摘要：集成电路电子芯片封装，不同的处理设备就有不同的处理芯片，芯片是电子设备的核心，其设计、制造、封装、测试等过程对芯片有很大影响。本文从芯片的封装工艺，以及这些封装技术的特点入手，对集成电路电子芯片的发展形势和封装工艺作相关探讨。
关键词：集成电路芯片封装CSP工艺
集成电路是电子产品的主要构件，对电子产品质量和性能有很大影响，集成电路的产业包括集成电路设计、晶圆制造、晶圆测试、封装制造及成品测试，产品应用、开发及信息服务等。集成电路封装主要体现在计算机领域。集成电路的封装是指安装半导体集成电路芯片时用的外壳，不仅可以固定、安放、密封、保护芯片，还可以链接外部电路沟通芯片。芯片封装技术的发展，从DIP、QFP和PFP、PGA、BGA、CSP到MCM等，越来越先进，适用频率也越来越高，耐温性能更是越来越好。引脚数量越来越多，引脚间距也越来越小，质量也是越来越轻，可靠性更是越来越高。
1.芯片封装技术概况
自从1948年晶体管的发明以及1958年半导体集成电路的出现，半导体封装在结构上经历了TO-DlP-LCC-QFP-BGA的发展历程。到了20世纪90年代，随着半导体工业的飞速发展，芯片的功能越来越强，需要的外引脚数也不断增加，封装体积也不断增大，在这种背景下，日本富士通公司提出了一种超薄型封装形式，其封装外壳的尺寸不超过裸芯片尺寸的1.2倍，它主要由IC裸芯片和布线垫片所组成，取名叫芯片级封装（CSP：Chip Scale Package）。随着民用便携式电子装备以及军用整机系统在小型化和轻量化方面的要求越来越高，像CSP这样的小型封装的需求显得十分迫切。
芯片级封装（Chip Scale Package）或者叫芯片尺寸封装（Chip Size Package）实现了封装面积接近于芯片面积的程度。它的概念是基于1992年日本富士通公司所提出的，即封装的尺寸不超过裸芯片尺寸的1.2倍的封装。CSP是一种新型的先进封装形式，在近年得到大量发展。按照在美国的分类方法，它主要分成柔性垫片类CSP、刚性基板类CSP、引线框架类CSP和圆片级CSP（即WLP：Wafer Level Package）四种具体形式。CSP的几项主要的关键技术：即结构设计技术，凸点制作技术，包封技术和测试技术。
2.芯片封装技术发展
自贝尔实验室在1947年发明第一只晶体三极管开始，我们就进入了芯片封装的时代。经过60年的发展，芯片封装技术大致经历了阶段：
第一阶段以通孔器件和插件为主的芯片封装形式，初期主要配合手工锡焊装配，近期有开发波峰焊的设备，可实现大量生产的需求，产品特征为有长长的引脚。典型的封装为铁壳三极管等分立器件和塑料双列直插封装（P-DIP），这一类封装因为实现手工低成本电路板焊接，至今仍有一定的市场份额。
第二阶段是随着上世纪80年表面贴片焊接（SMT）技术的迅猛发展，为配合SMT自动贴片的需要，出现了各种SMD（Surface Mounted Device）封装，这类封装通常在两翼或周边有扁平的引脚，可以使用高速置件机或中速置件机方便地被精确放置到涂了焊膏的电路板上，以配合回流焊连接。
第三阶段出现在上世纪90年代，随着单芯片功能的复杂化，I/O端口越来越多，从最早期的两三个引脚一直发展到约500个以上，终于遇到了瓶颈，因为第二阶段封装引脚只能分布在封装体四周，只是‘线’封装。终于在90年代，芯片封装从芯片四周的‘线’封装成功发展到芯片‘面’封装，BGA（Ball Grid Array）球栅阵列封装就是‘面’封装的代表，I/O端口分布不再局限于整个芯片四周，BGA产品已经将I/O端口扩展到封装体背面，保证了足够的焊点尺寸和节距，工艺难度显著降低，但是可靠性却大大增加。BGA封装仍是目前高引脚数（高I/O端口）芯片的主流封装形式。
第四阶段出现在90年代末和本世纪初，随着电子产品日益微型化，运行速度要求越来越快，尤其是手提电话和个人数据助理（PDA，Personal Data Assistant，现在常用的智能手机）等产品的越来越集成化，微型化，产品越来越轻薄短小，功能越来越强大。要求集成电路芯片封装体也要相应微型化，这样有时BGA芯片都显得太大了。逐渐封装率的要求变得越来越重要，封装率就是封装体和晶片的尺寸比例，这样CSP就发展起来，CSP就是Chip Scale Package，即芯片尺寸封装。CSP通常要求封装率小于1.2。该阶段封装尚处于发展之中，我们利用各种方法来实现CSP，其中翻转贴片或称倒装芯片（FC，F1ip Chip）是目前最重要最成熟的CSP技术。
3.芯片封装工艺分析
3.1DIP 封装
