半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展階段

半導(dǎo)體封裝技術(shù)大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：

• 早期的通孔插裝時(shí)代：這是半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展的起始階段，以DIP（雙列直插式封裝）、SIP（單列直插式封裝）技術(shù)為代表。

• 表面貼裝時(shí)代：隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)入到表面貼裝時(shí)代，像LCC（無(wú)引線陶瓷芯片載體）、SOP（小外型封裝）等是這個(gè)階段的典型代表封裝形式。

• 面積陣列時(shí)代：此階段開始出現(xiàn)BGA（球柵陣列）、CSP（芯片尺寸封裝）、FC（倒裝芯片）等先進(jìn)封裝技術(shù)，是目前全球很多封測(cè)廠商所處的主流技術(shù)階段。

• 多芯片與封裝系統(tǒng)演化階段：工藝從單芯片變?yōu)槎嘈酒?、從封裝元件演化為封裝系統(tǒng)，MCM（多芯片模塊）、SiP（系統(tǒng)級(jí)封裝）、Bumping（凸塊）等技術(shù)發(fā)展迅速。

• 立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)階段：微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)封裝（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封裝（Fan - Out）等立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)相繼出現(xiàn)，帶動(dòng)封裝產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入復(fù)雜集成時(shí)代。

半導(dǎo)體封裝技術(shù)各階段特點(diǎn)

一、通孔插裝時(shí)代特點(diǎn)

在半導(dǎo)體封裝技術(shù)的通孔插裝時(shí)代，具有以下顯著特點(diǎn)：

1. 封裝形式與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

• 以DIP和SIP為典型代表。DIP是雙列直插式封裝，其引腳分布在芯片兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)使得芯片在安裝時(shí)需要插入到具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)的芯片插座上，或者直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。例如，Intel系列CPU中的8088就采用了DIP封裝形式，早期的緩存和內(nèi)存芯片也多采用這種封裝。SIP則是單列直插式封裝，在一些簡(jiǎn)單電路或者對(duì)空間要求不是特別嚴(yán)格的設(shè)備中有廣泛應(yīng)用。

2. 材料使用與性能局限

• 多數(shù)封裝使用塑料、陶瓷或金屬作為材料。這些材料主要是為了給芯片提供一定程度的物理和環(huán)境保護(hù)，如防止芯片受到外界的機(jī)械損傷、塵埃污染等。然而，由于當(dāng)時(shí)的封裝技術(shù)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，這種封裝形式的芯片面積與封裝面積之間的比值較大，導(dǎo)致封裝體積較大。例如，早期的一些晶體管和二極管采用這種封裝后，整個(gè)封裝體在電路板上占據(jù)較大的空間。

• 在功能和性能方面存在局限性。其集成度較低，意味著在一個(gè)封裝內(nèi)能夠集成的半導(dǎo)體器件數(shù)量有限，對(duì)于一些復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)需要更多的外部電路輔助。而且在電氣性能方面，由于封裝結(jié)構(gòu)和材料的限制，信號(hào)傳輸速度和質(zhì)量也相對(duì)較低，無(wú)法滿足高速、高頻電路的需求。此外，這種封裝在散熱方面也存在挑戰(zhàn)，因?yàn)檩^大的封裝體積不利于熱量的快速散發(fā)，容易導(dǎo)致芯片在工作過(guò)程中溫度過(guò)高，影響芯片的穩(wěn)定性和使用壽命。

3. 安裝與連接方式

• 采用通孔插裝的方式，即將芯片的引腳插入電路板上預(yù)先鉆好的通孔中，然后進(jìn)行焊接。這種安裝方式相對(duì)較為牢固，但同時(shí)也使得電路板的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行通孔的鉆孔和金屬化處理等工序。并且由于引腳較長(zhǎng)，在信號(hào)傳輸過(guò)程中容易產(chǎn)生信號(hào)延遲和串?dāng)_等問(wèn)題，影響整個(gè)電路的性能。

二、表面貼裝時(shí)代特點(diǎn)

