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第二章 电子封装工程的演变与进展

本章将论述电子封装工程的演变与进展,从半导体集成电路的发展历史及最新进展入手,先讨论用户专用型ASIC(application specific integrated circuits)以及采用IP(intellectual property:知识产权)型芯片的系统LSI;再以MPU(micro processor unit)和DRAM为例,分析IC的集成度及设计标准(特征尺寸);从电子设备向便携型发展的趋势,分析高密度封装的必然性;分析电子封装的两次重大革命;最后讨论发展前景极好的MCM封装。

一、20世纪电子封装技术发展的回顾:
1、电子封装技术发展历程简介;
2、电子管安装时期(1900—1950年);
3、晶体管封装时期(1950—1960年);
4、元器件插装(THT)时期(1960—1975年);
5、表面贴装(SMT)时期(1975—);
6、高密度封装时期(20世纪90年代初—);

二、演变与进展的动力之一:从芯片的进步看
1、集成电路的发展历程和趋势:
a.集成电路技术的发展经历;
b.ASIC的种类及特征对比:GA(gate array)、单元型IC、嵌入阵列型、FPGA(field programmable gate array)、IP核心系统LSI(IPC-IC:intellectual property integrated circuits)、全用户型IC(FCIC: full custom integrated circuits)、MCM(multi chip module)
c.IP核心系统LSI与MCM
2、集成度与特征尺寸:
a.逻辑元件的集成度与特征尺寸;
b.储存器元件的集成度与特征尺寸;
3、MPU时钟频率的提高;
4、集成度与输入/输出(I/0)端子数;
5、芯片功耗与电子封装:
a.芯片功耗与电子封装的发展趋势;
b.MCM的发热密度与冷却技术的进展;
6、半导体集成电路的发展预测;

三、演变与进展的动力之二:从电子设备的发展看
小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势,从某种意义上讲,这也是一个跨国公司,甚至一个国家综合实力的体现。从便携电话、笔记本电脑、摄像一体型VTR的发展历程可窥一豹而知全貌。三大携带型电子产品,为了实现更加小型、轻量化,不断地更新换代所用的半导体器件,特别是采用新型微小封装,对于BGA、CSP、MCM等新封装器件,采用之快,用量之大,是绝大多数电子产品所无法比拟的。由于BGA、CSP、MCM的大量采用,促使封装基板的发展趋势是:向着三维立体布线的多层化方向发展、向着微细图形和微小导线间距方向发展、向着微小孔径方向发展、多层板向薄型化方向发展;

四、电子封装技术领域的两次重大变革
1、从插入式到表面贴装—第一次重大变革;
2、从四边引脚的QFP到平面阵列表面贴装—第二次重大变革:
a.BGA逐渐抢占QFP的市场;
b.BGA的优点:
■与现用的QFP相比,可实现小型,多端子化(实装密度高),400端子以上不太困难;
■由于熔融焊料的表面张力作用,具有自对准效果,因此容易实现多端子一次回流焊的表面实装,因而它是很理想的表面实装结构;
■虽然封装价格比QFP高,但由于实装可靠,因实装不良造成的翻修价格几乎为零,因此按总的封装价格相比,BGA占优势;
■与QFP相比,实装操作简单,在现有的实装生产线上即可进行生产,需要的附加设备投资和人员培训投资很低;
c.常用BGA的几种类型:PBGA(plastic BGA)、EBGA(enhanced BGA)、ABGA(advanced BGA)、TBGA(tape BGA)、FCBGA(flip chip BGA);
3、电子封装的第三次重大变革:
a.高性能CSP封装;
b.以芯片叠层式封装为代表的三维封装;
c.全硅圆片型封装;
d.球型半导体;
4、逻辑器件和存储器件都对电子封装提出更高要求;
5、电子封装的发展动向:
a.总的发展趋势;
b.从陶瓷封装向塑料封装发展;
c.封装结构形式的发展趋势
■第一个发展方向是从BGA向增强BGA、再向倒装芯片、积层式多层基板BGA发展,目标是追求多引脚(1000以上)、高密度;
■第二个发展方向是从BGA向MCM,再向叠层式储存器模块发展,目标是实现封装层次的三维封装;
■第三个发展方向是从BGA向更窄节距引脚的CSP发展,目标是在小型化的同时,实现更高的封装密度、更多的引脚数、更高的性能;
■第四个发展方向是从BGA向倒装芯片CSP,再向2芯片叠层、3芯片叠层方向发展,目标是实现芯片层次的三维封装;
■第五个发展方向是从BGA向全硅圆片级CSP,再向存储器模块发展,通过全硅圆片的封装操作,提高密度,降低成本;
d.对封装工艺和封装材料提出更高要求;
e.三维封装:
■三维封装的分类;
■封装叠层的三维封装;
■芯片叠层的三维封装;
■硅圆片叠层的三维封装;

