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有关芯片封装的认识及其理解

2018/3/29    来源:e-works    作者:黄飞      
关键字:芯片  封装  
过去,封装是用来保护电路芯片免受周围环境的影响;如今,芯片封装是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。

    封装最初定义是保护电路芯片免受周围环境的影响,包括来自物理、化学方面的影响。而现在,伴随着芯片的速度越来越快,功率越来越大,使得芯片散热问题日趋严重,由于芯片钝化层质量的提高,封装用以保护电路功能的作用的重要性正在下降。

    如今的芯片封装,是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,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)。

    从芯片封装的概念我们不难看出,芯片封装的作用主要有四个方面:固定引脚系统、物理性保护、环境性保护和增强散热。

    什么是固定引脚系统?芯片有外部引脚和内部引脚之分,内部引脚很细,小于1.5微米,多数情况下为1微米,内部引脚与外部引脚之间用铜焊接在一起,外部引脚接地,与电路板连接起到数据交换的作用。

    外部引脚系统通常使用两种不同的合金:铁镍合金及铜合金,前者用于高强度以及高稳定性的场合,而后者具有导电性和导热性较好的优势,具体选用哪种引脚,根据实际情况来定。

    物理性保护,是指芯片通过封装以后可以免受微粒等物质的污染和外界对它的损害,对于芯片封装等级的要求也不尽相同,消费类产品要求最低。

    环境性保护,可以让芯片免受湿气等其他可能干扰芯片正常功能的气体对它的正常工作产生的影响。

    增强散热,是考虑到所有半导体产品在工作的时候都会产生热量,而当热量达到一定限度的时候便会影响芯片的正常工作。事实上,封装体的各种材料本身就可以带走一部分热量,当然,对于大多数发热量大的芯片,除了通过封装材料进行降温外,还需要考虑在芯片上额外安装一个金属散热片或风扇以达到更好的散热效果。

图1 底部增强型SOP封装倒置

图1 底部增强型SOP封装倒置

    封装的分类

    按照包装材料,封装可以分为:金属封装、陶瓷封装和塑料封装,其中,金属封装主要用于军工或航天技术,无商业化产品;陶瓷封装与金属封装的作用相类似,也主要用于军事产品,有少部分商业化的产品;塑料封装用于消费电子,因为其成本低,工艺简单,可靠性高而占有绝大部分的市场份额。从气密性角度分类,可将封装分为气密性封装和非气密性封装,其中,金属封装和陶瓷封装属于气密性封装,塑料属于非气密性封装。

图2 封装分类

图2 封装分类

    按照与PCB板的连接方式,封装可分为PTH和SMT,PTH是英文pin-through-hole的缩写,中文翻译为插孔式或通孔式,这种在市面上越来越少见;SMT是英文surface-mount-technology的缩写,翻译过来就是常说的表面贴装式,目前市场上大部分IC均采用SMT。

图3 PTH

图3 PTH

图4 SMT

图4 SMT

    按照封装外形可分类为:SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP,这个是按照封装形式和工艺越来越高级和复杂来排序,其中CSP由于采用了Flip Chip技术和裸片封装,达到了芯片面积/封装面积=1:1,为目前最高级的技术。

    本人认为,决定封装形式的两个关键因素是封装效率和引脚数。为什么这样讲?首先封装效率是指芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,原则是二者尽量接近1:1,封装效果最好;其次,引脚数越多,越高级,封装时工艺难度也相应增加,原则上引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能;当然,基于散热的要求,封装越薄越好。

责任编辑:吴星星
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