表面貼裝時(shí)代的封裝技術(shù)呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

1. 封裝結(jié)構(gòu)與形式的變革

• 這一階段的主要封裝形式包括SOP、PLCC（塑料有引線片式載體）、PQFP（塑料四邊引線扁平封裝）、J型引線QFJ和SOJ、LCCC等。SOP是小外型封裝，它的外形小巧，適合在空間有限的電路板上使用。PLCC采用塑料封裝且有引線片式載體，這種結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上提高封裝的可靠性。PQFP是塑料四邊引線扁平封裝，具有較多的引腳數(shù)量，可滿足一些復(fù)雜芯片的封裝需求。

• 以引線替代了之前通孔插裝時(shí)代的引腳，并且引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出。這種引線形式使得芯片與電路板之間的連接更加緊湊，減少了封裝體積。例如，SOP封裝的芯片在電路板上所占的空間比DIP封裝的要小很多，從而提高了電路板的集成度，使得在同樣大小的電路板上可以集成更多的芯片。

2. 性能提升與新挑戰(zhàn)

• 在性能方面有顯著提升。首先，引線細(xì)、短，間距小，這使得封裝密度得到提高。相比通孔插裝時(shí)代，更多的芯片可以集成在更小的電路板面積上。其次，電氣性能提高，由于引線長(zhǎng)度縮短，信號(hào)傳輸?shù)难舆t和串?dāng)_問(wèn)題得到一定程度的改善，信號(hào)傳輸速度更快、質(zhì)量更高。此外，這種封裝形式的體積小、重量輕，使得電子設(shè)備的整體體積和重量也得以降低，更適合于便攜式電子設(shè)備的發(fā)展需求。

• 然而，這種封裝形式也存在不足之處。在封裝密度、I/O數(shù)（輸入/輸出引腳數(shù)）以及電路頻率方面還是難以滿足ASIC（專用集成電路）、微處理器發(fā)展的需要。隨著芯片功能的不斷增強(qiáng)，對(duì)封裝的要求也越來(lái)越高，表面貼裝封裝在面對(duì)更高集成度和更高性能要求時(shí)逐漸顯示出其局限性。

3. 生產(chǎn)與自動(dòng)化適應(yīng)性

• 表面貼裝技術(shù)非常適合自動(dòng)化生產(chǎn)。由于封裝形式的改變，使得芯片在電路板上的貼裝可以通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)完成，如自動(dòng)貼片機(jī)等。這種自動(dòng)化生產(chǎn)方式大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了生產(chǎn)的一致性和可靠性。與通孔插裝需要人工將引腳插入通孔相比，表面貼裝技術(shù)的自動(dòng)化程度更高，更適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

三、面積陣列時(shí)代特點(diǎn)

面積陣列時(shí)代的半導(dǎo)體封裝技術(shù)有以下特點(diǎn)：

1. 封裝技術(shù)與代表性封裝形式

• 這一階段出現(xiàn)了如BGA、CSP、FC等先進(jìn)封裝技術(shù)。BGA是球柵陣列封裝，它的引腳以球形焊點(diǎn)的形式分布在芯片底部，呈陣列狀排列。這種結(jié)構(gòu)大大增加了引腳數(shù)量，同時(shí)減小了引腳間距，使得在相同的封裝面積下可以實(shí)現(xiàn)更多的電氣連接。例如，一些高性能的微處理器芯片采用BGA封裝，能夠滿足其大量的I/O引腳需求。

• CSP是芯片尺寸封裝，其封裝尺寸非常接近芯片本身的尺寸，這種封裝形式在保持芯片高性能的同時(shí)，進(jìn)一步縮小了封裝體積。FC即倒裝芯片技術(shù)，是將芯片正面朝下與基板直接連接，與傳統(tǒng)的正裝芯片相比，縮短了信號(hào)傳輸路徑，提高了信號(hào)傳輸速度和可靠性。

