集成电路封装

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• 什么是 IC 封装？
• 为什么 IC 封装很重要？
• 什么是 IC 封装
• IC 封装类型
• IC 设计注意事项
• 最常见的 IC 封装类型是什么
• 替代 IC 封装材料和组装方法
• 什么是贴片材料？
• 引线键合组件类型
• 密封剂
• 了解 IC 封装

为了使半导体能够在多年的使用中可靠地工作，每个芯片都必须保持免受元件和可能的应力的影响。这给我们带来了两个问题——什么是集成电路 (IC) 封装，为什么它对您的电子应用至关重要？如果您在电子行业工作，并且不清楚 IC 封装材料如何为您服务，这里是 IC 封装背后理念的基本分解。

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什么是IC封装？

IC封装是指包含半导体器件的材料。封装是围绕电路材料的外壳，以保护其免受腐蚀或物理损坏，并允许安装将其连接到印刷电路板 (PCB) 的电触点。集成电路有很多不同的类型，因此需要考虑不同类型的集成电路封装系统设计，因为不同类型的电路设计对其外壳有不同的需求。

为什么 IC 封装很重要？

IC封装是半导体器件生产的最后阶段。在这个重要阶段，半导体块被封装在一个封装中，以保护 IC 免受外部元件的潜在损坏和老化的腐蚀影响。封装本质上是一个外壳，旨在保护模块并促进将信号传递到电子设备电路板的电触点。

自 1970 年代球栅阵列 (BGA) 封装首次在电子封装制造商中使用以来，IC 封装技术不断发展。在 21 世纪之初，封装技术的更新选择超越了针栅阵列封装，即塑料四方扁平封装和薄型小外形封装。随着新世纪的发展，英特尔等厂商迎来了陆地网格阵列封装时代。

与此同时，比其他封装类型容纳更多引脚数的倒装芯片球栅阵列 (FCBGA) 取代了 BGA。 FCBGA 包含整个芯片上的输入和输出信号，而不仅仅是边缘。

IC 封装类型

有多种方法可以根据形成对 IC 封装设计进行分类。因此，IC封装有两种类型：引线框架型和基板型。

IC封装类型的名称是什么？

除了 IC 封装的基本结构定义之外，进一步的类别区分了次要的互连类型。关于不同类别的 IC 封装的更多信息可以在下面找到：

• 针栅阵列： 这些是用于插接的。
• 引线框架和双列封装： 这些封装适用于引脚穿过孔的组件。
• 芯片级封装： 芯片级封装是一种单芯片、可直接表面贴装的封装，其面积小于芯片面积的 1.2 倍。
• 四方扁平包装： 无铅品种的引线框架封装。
• 四方扁平无铅： 用于表面贴装的微型封装，芯片大小。
• 多芯片封装： 多芯片封装或多芯片模块将多个 IC、分立元件和半导体裸片集成到基板上，使多芯片封装类似于更大的 IC。
• 面阵封装： 这些封装允许将芯片表面区域的任何部分用于互连，从而在提供最佳性能的同时还能节省空间。

值得注意的是，许多公司都使用面阵封装。这方面最重要的例子是 BGA 封装，它有多种格式，包括微型芯片级封装（有时称为 QFN 封装）和更大的封装。 BGA结构涉及有机基板，其最佳应用是多芯片结构。多芯片模块和封装是使用片上系统格式的解决方案的主要替代方案。其他选项包括两步和双面互连封装。

此外，被称为晶圆级封装 (WLP) 的晶圆 IC 组装类别已成为行业术语。在晶圆级封装中，构造发生在晶圆表面，形成倒装芯片大小的封装。另一种晶圆级封装是扇出晶圆级封装 (FOWLP)，它是传统 WLP 解决方案的更高级版本。与 WLP 在连接外层封装后进行晶圆切割不同，FOWLP 晶圆切割首先进行。

