.8%，规模达到363.85亿元;芯片制造业增速也达到31.1%，规模达到447.12亿元;封装测试业增速相对稍缓，同比增幅为26.3%，规模为629.18亿元。

总体来看，IC设计业与芯片制造业所占比重呈逐年上升的趋势，2010年已分别达到25.3%和31%;封装测试业所占比重则相应下降，2010年为43.7%，但其所占比重依然是最大的。

目前，中国集成电路产业集群已初步形成集聚长三角、环渤海和珠三角三大区域的总体产业空间格局，2010年三大区域集成电路产业销售收入占全国整体产业规模的近95%。集成电路产业基本分布在省会城市和沿海的计划单列市，并呈现“一轴一带”的分布特征，即东起上海、西至成都的沿江发展轴以及北起大连、南至深圳的沿海产业带，形成了北京、上海、深圳、无锡、苏州和杭州六大重点城市。

去年年初，国务院发布了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，从财税、投融资、研发、进出口、人才、知识产权等方面给予集成电路产业诸多优惠，政策复盖范围从设计企业与生产企业延伸至封装、测试、设备、材料等产业链上下游企业，产业发展政策环境进一步好转。

根据国家规划，到2015年国内集成电路产业规模将在2010年的基础上再翻一番，销售收入超过3000亿元，满足国内30%的市场需求。芯片设计能力大幅提升，开发出一批具有自主知识产权的核心芯片，而封装测试业进入国际主流领域。“十二五”期间，中国集成电路产业将步入一个新的黄金发展期。

国内集成电路产业在宽带提速、家电下乡等宏观政策影响下好于全球市场。根据中国半导体行业协会统计，2012年中国集成电路产业销售额为2158.5亿元，同比增长11.6%。

中国集成电路产业发展逐步形成了集成电路设计、集成电路制造和集成电路封装测试三业并举、协调发展的格局。2012年，中国集成电路设计业销售额占比为28.8%、制造业销售额占比为23.2%，封装测试业销售额占比为48.0%。

报告数据显示，2012年国内集成电路产量为823.1亿块，同比增长14.4%。2012年中国集成电路产品进口金额为1920.6亿美元，同比增长12.8%;2012年中国集成电路产品出口金额为534.3亿美元，同比增长64.1%。

发展趋势

在较长一段时期内，集成电路封装几乎没有多大变化，6～64根引线的扁平和双列式封装，基本上可以满足所有集成电路的需要。对于较高功率的集成电路，则普遍采用金属圆形和菱形封装。但是随着集成电路的迅速发展，多于64，甚至多达几百条引线的集成电路愈来愈多。如日本40亿次运算速度的巨型计算机用一块ECL．

复合电路，就采用了462条引线的PGA。过去的封装形式不仅引线数已逐渐不能满足需要，而且也因结构上的局限而往往影响器件的电性能。同时，整机制造也正在努力增加印制线路板的组装密度、减小整机尺寸来提高整机性能，这也迫使集成电路去研制新的封装结构，新的封装材料来适应这一新的形势。因此，集成电路封装的发展趋势大体有以下几个方面：

1．表面安装式封装将成为集成电路封装主流集成电路的表面安装结构是适应整机系统的需要而发展起来的，主要是因为电子设备的小型化和轻量化，要求组装整机的电子元器件外形结构成为片式，使其能平贴在预先印有焊料膏的印制线路板焊盘上，通过再流焊工艺将其焊接牢固。这种作法不仅能够缩小电子设备的体积，减轻重量，而且这些元器件的引线很短，可以提高组装速度和产品性能，并使组装能够柔性自动化。

表面安装式封装一般指片式载体封装、小外形双列封装和四面引出扁平封装等形式，这类封装的出现，无疑是集成电路封装技术的一大进步。

2．集成电路封装将具有更多引线、更小体积和更高封装密度

随着超大规模和特大规模集成电路的问世，集成电路芯片变得越来越大，其面积可达7mm×7mm，封装引出端可在数百个以上，并要求高速度、超高频、低功耗、抗辐照，这就要求封装必须具有低应力、高纯度、高导热和小的引线电阻、分布电容和寄生电感，以适应更多引线、更小体积和更高封装密度的要求。

