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封装是集成电路中一个非常非常重要也庞杂的系统性内容。其既涉及封装方法、封装工艺、封装流程、封装缺陷检测、封装解封等一系列的子过程,也涉及很多具体的内容、例如晶圆组装、键合工艺、基板类型、封装材料、粘结材料、引脚涂层、材料间热膨胀系数等一系列课题,每部分展开都能写出很多内容。限于本文是MIL-PRF-38535的外延内容,因此本节的“封装”内容仅讨论一个问题——封装结构
说起封装,咱们要先说说其本质的作用是什么?封装是一种将芯片与承载基板(die +mounting)连接固定,引出管脚并将其塑封成整体器件或模块的工艺,主要起到的是电气连接,结构支持和保护、提供散热途径等作用。
集成电路封装的结构分类可依照2D或3D封装设计、与PCB(引线或基板)的互连、引线技术(通孔或表面贴装)、引线的形状和封装后有几个边有引线来进行划分。集成电路封装类型可参看图1 集成电路封装类型。
图1:集成电路封装类型
2D集成电路封装
其结构可以是单芯片或多芯片封装。其中封装的单片机封装可分为两大类:引脚框和基板。引脚框封装可进一步分为两种类型: 通孔安装(THT)和表面贴装(SMT)。
引脚框封装
通孔技术(THT)
1960 年代开发的通孔技术要求将封装引线插入电路板的电镀通孔中。插入后,引线会通过波峰焊接来与线路板进行电气连接。THT的优点是确保了机械强度高,焊点的耐冲击性好、对引脚与电路板材料的热膨胀系数不匹配的问题也有很好的容差。然而,电镀通孔成本高,需要元件在板上占据更多的空间,并且只能安装在板的一侧,因此现在的THT已经被SMT(表面贴装技术)所逐步取代了,作为一代典型封装,已经从主流封装结构中逐渐地淡出了。
图2:双列直插引线键合示意图
图3:通孔集成电路常见的封装形式
表面贴装(SMT)
常见的表面贴装封装系列有小外形封装 (SOP)、塑料引线芯片载体 (PLCC)、四方扁平封装 (QFP)、TAB (Tape-automated bonding package) 和球栅阵列 (BGA)。这些封装设计用于在印刷线路板上进行扁平安装,并且还可以在电路板的两侧进行安装。
SOP类似于DIP,在封装体的两侧都有引线(图4 SOP封装示意图)。两者之间的区别在于SOP上的引线是L形的,以便安装到电路板的表面上。该器件有多种变体,包括薄型小外形封装(TSOP)、散热小外形封装和收缩小外形封装。小外形J型引线(SOJ) 封装也是SOP的一种变体。SOJ的引线形成J形弯曲结构并折叠在主体下方。SOJ的优点是比鸥翼式的占地面积更小,但焊点检查会变得更加困难。
图4:SOP封装示意图
TSOP 凭借其紧凑的外形,越来越多地成为表面贴装中的主流SOP,尤其是在存储器方面。PLCC与SOJ类似,只是引线位于塑料体的所有四个侧面。与等效DIP的互连引线相比,PLCC 的互连引线平均更短且长度更一致。QFP是方形或矩形塑料封装,引线分布在所有四个侧面。QFP在形状和性能上类似于PLCC,但具有鸥翼引线而不是J型引线。TAB封装如图5(图5:表贴集成电路的常见封装形式)所示。TAB 携带的芯片并未封装在模制的塑料体中,而是由薄玻璃晶片所覆盖,其铜引线粘合到聚酰亚胺胶带上,该胶带具有标准电影胶片的形式。这些胶带坚固耐用,可用于在专门设计的设备上进行自动放置和焊接。
图5:表贴集成电路的常见封装形式
基板封装
在BGA封装中,使用有机基板代替引线框架。基材一般由双马来酰亚胺三嗪(qín)或聚酰亚胺制成。芯片安装在基板的顶部,构建在基板底部的焊球与电路板连接。这种设计允许更短的电路连接长度,从而提高电气性能,以及更小的封装尺寸。BGA 类型的变体包括引线键合塑料球栅阵列 (PBGA)、倒装芯片塑料球栅阵列 (FC-PBGA) 和带自动键合塑料球栅阵列。引线键合PBGA和FC-PBGA封装样式如图6(图6引线键合BGA封装示意图)和图7所示(图7 FC键合BGA封装示意图)。
另外,芯片级封装 (CSP) 现在也已经广为使用,其尺寸仅略大于芯片本身。它们的尺寸不超过实际芯片尺寸的20%。CSP与传统模制BGA相比的优势通常是成本更低,因为基板浪费更少、制造工具更少、模制化合物浪费更少,并且占地面积更小。
图6引线键合BGA封装示意图
图7 FC键合BGA封装示意图
多芯片模块封装
2D多芯片模块 (MCM,Multi-chip module) 封装由位于同一平面上并互连到基板的多个 IC 芯片组成。MCM 可以是多种不同风格的封装。图8显示了带有 PBGA 封装设计的 MCM
图8:多芯片模块塑料球栅阵列封装
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文章中部分内容及图例引自:EncapsulationTechnologies for Electronic Applications 作者:HalehArdebili, Michael Pecht
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