集成电路芯片封装技术简介
自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。
对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、PentiumⅡ、Celeron、K6、K6-2……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。
芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。
下面将对具体的封装形式作详细说明。
一、DIP封装
70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(DualIn-linePackage)。DIP封装结构具有以下特点:
1.适合PCB的穿孔安装;
2.比TO型封装(图1)易于对PCB布线;
3.操作方便。
DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)，如图2所示。
衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。
Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。
二、芯片载体封装
80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(LeadlessCeramicChipCarrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)、小尺寸封装SOP(SmallOutlinePackage)、塑料四边引出扁平封装PQFP(PlasticQuadFlatPackage)，封装结构形式如图3、图4和图5所示。
以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是:
1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;
2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;
3.操作方便;
4.可靠性高。
在这期间，Intel公司的CPU，如Intel80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。
三、BGA封装
90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装，简称BGA(BallGridArrayPackage)。如图6所示。
BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:
1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;
2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能:
3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;
4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;
5.组装可用共面焊接，可靠性高;
6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大;
Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。
四、面向未来的新的封装技术
BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。
Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。
1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)。CSP封装具有以下特点:
1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要;
2.解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题;
3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。
曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(MultiChipModel)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有:
1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;
2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;
3.可靠性大大提高。
随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(waferlevel)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(SystemOnChip)和电脑级芯片PCOC(PCOnChip)。
随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展
集成电路的封装分类
近年来集成电路的封装工程发展极为迅速，封装的种类繁多，结构多样，发展变化大，需要对其进行分类研究。
从不同的角度出发，其分类方法大致有以下几种：1、按芯片的装载方式；2、按芯片的基板类型；3、按芯片的封接或封装方式；4、按芯片的外型结构；5、按芯片的封装材料等。前三类属一级封装的范畴，涉及裸芯片及其电极和引线的封装或封接，笔者只作简单阐述，后二类属二级封装的范畴，对PCB设计大有用处，笔者将作详细分析。
1、按芯片的装载方式分类
裸芯片在装载时，它的有电极的一面可以朝上也可以朝下，因此，芯片就有正装片和倒装片之分，布线面朝上为正装片，反之为倒装片。
另外，裸芯片在装载时，它们的电气连接方式亦有所不同，有的采用有引线键合方式，有的则采用无引线键合方式
2、按芯片的基板类型分类
基板的作用是搭载和固定裸芯片，同时兼有绝缘、导热、隔离及保护作用。它是芯片内外电路连接的桥梁。从材料上看，基板有有机和无机之分，从结构上看，基板有单层的、双层的、多层的和复合的。
3、按芯片的封接或封装方式分类
裸芯片裸芯片及其电极和引线的封装或封接方式可以分为两类，即气密性封装和树脂封装，而气密性封装中，根据封装材料的不同又可分为：金属封装、陶瓷封装和玻璃封装三种类型。
4、按芯片的外型、结构分类
按芯片的外型、结构分大致有：DIP、SIP、ZIP、S-DIP、SK-DIP、PGA、SOP、MSP、QFP、SVP、LCCC、PLCC、SOJ、BGA、CSP、TCP等，其中前6种属引脚插入型，随后的9种为表面贴装型，最后一种是TAB型。
DIP：双列直插式封装。顾名思义，该类型的引脚在芯片两侧排列，是插入式封装中最常见的一种，引脚节距为2.54mm，电气性能优良，又有利于散热，可制成大功率器件。
SIP：单列直插式封装。该类型的引脚在芯片单侧排列，引脚节距等特征与DIP基本相同。ZIP：Z型引脚直插式封装。该类型的引脚也在芯片单侧排列，只是引脚比SIP粗短些，节距等特征也与DIP基本相同。
S-DIP：收缩双列直插式封装。该类型的引脚在芯片两侧排列，引脚节距为1.778mm，芯片集成度高于DIP。
SK-DIP：窄型双列直插式封装。除了芯片的宽度是DIP的1/2以外，其它特征与DIP相同。PGA：针栅阵列插入式封装。封装底面垂直阵列布置引脚插脚，如同针栅。插脚节距为2.54mm或1.27mm，插脚数可多达数百脚。用于高速的且大规模和超大规模集成电路。
SOP：小外型封装。表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，字母L状。引脚节距为1.27mm。
MSP：微方型封装。表面贴装型封装的一种，又叫QFI等，引脚端子从封装的四个侧面引出，呈I字形向下方延伸，没有向外突出的部分，实装占用面积小，引脚节距为1.27mm。
QFP：四方扁平封装。表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，呈L字形，引脚节距为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm，引脚可达300脚以上。
SVP：表面安装型垂直封装。表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的一个侧面引出，引脚在中间部位弯成直角，弯曲引脚的端部与PCB键合，为垂直安装的封装。实装占有面积很小。引脚节距为0.65mm、0.5mm。
LCCC：无引线陶瓷封装载体。在陶瓷基板的四个侧面都设有电极焊盘而无引脚的表面贴装型封装。用于高速、高频集成电路封装。
PLCC：无引线塑料封装载体。一种塑料封装的LCC。也用于高速、高频集成电路封装。
SOJ：小外形J引脚封装。表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，呈J字形，引脚节距为1.27mm。
BGA：球栅阵列封装。表面贴装型封装的一种，在PCB的背面布置二维阵列的球形端子，而不采用针脚引脚。焊球的节距通常为1.5mm、1.0mm、0.8mm，与PGA相比，不会出现针脚变形问题。
CSP：芯片级封装。一种超小型表面贴装型封装，其引脚也是球形端子，节距为0.8mm、0.65mm、0.5mm等。
TCP：带载封装。在形成布线的绝缘带上搭载裸芯片，并与布线相连接的封装。与其他表面贴装型封装相比，芯片更薄，引脚节距更小，达0.25mm，而引脚数可达500针以上。
5、按芯片的封装材料分类
按芯片的封装材料分有金属封装、陶瓷封装、金属-陶瓷封装、塑料封装。
金属封装：金属材料可以冲、压，因此有封装精度高，尺寸严格，便于大量生产，价格低廉等优点。
陶瓷封装：陶瓷材料的电气性能优良，适用于高密度封装。
金属-陶瓷封装：兼有金属封装和陶瓷封装的优点。
塑料封装：塑料的可塑性强，成本低廉，工艺简单，适合大批量生产。