要想缩小封装体积，增加引线数量．唯一的办法就是缩小封装的引线间距。一个40线的双列式封装要比68线的H式载体封装的表面积大20%，其主要区别就是引线目距由2.54mm改变自1.27mm或1.00cmm。不难想像，如果引线间距进而改变为0.80mm，O.65mm甚至050mm，则封装的表面积还会太大地缩小。

但是为了缩小引线间距，这势必带来了一系列新的目题，如印线精密制造就必须用光致腐蚀的蚀刻工艺来代替机械模具的冲制加工，并必须解决引线间距缩小所引起的引线间绝缘电阻的降低和分步电容的增大等各个方面研究课题。

集成电路芯片面积增大，通常其相应封装面积也在加大，这就对热耗散问题提出了新的挑战。这个问题是一个综台性的，它不仅与芯片功率、封装材料、封装结构的表面积和最高结温有关，还与环境温度和冷玲方式等有关，这就必须在材料的选择、结构的设计和冷却的手段等方面作出新的努力。

3.塑料封装仍然是集成自路的主要封装形式

塑料模塑封装具有成本低、工艺简单和便于自动化生产等优点，虽然在军用集成电路标准中明文规定，封装结构整体不得使用任何有机聚合物材料，但是在集成电路总量中，仍有85%以上采用塑料封装。

塑料封装与其他封装相比，其缺点主要是它属于非气密或半气密封装，所以抗潮湿性能差，易受离子污染；同时热稳定性也不好，对电磁波不能屏蔽等，因而对于高可靠的集成电路不宜选用这种封装形式。但是近几年来，塑料封装的模塑材料、引线框架和生产工艺已经不断完善和改进，可靠性也已大大提高，相信在这个基础上，所占封装比例还会继续增大。

4.直接粘结式封装将取得更大发展

集成电路的封装经过插入式、表面安装式的变革以后，一种新的封装结构—直接粘结式已经经过研制、试用达到了具有商品化的价值，并且取得了更大的发展，据国际上预测，直接粘结式封装在集成电路中所占比重将从1990年的8%上升至2000年的22%，这一迅速上升的势头，说明了直接粘结式封装的优点和潜力。

所谓直接粘结式封装就是将集成电路芯片直接粘结在印制线路板或复有金属引线的塑料薄膜的条带上，通过倒装压焊等组装工艺，然后用有机树脂点滴形加以复盖。当前比较典型的封装结构有芯片板式封装（COB）、载带自动焊接封装（TAB）和倒装芯片封转（FLIPCHIP）等树种，而其中COB封装和TAB封装已经大量使用于音乐、语音、钟表程控和照相机快门等直接电路。

直接粘结式封装其所以能够迅速发展，最重要的因素是它能适用于多引线、小间距、低成本的大规模自动化或半自动化生产，并且简化了封装结构和组装工艺。例如COB封装不再使用过去的封装所必需的金属外引线；TAB封装采用倒装压焊而不再使用组装工艺必须的内引线键合。这样，一方面减少了键合的工作量，另一方面因减少引线的压焊点数而提高了集成电路的可靠性。

在中国COB封装已经大量生产，而TAB封装尚处于开发阶段，相信在今后的集成电路中，这类封装会占据一定的地位和取得更大的发展。

5.功率集成电路封装小型化已成为可能

功率集成电路的封装结构，受封装材料的导热性能影响，造成封装体积较大而与其他集成电路不相匹配，已成为人们关注的问题之一，而关键所在是如何采用新的封装材料。

功率集成电路所用的封装材料，不仅要求其导热性能好，而且也要求线膨胀系数低，并具备良好的电气性能和机械性能。随着科学的进步，一些新的材料已经开始应用到集成电路方面来，如导热性能接近氧化铍（BeO）线膨胀系数接近硅（Si）的新陶瓷材料—氮化铝（AlN），将成为功率集成电路封装结构的主体材料，从而大大地缩小了体积和改善了电路的性能，相信将来还会有更多的新材料参与到这一领域中来，使功率集成电路能进一步缩小体积。

另外，采用氟利昂小型制冷系统对功率集成电路进行强制冷却，以降低其表面环境温度来解决封装的功耗，已在一些大型计算机中得到实现。这样在改变封装结构的外形设计、使用新的封装材料的同时，再改善外部冷却条件，那么集成电路的热性能就可取得更大的改善。