先进芯片封装初级课程（第三章）笔记

一、IC 元件的分类依据

（一）与电路板的接合方式

• 分为引脚插入型（Pin - Through - Hole，PTH，也称为插件型）与表面黏着型（Surface Mount Technology，SMT）两大类。

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以上为PTH直插原件

以上是一些贴片元件

（二）引脚分布型态

• 包括单边引脚、双边引脚、四边引脚、底部引脚。

（三）封装形貌与内部结构

• 有多种变形体分类，如 DIP 的其他变形体、芯片型封装（Chip Scale Packages，CSP）、DCA（Direct Chip Attach）封装、LOC（Lead on Chip）封装、PGA 封装可演变为球脚阵列封装（Ball Grid Array，BGA）等，各有其独特的结构和性能特点。

二、IC 元件标准化定义（一）

（一）分类命名依据

• 依据 IC 芯片数目、封装材料、与电路板接合方式、引脚分布型态、封装形貌与内部结构等因素对 IC 元件进行分类命名。

（二）依封装中组合的 IC 芯片数目分类

• 单晶片封装（Single Chip Packages，SCP）：将单个 IC 芯片进行封装。

• 多晶片模块封装（Multi chip Module，MCM）：包含多个不同功能的芯片，通过先进互连技术连接，具有高集成度、小封装尺寸、灵活性和高性能等特点，能提高信号传输速度和可靠性。

（三）依封装的材料分类

• 陶瓷封装：热传性质优良，可靠度佳，常用于高可靠度需求的 IC 封装，但脆性较高、制程温度高且成本高。

• 塑胶封装：一般以热固性材料为主，具有原料纯度高、粘度低、杂质少、低成本、易加工成型、适合自动化生产等优点，但散热性、耐热性、密封性与可靠度逊于陶瓷和金属封装。其成型方式包括转注封装（Transfer molding）和压塑封装（Compression molding），压塑封装适用于大面积封装。相同形式的 IC 用不同材料封装会有不同名称，如 DIP 元件有 PDIP（Plastic DIP）与 CERDIP（Ceramic DIP），BGA 元件有 PBGA（Plastic BGA）和 CBGA（Ceramic BGA）等。

三、IC 元件标准化定义（二）

（一）与电路板接合方式分类

• 引脚插入型（PTH）：引脚插入电路板的孔中，通过焊锡固定，如传统的 DIP 封装。

• 表面黏着型（SMT）：先将接脚黏贴于电路板上后再以焊接固定，包括海鸥翅型、钩型、J 型、直柄型等引脚类型。舍弃第一层级封装而直接将 IC 芯片黏结到基板上的裸晶型（Bare Chip）封装（也称为 DCA 封装）也属于 SMT 接合的一种。SMT 是一种 PCB 组装技术，根据焊接方法可分为回流焊和波峰焊，根据装配方法可分为全表面装配、单面混合装配和双面混合装配，其焊接质量受多种因素影响，如 PCB 设计、焊料质量、助焊剂质量、焊接金属表面氧化程度、印刷、安装和焊接等技术设备和管理，回流焊接质量还受焊膏质量、SMD 技术要求和回流焊接温度曲线设置等因素影响。

四、IC 元件标准化定义（三）

（一）引脚分布型态分类

• 单边引脚

  • 单列式封装（Single Inline Packages，SIP）：构成要素包括封装载体（如 PCB、LTCC、Silicon Submount 等）与组装工艺（如传统封装工艺 Wirebond 和 Flip Chip 及 SMT 设备）。

  • 交叉引脚封装（Zig - zag Inline Packages，ZIP）：具有较低的热膨胀系数和较好的机械缓冲能力，能在温度变化和机械应力下提供更稳定的封装环境；有较高的黏结强度和良好的粘附性，可提供可靠的黏结效果，还具有良好的电绝缘性能，防止芯片与基板之间短路。

• 双边引脚

  • 双列直插式引脚封装（Dual Inline Packages，DIP）：常见的封装结构形式，有多层陶瓷双列直插式、单层陶瓷双列直插式、引线框架式等。

  • 小型化封装（Small Outline Packages，SOP）：包括 SOJ（J 型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型 SOP）、TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等，引脚间距和脚数多样。

• 四边引脚

  • 四边扁平封装（Quad Flat Pack，QFP）：操作方便、可靠性高，封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用，主要适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线，但引脚中心距小于 0.65mm 时引脚容易弯曲，有改进品如 BQFP、GQFP、TPQFP 等。