五、多芯片组件(MCM)
1、MCM的历史、种类及其特征:
a.MCM(multi chip module:多芯片组件)可定义为,将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线板上,经整体封装而构成的多芯片组件,按此定义MCM也包括在传统的厚膜及薄膜陶瓷布线板上搭载多个裸芯片的混合集成电路,以及在印刷电路板上搭载多个裸芯片的COB;
b.分类:
■按IPC公司的分类:MCM-L采用积层印制线路板的MCM、MCM-C采用多层陶瓷布线板的MCM、MCM-D采用有薄膜导体层与绝缘体层构成的多层布线板的MCM;
■按Data Quest公司分类:MCM-L(laminate)采用积层印制线路板的MCM、MCM-H(hybrid)采用混合集成实装技术的MCM、MCM-Co(co-fired)采用共烧陶瓷多层布线板的MCM、MCM-HDI(high density interconnection)采用HDI(高密度互联)布线板的MCMP;
■其它分类法:
MCM-L: high density laminated printed circuit boards;
MCM-D: deposited organic thin film on Si, ceramic or metal substrate;
MCM-C: co-fired ceramic HDI(high density interconnection) substrate;
MCM-Si: silicon HDI with Si02, dielectric substrate;
MCM-D/C: deposited organic thin film interconnection on co-fired ceramic substrate;
c.特征:MCM-L成本最低,MCM-C可靠性比MCM-L高,MCM-D成本最高,但性能优异;

2、MCM的制作工艺—以MCM-D为例:
a.MCM-D的技术特点:
■MCM-D的系统设计(包括CAD、版图设计、电学热学设计、可靠性设计等);
■MCM-D专用芯片制造技术(包括KGD的获得);
■MCM-D实用工艺技术(包括衬底材料、多层布线基板的制作、多芯片组装技术);
■MCM-D的测试、老化技术;
■MCM-D的翻修技术;
b.MCM-D的设计;
c.MCM-D的制造:
基板准备—第一层金属成膜—光刻—旋涂聚酰亚胺—预烘—光刻通孔—后烘—通孔金属化—表层金属成膜—光刻—旋涂聚酰亚胺(钝化)—退火—成品;
d.MCM-D封装:通常需要采用外壳封装形式,与常规单片IC组装略有不同,一般需要两次装片、两次键合、即基板上的多芯片组装和基板的组装;

3、MCM的发展趋势:MCM由于成本昂贵,MCM大都用于军事、航天及大型计算机上,但随着技术的进步及成本的降低,MCM有可能普及到汽车、通信、工业设备、仪器与医疗等电子系统产品上;

六、SiP与SoC
1、何谓SiP和SoC:
a.SiP(system in a package:封装内系统或称系统封装)是指将不同种类的元件,通过不同种技术,混载于同一封装之内,由此构成系统集成封装形式;
b.SoC(system on a chip:芯片上系统,或称系统集成)这一简称也是经过不断演变,逐渐形成的。在计算机单芯片时代,CPU及其周边电路搭载在同一芯片上,构成了VLSI,一般称为系统LSI,在1988年前后,这种搭载有存储器的VLSI,不再采用系统LSI这一名称,而是改称为SoC,主要是突出其芯片上系统的内涵;

2、单芯片路线遇到壁垒:
a.掩膜价格越发昂贵;
b.漏电流问题不好解决;
c.不同元件的工作电压出现剪刀差;
d.模拟电路的缩小也有极限;

3、SiP和SoC的竞争:SiP和SoC各有各的优点,应针对用户的不同要求,提供最合适的技术。

4、SiP的发展过程:
a.从HIC到MCM;
b.从MCP到SiP;
c.半导体封装的第三次重大变革;
d.SiP的发展趋势
e.对SiP提出的疑问:
■价格能比过去便宜吗?
■通用LSI能自由组合吗?
■界面不同当如何处理?
■设计能简化吗?
■发热问题能不严重吗?
■对叠层芯片的尺寸要求有限制吗?
■能实现高速化、低功耗吗?
f.SiP面临的挑战
■对应多端子、高速化的微互联技术:低价格地实现超多端子、微细节距端子的连接、利用贯通孔技术实现多芯片间的连接、微细布线基板技术;
■三维封装技术;更薄的硅圆片技术、散热冷却技术、KGD及系统检测技术;
■面向高速特性的设计环境的构筑;
g.SiP的标准化动向:JEITA下属的封装技术委员会为了制定模块技术标准,首先向国际标准化会议提出将SiP所涵盖的内容总称为MDS(multi device sub-assemblie:多元件亚系统),若将MDS的范围扩大,还包括目前已出现的EPD(embedded passive device:埋置无源元件)/EAD(embedded active device:埋置有源元件)等内部埋置元件的三维集成封装,进一步还包括光、电复合回路模块等;

七、半导体封装技术的发展预测:
1、封装的作用及电子封装工程的地位:
■保证电子元器件正常工作,并引出其功能;
■保证电子元器件之间信息的正常存取,并以功能块的形式实现其功能要求;
■通过多数个功能块之间的结合,构成系统装置并实现其功能;
■便于人与机器系统之间的信息交流,即建立快适的人机界面;
■作为商品,通过封装实现附加价值,以增强竞争力;
2、半导体封装技术的现状及动向:
a.芯片保护:从严格的气密型封装向简易的树脂封装方向转变;
b.电气功能的实现:必须综合考虑LSI回路设计、封装设计以及搭载封装的母板设计等;
c.通用性及封装界面标准化:关于端子节距、封装尺寸、封装材料等;
d.散热冷却功能:从50W到100W是空冷技术极限,必须加以考虑;
3、主要半导体封装技术的发展趋势:超小型封装—超多端子封装—多芯片封装;
4、今后的课题:半导体封装今后的课题,不仅仅是封装自身的开发,搭载芯片的封装基板及搭载封装的母板也需要进一步开发,目前看来高密度布线板的微细化进展落后于半导体封装的发展进程。

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