IC 设计注意事项

为您的应用选择正确的 IC 封装首先要了解有关生产 IC 封装的各种设计考虑因素的技术信息。例如，您需要了解适合您的 IC 封装的材料成分和基板。了解刚性封装基板和胶带封装基板之间的区别也很重要。许多公司还考虑使用层压板作为引线框架的替代品，并选择与金属导体配合良好的基板。

详细了解下面的一些主要设计注意事项。

材料成分

IC 封装的性能很大程度上取决于其化学、电气和材料构成。尽管功能不同，引线框架和层压封装都严重依赖材料成分。引线框架封装是流行的格式，使用银或金引线键合饰面，并采用点镀方法连接。这使得该过程更简单、更实惠。

在陶瓷封装上，合金 42 是一种广泛使用的金属类型，因为它与底层材料一起使用。在塑料封装上，最好使用铜引线框架，因为它可以保护焊点并提供导电性。由于某些地区的政策，材料也是表面贴装塑料封装的关键因素之一。

由于欧洲标准的修订，铅饰面一直是对下一级封装组装进行严格审查的问题。目标是找到可行的锡铅焊料替代品，这种焊料易于应用，并且长期以来一直是整个行业的主要产品。然而，由于供应商之间的广泛竞争，制造商尚未围绕单一解决方案统一起来。铅问题在未来一段时间内不太可能自行解决。

引线框架的替代品

从 1970 年代后期开始，层压板作为芯片对板组件中引线框架的替代品出现了。如今，由于与陶瓷基板相比，层压板具有相对的成本效益，因此层压板在整个 IC 封装解决方案行业中得到广泛应用。最受欢迎的层压板是有机的高温型层压板，它具有卓越的电气特性，而且价格也更实惠。

适用基材

随着半导体封装的普及，对适用基板和中介层的需求也在增加。基板是 IC 封装的一部分，它赋予电路板机械强度并允许其与外部设备连接。内插器支持封装中的连接路由。在某些情况下，“substrate”和“interposer”这两个词是可以互换的。

刚性封装基板和带式封装基板的区别

封装基板有刚性和胶带两种。刚性基材坚固且形状明确，而胶带基材纤薄且柔韧。在集成电路制造的早期，基板由陶瓷材料组成。如今，大多数基板都是由有机材料制成的。

如果基材由多层薄层堆叠形成刚性基材，则称为层压基材。 IC 制造中最常见的两种层压基板是 FR4 和双马来酰亚胺-三嗪 (BT)。前者为环氧树脂，后者为高级树脂材料。

部分由于其绝缘质量和低介电常数，BT 树脂已成为 IC 行业最受欢迎的层压材料之一。在 BGA 上，BT 是所有基板中最常用的。 BT 也已成为芯片级封装 (CSP) 层压板的首选树脂。与此同时，全球的竞争对手正在制造新的环氧树脂和环氧树脂混合物替代品，这可能会让 BT 与竞争对手竞争，随着未来几年市场竞争的加剧，可能会降低整体价格。

作为刚性基材的替代品，胶带基材主要由聚酰亚胺和其他类型的耐温耐用材料制成。磁带基板的优势在于它们能够同时移动和承载电路，这使得磁带基板成为磁盘驱动器和其他在快速、持续移动中承载电路的设备的首选。胶带基材的另一个主要优点是重量轻，这意味着它们不会给应用的表面增加哪怕是最轻微的重量。

辅助金属导体的基板

IC 封装还必须带有金属导体，可以将信号路由到各种互连功能。因此，基材必须帮助促进这一过程。基板将芯片的输入和输出信号路由到封装中系统上的其他功能。放置与基板中的层压板结合的箔（通常是铜）实现了金属导电性。金和镍的浸没层通常用作铜上的饰面，以防止相互扩散和氧化。

最常见的 IC 封装类型有哪些？

引线框架是最常见的 IC 封装类型。您可以将这些封装用于带有银或镀金表面的引线键合互连芯片。对于表面贴装塑料封装，制造商通常使用铜引线框架材料。铜具有高导电性和极其顺应性，因此可以用于此目的。