2. 封裝體積與性能優(yōu)化

• 在封裝體積大幅縮減的同時(shí)提升了系統(tǒng)性能。BGA、CSP和FC等封裝技術(shù)通過(guò)改變引腳的分布形式（如BGA的球柵陣列）或者減小封裝與芯片的尺寸差異（如CSP）以及優(yōu)化芯片與基板的連接方式（如FC），有效地減小了封裝的整體體積。同時(shí)，由于引腳布局更加合理，信號(hào)傳輸路徑更短，電氣性能得到顯著提升。例如，在高速數(shù)字電路中，這些封裝技術(shù)能夠滿足更高的信號(hào)傳輸頻率要求，減少信號(hào)衰減和失真。

• 取消了引線結(jié)構(gòu)。與表面貼裝時(shí)代的封裝形式相比，面積陣列封裝技術(shù)不再依賴傳統(tǒng)的引線來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基板的連接，這不僅減少了信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗，還進(jìn)一步提高了封裝的集成度。例如，BGA封裝的球形焊點(diǎn)直接連接芯片和基板，使得信號(hào)傳輸更加直接和高效。

3. 對(duì)封測(cè)行業(yè)的影響

• 成為目前全球封測(cè)廠商所處的主流技術(shù)階段。由于這些技術(shù)在提高性能和減小體積方面的優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)半導(dǎo)體產(chǎn)品在封裝測(cè)試過(guò)程中都采用了面積陣列封裝技術(shù)。這也促使封測(cè)廠商不斷投入研發(fā)，提高自身在面積陣列封裝技術(shù)方面的工藝水平和生產(chǎn)能力，以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能、小體積半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求。同時(shí)，這種主流技術(shù)地位也推動(dòng)了相關(guān)封裝設(shè)備和材料的發(fā)展，如用于BGA封裝的高精度貼片機(jī)、適合FC封裝的特殊焊接材料等。

四、多芯片與封裝系統(tǒng)演化階段特點(diǎn)

此階段的半導(dǎo)體封裝技術(shù)特點(diǎn)如下：

1. 工藝與技術(shù)創(chuàng)新

• 工藝從單芯片變?yōu)槎嘈酒?、從封裝元件演化為封裝系統(tǒng)。MCM多芯片模塊技術(shù)允許將多個(gè)芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，這些芯片可以是不同功能的芯片，如處理器芯片、存儲(chǔ)芯片等。通過(guò)這種集成方式，可以減少芯片之間的連接線路長(zhǎng)度，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。例如，在一些復(fù)雜的通信設(shè)備中，MCM封裝可以將信號(hào)處理芯片、控制芯片和存儲(chǔ)芯片集成在一起，實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

• SiP系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)是這一階段的重要發(fā)展成果。SiP可以將多種不同功能的組件集成到一個(gè)封裝中，包括處理器、存儲(chǔ)器、傳感器等。這種封裝方式極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。例如，在智能手機(jī)中，SiP可以將CPU、GPU、內(nèi)存、基帶芯片等集成在一起，減少了電路板的面積，同時(shí)提高了系統(tǒng)的集成度和性能。

• Bumping凸塊技術(shù)也得到發(fā)展。Bumping技術(shù)在芯片與芯片或者芯片與基板的連接方面起到重要作用，通過(guò)在芯片表面制作凸塊，可以實(shí)現(xiàn)更緊密的連接，提高電氣連接性能和信號(hào)傳輸速度。

2. 系統(tǒng)性能提升與集成度提高

• 在性能方面，由于多芯片的集成，系統(tǒng)內(nèi)部芯片之間的通信距離縮短，信號(hào)傳輸延遲降低，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在計(jì)算機(jī)的CPU和內(nèi)存之間，如果采用多芯片封裝技術(shù)，能夠加快數(shù)據(jù)的讀寫速度，提高計(jì)算機(jī)的整體性能。

• 集成度得到極大提高。不再局限于單個(gè)芯片的封裝，而是將多個(gè)相關(guān)的芯片和組件集成在一起，使得在一個(gè)封裝內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。這對(duì)于一些對(duì)空間和性能要求較高的電子設(shè)備，如可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等非常有利，可以在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