  • 针格式封装（Pin Grid Array，PGA）：插拔操作方便、可靠性高，可适应更高频率，安装时将芯片插入专门的 PGA 插座，如 CPU 等芯片常用此封装，其引脚数可发展到较高数量。

• 底部引脚：如 BGA 封装，底部是球形引脚，直接焊接在 PCB 板上，具有一些独特的性能和应用特点。

五、IC 元件标准化定义（四）

（一）DIP 的其他变形体

• SDIP：更宽、更平、更长的 DIP 芯片，长边上包含大量引脚，脚中心距小于 DIP。

• SKDIP：一种标准 DIP，引脚间距为 0.1 英寸（2.54 毫米），行间距为 0.3 英寸（7.62 毫米）。

（二）在热处理规划上加入散热片设计的封装

• TSOP：成品成细条状，长宽比约为 2 比 1，适合用表面贴装 SMT 技术，适合高频应用，操作方便，可靠性高。

• UTSOP：类似 TSOP，在某些方面有所改进或优化（具体改进内容未详细提及，可能与尺寸、性能等相关）。

• TQFP：能有效利用空间，适合对空间要求较高的应用。

• DHS - QFP：与传统 QFP 相比，铝制嵌入式散热器的热性能提高了 17%，适用于 2 - 3 瓦功率应用。

• DPH - QFP：具有特定的结构设计（具体结构特点未详细提及，可能与散热、封装强度等相关），以适应不同的应用需求。

（三）芯片型封装（CSP）与 DCA 封装

• CSP：封装成型后的芯片是原来裸晶的 1.2 倍，具有体积小、输入和输出端数多、电性能好、热性能好、重量轻、气密性好等特点，适用于表面安装。

• DCA（Direct Chip Attach）封装：直接芯片连接，是将封装好的芯片直接放置在基板或印刷电路板上的组装技术，Chip - on - Board（CoB）和 Chip on Flex（CoF）都属于 DCA 技术。

（四）LOC 封装

• 舍弃传统芯片黏结方式，以聚亚酰胺（Polyimide，PI）树脂胶带将 IC 芯片接合于引脚架之下，具有电性能优越、小型化和高集成度、散热性能优越、降低电磁干扰等优点，但制造和封装难度较大，受限于引线数目，对芯片设计要求高。

（五）PGA 与 BGA 的区别

• 应用上：BGA 通常用于薄笔记本主板（如 X 系列笔记本）；PGA 是一种较老的芯片封装，比 BGA 大，一般用于台式机（一般 T 系列，CPU 可以随时交换）。

• 引脚外形上：BGA 底部是球形的，一般直接焊接在 PCB 板上，拆卸焊接需要专用的 BGA 修复台，个人不能拆装焊接；PGA 的销钉是针状的，安装时可以将 PGA 插入专用的 PGA 插座中，便于拆卸。

• 成本上：BGA 是在 PGA 的基础上发展起来的，BGA 技术更先进，焊接比 PGA 更简单，而且价格比 PGA 便宜，PGA 是较旧的封装方法，焊接更麻烦且更昂贵，BGA 的性价比远高于 PGA。

六、插装 IC 介绍

（一）DIP（Dual In - line Package）

• 封装结构：包括 Bonding Wire（金线）、Die（晶片）、晶片托盘、Resin mould（树脂模封）、Leadframe（引线框架）等，内引脚用于连接芯片和外引脚，外引脚用于与电路板连接。

• 材料类型

  • 塑胶封装 DIP：大部分使用热固性树脂塑胶，固化周期短，可大量生产。

  • 陶瓷封装 DIP：气密性良好，常用于高可靠度设备。

• 引脚间距与数量：一排引脚之间的间距为 2.54 毫米，二排引脚之间的距离常见为 7.62 毫米或 15.24 毫米，引脚数恒为偶数。行间距为 0.3 英寸时，常见引脚数为 8 至 24，偶尔有 4 或 28；行间距为 0.6 英寸时，常见引脚数为 24、28、32 或 40，也有 36、48 或 52 等。插拔时需小心以免损坏管脚。

（二）SIP（Single Inline Packages）

• 常见封装外形与引脚特点：目前常见有 SIP8、SIP9 和 SIP10 等，数字表示引脚数目，引脚数量通常在 2 - 23 之间，引脚节距为 2.54mm 或 1.27mm。

• 应用举例：如电源芯片、变压器、电阻电容等，外壳灌封而成，通常采用 SIP4 封装。在先进封装工艺中，SiP（System - in - a package）指系统级封装，将多个不同功能的有源电子元件与无源器件优先组装在一起，实现一定功能的单个标准封装件，形成系统或子系统，具有高度集成、优化功耗、高性能低延迟、功能丰富、减少封装尺寸等优点。