替代 IC 封装材料和组装方法

许多制造商正试图摆脱实际的引线完成引线框架 IC 封装，但它们的使用频率已经如此之久，以至于对于某些人来说这是一个艰难的过渡。最常见的包如下：

• 双内联包： 双列直插式封装由沿矩形 IC 片水平边缘的两排电气引脚组成。双列直插式封装通过通孔或插座安装到电路板上。
• 小轮廓包： 薄型小外形封装 (TSOP) 是一种 IC 组件，由矩形形状组成，沿水平边缘带有小引脚。 TSOP 在为 RAM 和闪存供电的 IC 上很常见。
• 四方扁平封装： 四方扁平封装 (QFP) 是扁平的方形 IC 组件，其四个边缘均带有引线。 QFP 不能通孔安装，并且插座很少用于这种类型的封装。 QFP 可以有少至 32 个引脚或多至 304 个引脚，具体取决于间距范围。 QFP 的变体包括薄型和薄型。日本电子制造商在 1970 年代首次使用 QFP，但这种封装类型直到 90 年代初才在北美和欧洲获得关注。
• 球栅阵列： BGA 是计算机设备中常见的一种载芯片的表面贴装封装。与仅周边可以连接的其他 IC 封装不同，整个底面都可以安装在 BGA 上。由于球连接较短，BGA 提供了所有 IC 封装中速度最高的一些。 BGA 在 RAM 棒和 USB 卡上很常见，包括 RAM 和扬声器卡。 BGA 上的焊接过程需要精度。

基板封装，例如基于陶瓷的封装，需要一种热膨胀系数 (CTE) 与陶瓷相似的合金，例如 Iconel 或合金 42。在芯片贴装过程中，我们使用特殊芯片将芯片粘合到基板上-连接材料，我们可以在正面焊线组装中使用。避免附着材料中的间隙至关重要，因为这些可能导致热点。良好的芯片贴装材料具有导电性和导热性，是基板封装的理想选择。

如果您需要更高的性能或处理高 I/O 计数，则可以使用层压板。层压封装是陶瓷基板的低成本替代品，并且具有较低的介电常数。

什么是贴片材料？

这种 IC 封装类型有两个主要功能。首先是保护芯片免受外部因素可能造成的损坏。第二个是将输入和输出重新分配到可管理的细间距。此外，该封装提供了一种标准化结构，可正确引导热路径，使其远离堆叠芯片。总体而言，该结构更适合电气测试，更耐错误。

芯片连接材料是制造商设计的液体或薄膜材料，以避免放气，这可能会降低引线键合的质量。这些材料还可以起到应力缓冲作用，因此如果 CTE 与基板不完全匹配，芯片也不会破裂。

有不同的方法应用芯片附着材料，其中一些方法比其他方法更复杂。对于大多数用途，芯片连接应用于引线键合在表面上的组件上。在所有情况下，芯片连接材料都是导热的。在某些组件上，芯片连接还提供导电性。为了防止斑点与模具一起变得太热，制造商通常会设法防止材料中出现空隙。芯片贴装材料，包括液体和薄膜，可防止脱气并保护芯片免受损坏。

引线键合组装类型

引线键合组件有三种形式：

• 热压粘合
• 热熔球键合
• 室温超声波楔形键合

您选择的引线键合装配类型将具有不同的装配能力。引线键合通常使用金线，但如果您有富含氮的组装环境，您也可以使用铜线。使用铝线进行楔形键合是一种经济的选择。

超声波键合从通过组件表面上的孔进线开始。该工艺包括芯片和基板的键合。

热超声键合是一种用于将硅 IC 连接到计算机的工艺。该过程组装了中央处理器的组件，集成了个人电脑和笔记本电脑的电路。

热超声键由热能、机械能和超声波能组成。进行这一过程的机器包含换能器，将电能转化为压电。

热压结合是一种通过力和热的混合来连接两种金属的方法。该方法交替地称为晶片键合、扩散键合、固态焊接和压力连接。热压结合可在表面贴装之前保护电气结构和器件封装。该方法包括表面扩散和晶界扩散。