双列直插形式封装的集成电路芯片，简称DIP（Dual In-linePackage）。主要是小规模的集成电路采用的封装形式，其引脚数一般低于100 个。DIP 封装技术的形式主要有：单层陶瓷双列直插式DIP，多层陶瓷双列直插式，塑料包封结构式，引线框架式等。DIP 封装的主要特点是：
1）适用于PCB（PCB 即Printed Circuit Board 的缩写，中文名称为印制电路板）穿孔焊接；
2）对于PCB 电路板易于布线；
3）操作简便。
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由于使用DIP封装，芯片面积与封装面积之间的比值较大，所以这种封装方式的体积较大，主要应用于早期的CPU 和内存芯片封装。
3.2QFP/PFP 封装
塑料方型扁平式封装，简称QFP（Quad Flat Package）。主要是大规模或超大型集成电路采用的封装形式，其引脚数一般在100 个以上。塑料扁平组件式封装，简称PFP（Plastic FlatPackage），这种芯片封装方式与QFP 基本相同，唯一不同的是QFP 通常是正方形，而PFP 随意。QFP/PFP 封装的主要特点是：
1）适合用SMT（Surface Mounted Technology，表面组装技术）技术在PCB 电路板上进行布线安装；
2）由于芯片面积与封装面积比值小，所以适合用于高脚位应用；
3）可靠性高，操作方便。
3.3 PGA 封装
插针网格阵列封装，简称PGA（Pin Grid Array Package）。该芯片的封装形式是在芯片内外都有多组方阵插针，且插针沿着芯片的四周按照一定的规律进行排列，在安装的时候，将芯片直接插入专用的PGA 插座即可。PGA 封装的主要特点是：
1）安装操作简单，封装形式可靠性高；
2）封装面积比值更小，可以适用于更高脚位的产品。
3.4 BGA 封装
球栅阵列封装，简称BGA（Ball Grid Array Package）。该封装形式是为了满足芯片的发展的需要而发展起来的一种新的封装方式。90 年代以来，随着芯片集成封装技术的进步，以及生产设备的不断提升，硅单芯片集成度有了很大程度的提升，引脚数急剧增加，功耗也随之增大，因此对集成电路封装要求就更加严格。目前，BGA 的封装方式经过不断的发展和应用，已经进入实用化的阶段。BGA 封装的主要特点是：
1）芯片的引脚数增多，且它们之间的间距增大，提高组装成品率；
2）通过可控塌陷芯片法进行焊接，改善芯片的电热性能；
3）信号在传输中延迟减小，使用频率大大得到提升；
4）组装中使用共面焊接，是芯片的可靠性提高。
3.5 CSP 封装
芯片级封装，简称CSP（Chip Size Package）。为了适应全球电子产品的个性化、轻巧化的发展趋势，这种封装减小了芯片封装外形的尺寸使之与芯片大小完全符合。CSP 封装技术未来将大量应于数字电视、移动通信、无线网络等领域。CSP 封装的主要特点是：
1）芯片组的引脚可以随着需求的不同不断增加；
2）信号的传输中大大减少延迟；
3）封装面积与芯片面积的比值很小。
3.6 MCM
多芯片模块，简称MCM（Multi Chip Model）。这种电子模块系统的出现，是为解决由于单一芯片集成度低造成功能不够完善等问题。它通过把多个集成度高、性能完善可靠的芯片，在高密度多层互联基板上组成功能完善的电子模块系统。MCM 的主要特点是：
1）模块之间模块内部的信息传输延时显著减小；
2）有效减少了封装的大小；
3）显著提高了系统的可靠性。
4.结论
主要对目前市场上普遍采用的集成电路电子封装技术做了简单分类和简要的介绍，对其优缺点以及适用情况进行了扼要的分析。由于电子科学技术的发展速度是非常快速的，在这一发展过程中，许多新的技术以及新的生产工艺也会随之产生。因此，如何跟随科技发展的脚步，不断发展我国集成电路电子封装技术是今后一段时期身为集成电路芯片封装测试工作者的工作重点。同时，我们要不断学习国外先进技术，总结自身开发的封装技术，吸收和持续创新将会是我国可永续发展的重要方式。
参考文献：
[1]邹勇明．集成电路芯片封装形式的研究（JJ．基础科学，201002）．
[2]郭小伟．集成电路芯片封装可靠性知识啊．电子工业专用设备，2006039）．
[3]鲜飞，集成电路芯片封装技术的展阴．电子制作，2006（01）．
作者简介：林泰良；男；1972/06/10；台湾；逢甲大学本科；电子芯片封装；江西万年芯微电子有限公司经理。
论文作者:林泰良
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
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