（三）PGA（Pin Grid Array）

• 应用领域与引脚发展：大多应用于高脚数、高功率及高效能的计算机上，引脚数可发展到 68 - 256 只脚。

（四）BGA、PGA、LGA 对比

• 应用场景差异：BGA 常用于注重功耗的 CPU 封装（如笔记本电脑）；PGA 一般用于台式机，方便更换 CPU；LGA 几乎被所有高端性能 CPU 采用（如英特尔酷睿系列）。

• 面积比较：BGA < PGA < LGA。

七、贴装 IC 介绍

（一）SOP（Small Outline Package）

• 引脚特性与类型：引脚间距有 1.27、1.0、0.8mm 三种，脚数为 8 - 48 只。常见类型包括 MSOP（迷你型 SOP）、TSOP（薄型 SOP，厚度小于 1.27mm）、SSOP（缩小型 SOP，引脚间距小于 1.27mm）、TSSOP（薄缩小型 SOP）、HTSSOP（带散热器的 SOP）、QSOP（1/4 大小的 SOP）、VSOP（超微型 SOP，比 QSOP 更小）。

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（二）SOJ（Small Outline J - Lead）

• 主要应用与引脚形状：主要用作 DRAM（动态随机存取内存），标准脚距为 1.27 毫米，脚数为 20 - 44 只，引脚形状为 J 型。

（三）PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）

• 封装特点

  • 引脚布局：布线方便，易于连接其他电路。

  • 引脚形状：插入或焊接到封装底座或基板时更稳固。

  • 芯片保护：具有较好的绝缘性和抗震性能。

  • 可编程性：部分支持可编程功能，脚数最大上限为 84 只。

（四）QFP（Quad Flat Package）

• 引脚参数与共面性标准：引脚数为 44 - 304 只，QFP 共面性标准为 ±0.1mm，即引脚顶端所在平面与基准平面的偏差不超过 ±0.1mm，以确保良好的焊接和电气连接性能。

八、BGA&FC 介绍

（一）BGA（Ball Grid Array）

• 基本结构与特点：使用基板和锡球取代传统导线架，提供微细间距优点。根据基板不同分为 TBGA（Tape BGA）、FCBGA（Filp chip BGA）、PBGA（Plastic BGA）等类型。

• PBGA 特点

  • 优点：制作成本低，性价比高；焊球参与再流焊点形成，共面度要求宽松；与环氧树脂基板热匹配性好，装配至 PCB 时质量高、性能好。

  • 缺点：对潮气敏感，爆米花效应（PoPCorn effect）严重，可靠性存在隐患。爆米花效应是指敏感器件受潮后经高温热处理，内部潮气气化导致器件膨胀，造成封装材质与晶片之间脱层分离等问题。

• CBGA 特点：金属盖板用密封焊料焊接在基板上保护芯片等，对湿气不敏感，可靠性好，电、热性能优良，与陶瓷基板 CTE（热膨胀系数）匹配性好，连接芯片和元件可返修性较好，裸芯片采用 FCB 技术互连密度更高，但封装成本较高，与环氧树脂等基板 CTE 匹配性差。

• FCBGA 特点：结合了覆晶接合（Flip Chip）技术和普通 BGA 底部焊球技术，是目前图形加速芯片主要封装格式，具有优异电性效能，可减少组件互连损耗及电感，降低电磁干扰，提高 I/O 密度和使用效率，有效缩小基板面积，散热性好，可提高芯片高速运行稳定性。

• TBGA 特点：又称阵列载带自动键合，是较新颖的 BGA 封装形式，与环氧树脂 PCB 基板热匹配性好，是最薄型 BGA 封装形式，有利于芯片薄型化，成本较 CBGA 低，但对热度和湿度较为敏感，芯片轻且小，自校准偏差大。

（二）FC（Flip Chip）

• 接合结构与流程：在晶粒金属垫上生成焊料凸块，于基版上生成对应接点，将翻转的晶粒对准接点接合。属于平列式接合，其精髓在于控制接点高度（C4 接合）。工艺流程包括在晶圆上刻划集成电路、芯片表面金属化、在垫上沉积焊接点、切割芯片、芯片翻转和定位、重熔焊球（通常用热风回流焊）、在安装的芯片底部填充电气与绝缘胶。

• 凸点下金属化层（UBM）作用：防止封装中的金属及污染离子向芯片表面金属层扩散，避免造成腐蚀或形成硬脆的金属间化合物（IMC），从而降低互连系统的可靠性。UBM 包括抗氧化层、粘接层、阻挡层、润湿层等结构。