密封剂

密封剂是 IC 封装的最后一块，用于保护导体和电线免受环境和物理损坏。它们可以由环氧树脂或环氧树脂混合物、硅树脂、聚酰亚胺或溶剂型或室温可硫化制成。您选择的其余组件将取决于您的集成电路和应用程序的特定需求。

印刷电路板在工业和汽车环境中容易受到静电灰尘的影响。为了保护 PCB 的机械性能，制造商现在使用封装树脂。

作为保护屏障，灌封和密封剂在防止灰尘和其他大气元素损害 PCB 的机制方面非常有效。使用足够的树脂，密封剂可以保护 PCB 免受振动、冲击和外部因素的影响。为了使应用程序有效工作，必须对树脂在各种潜在工作环境中的适用性进行测试。这些设置中的单元功能也应该得到评估。

作为灌封和封装树脂的替代品，一些制造商使用保形涂层，它贴合每块电路板的形状并提供强度和耐用性，而不会影响 PCB 的重量或尺寸。涂层通常在正常大气环境下进行测试。每项测试都会将给定涂层的影响置于待测 PCB 的电气和机械性能上。

封装材料有三种基本类型。主要材料是环氧树脂，可以是纯的也可以是混合的。环氧树脂由有机树脂组成，通常价格实惠，因此在制造商中很受欢迎。另一种广泛用于封装 IC 芯片的材料是硅树脂，它不是碳基材料，因此不是有机树脂。有机硅树脂通常是溶剂型的。或者，一些树脂是室温可硫化的，与水分接触可以固化它们。有机硅因其在冷热环境中的灵活性而广受欢迎。

灌封和封装树脂有几种不同的配方，保形涂料也是如此。每种配方都针对特定范围的大气条件进行了平衡。通过测试，制造商可以确定哪些配方最适合特定环境。在正常情况下，大多数类型的树脂和涂料都会为 PCB 提供足够的保护。在更苛刻的环境中，电路板通常需要涂有特殊材料的涂层，例如亚克力。如果 PCB 打算在水下环境中使用，那么超强度涂层是最合适的选择之一。

由有机硅制成的树脂可在各种环境中提供最佳的 PCB 性能。对于 PCB 设计，硅胶通常优于聚氨酯或环氧树脂。在最后两者之间，聚氨酯是各种环境中更可靠的材料。聚氨酯树脂在海洋环境中可有效作为海水浸泡保护。

了解 IC 封装

为了保持市场领先地位，紧跟 IC 封装趋势至关重要。这样，您就可以保持竞争力并在 IC 封装材料市场进行正确的投资。不同的细分市场影响着包装材料的价格、受欢迎程度和可用性。此外，区域范围内的趋势会影响包装材料在世界某些角落的使用量是否会上升或下降。

有关 IC 市场趋势的新闻、统计数据和信息，有兴趣的各方应阅读半导体和 IC 封装材料市场报告，该报告根据类别和应用进行细分，所有这些都在 IC 行业的框架内。行业内的专家使用设计数据管理来收集和审查有关设计解决方案的信息，每个人都将他们作为制造商、供应商和零售商的见解带到桌面上，并提供整个价值网格的全貌。

在任何特定时间，突然的、意想不到的事件都可能影响市场，包括自然灾害、气候变化、政治动荡、颠覆性技术和文化转变。作为 IC 前沿的利益相关方，要掌握 IC 封装的最新动态，您需要了解封装材料的生产、供应、出口、进口、定价、完整性分析和整体增长率方面的趋势，并定期检查它们以便制定计划，相应地进行预算并保护您的收入。

Millennium Circuits 的 IC 封装

如您所见，电子系统的 IC 封装有很多元素，作为电子行业的参与者，了解它们并及时了解先进封装的新发展至关重要——尤其是关于它们如何影响您的组件的性能要求. IC 封装的某些方面在未来几年可能会保持相对稳定，而其他方面可能会发生重大变化，您会希望保持领先地位。了解可能发生的变化可以让您更好地应对变化。

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