3. 面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

• 多芯片和系統(tǒng)級(jí)封裝面臨著熱管理的挑戰(zhàn)。由于多個(gè)芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量集中，散熱難度增大。如果散熱不良，會(huì)導(dǎo)致芯片溫度過(guò)高，影響芯片的性能和可靠性。因此，需要開發(fā)更有效的散熱技術(shù)和散熱材料，如高性能的散熱片、導(dǎo)熱膠等。

• 在信號(hào)完整性方面也面臨挑戰(zhàn)。多個(gè)芯片之間的信號(hào)干擾、串?dāng)_等問(wèn)題需要得到妥善解決。這就要求在封裝設(shè)計(jì)和布線過(guò)程中，采用合理的布局和屏蔽措施，以確保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸。這一階段的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高集成度，優(yōu)化熱管理和信號(hào)完整性，同時(shí)降低成本，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

五、立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)階段特點(diǎn)

立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)階段的特點(diǎn)包括：

1. 代表性技術(shù)與封裝形式

• 微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)封裝（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封裝（Fan - Out）等技術(shù)是這個(gè)階段的典型代表。MEMS封裝是針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)芯片的封裝技術(shù)，它需要考慮微機(jī)電系統(tǒng)中微結(jié)構(gòu)的保護(hù)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)以及與外部電路的有效連接等特殊需求。例如，在加速度傳感器、陀螺儀等MEMS器件的封裝中，要確保傳感器的靈敏性和穩(wěn)定性。

• 硅通孔（TSV）技術(shù)是一種通過(guò)在硅片上制作垂直通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片之間垂直方向電氣連接的技術(shù)。這種技術(shù)可以大大提高芯片的集成度，實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的芯片堆疊。例如，在一些高性能計(jì)算芯片中，TSV技術(shù)可以將多個(gè)芯片垂直堆疊在一起，減少信號(hào)傳輸路徑，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

• 扇出型封裝（Fan - Out）是將芯片的I/O引腳通過(guò)重新布線延伸到芯片外部的一種封裝技術(shù)，它可以增加引腳數(shù)量，提高封裝的靈活性。例如，在一些對(duì)引腳數(shù)量和布局有特殊要求的芯片封裝中，扇出型封裝能夠滿足其需求。

2. 三維集成與高性能

• 這些技術(shù)使得封裝更加小型化和高性能化。通過(guò)三維空間內(nèi)的集成，如TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片垂直堆疊，能夠在更小的體積內(nèi)集成更多的功能。在立體結(jié)構(gòu)型封裝中，信號(hào)傳輸路徑進(jìn)一步縮短，電氣性能得到極大提升。例如，在三維堆疊的存儲(chǔ)芯片中，數(shù)據(jù)的讀寫速度可以得到顯著提高，滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求。

• 復(fù)雜集成帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。這種復(fù)雜集成的封裝方式可以將不同功能、不同工藝制造的芯片集成在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功能優(yōu)化。例如，將邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片通過(guò)立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)集成，可以構(gòu)建出高性能的計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率。

3. 對(duì)封裝產(chǎn)業(yè)鏈的影響

• 帶動(dòng)封裝產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入復(fù)雜集成時(shí)代。從封裝材料供應(yīng)商到封裝設(shè)備制造商，再到封測(cè)廠商，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都需要適應(yīng)這種復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)型封裝技術(shù)的要求。例如，封裝材料需要具備更好的電氣性能、熱性能和機(jī)械性能，以滿足立體結(jié)構(gòu)型封裝的需求。封裝設(shè)備制造商需要研發(fā)和生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠性的TSV制作、芯片堆疊等工藝的設(shè)備。封測(cè)廠商需要掌握更復(fù)雜的測(cè)試技術(shù)，以確保立體結(jié)構(gòu)型封裝芯片的質(zhì)量和性能。

半導(dǎo)體封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。