集成電路封裝與器件測試設備

電子封裝是一個富于挑戰(zhàn)、引人入勝的領域。它是集成電路芯片生產(chǎn)完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)對微電子產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為，在微電子器件的總體成本中，設計占了三分之一，芯片生產(chǎn)占了三分之一，而封裝和測試也占了三分之一，真可謂三分天下有其一。封裝研究在全球范圍的發(fā)展是如此迅猛，而它所面臨的挑戰(zhàn)和機遇也是自電子產(chǎn)品問世以來所從未遇到過的;封裝所涉及的問題之多之廣，也是其它許多領域中少見的，它需要從材料到工藝、從無機到聚合物、從大型生產(chǎn)設備到計算力學等等許許多多似乎毫不關連的專家的協(xié)同努力，是一門綜合性非常強的新型高科技學科。

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　　什么是電子封裝 (electronic packaging)? 封裝最初的定義是：保護電路芯片免受周圍環(huán)境的影響(包括物理、化學的影響)。所以，在最初的微電子封裝中，是用金屬罐 (metal can) 作為外殼，用與外界完全隔離的、氣密的方法，來保護脆弱的電子元件。但是，隨著集成電路技術的發(fā)展，尤其是芯片鈍化層技術的不斷改進，封裝的功能也在慢慢異化。通常認為，封裝主要有四大功能，即功率分配、信號分配、散熱及包裝保護，它的作用是從集成電路器件到系統(tǒng)之間的連接，包括電學連接和物理連接。目前，集成電路芯片的I/O線越來越多，它們的電源供應和信號傳送都是要通過封裝來實現(xiàn)與系統(tǒng)的連接;芯片的速度越來越快，功率也越來越大，使得芯片的散熱問題日趨嚴重;由于芯片鈍化層質(zhì)量的提高，封裝用以保護電路功能的作用其重要性正在下降。電子封裝的類型也很復雜。

　　從使用的包裝材料來分，我們可以將封裝劃分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝;從成型工藝來分，我們又可以將封裝劃分為預成型封裝(pre-mold)和后成型封裝(post-mold);至于從封裝外型來講，則有SIP(single in-line package)、DIP(dual in-line package)、PLCC(plastic-leaded chip carrier)、PQFP(plastic quad flat pack)、SOP(small-outline package)、TSOP(thin small-outline package)、PPGA(plastic pin grid array)、PBGA(plastic ball grid array)、CSP (chip scale package)等等;若按第一級連接到第二級連接的方式來分，則可以劃分為PTH(pin-through-hole)和SMT(surface-mount-technology)二大類，即通常所稱的插孔式(或通孔式)和表面貼裝式。金屬封裝是半導體器件封裝的最原始的形式，它將分立器件或集成電路置于一個金屬容器中，用鎳作封蓋并鍍上金。金屬圓形外殼采用由可伐合金材料沖制成的金屬底座，借助封接玻璃，在氮氣保護氣氛下將可伐合金引線按照規(guī)定的布線方式熔裝在金屬底座上，經(jīng)過引線端頭的切平和磨光后，再鍍鎳、金等惰性金屬給與保護。在底座中心進行芯片安裝和在引線端頭用鋁硅絲進行鍵合。組裝完成后，用10號鋼帶所沖制成的鍍鎳封帽進行封裝，構成氣密的、堅固的封裝結構。金屬封裝的優(yōu)點是氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響。它的缺點是價格昂貴，外型靈活性小，不能滿足半導體器件日益快速發(fā)展的需要。

　　現(xiàn)在，金屬封裝所占的市場份額已越來越小，幾乎已沒有商品化的產(chǎn)品。少量產(chǎn)品用于特殊性能要求的軍事或航空航天技術中。陶瓷封裝是繼金屬封裝后發(fā)展起來的一種封裝形式，它象金屬封裝一樣，也是氣密性的，但價格低于金屬封裝，而且，經(jīng)過幾十年的不斷改進，陶瓷封裝的性能越來越好，尤其是陶瓷流延技術的發(fā)展，使得陶瓷封裝在外型、功能方面的靈活性有了較大的發(fā)展。目前，IBM的陶瓷基板技術已經(jīng)達到100多層布線，可以將無源器件如電阻、電容、電感等都集成在陶瓷基板上，實現(xiàn)高密度封裝。陶瓷封裝由于它的卓越性能，在航空航天、軍事及許多大型計算機方面都有廣泛的應用，占據(jù)了約10%左右的封裝市場(從器件數(shù)量來計)。陶瓷封裝除了有氣密性好的優(yōu)點之外，還可實現(xiàn)多信號、地和電源層結構，并具有對復雜的器件進行一體化封裝的能力。它的散熱性也很好。缺點是燒結裝配時尺寸精度差、介電系數(shù)高(不適用于高頻電路)，價格昂貴，一般主要應用于一些高端產(chǎn)品中。相對而言，塑料封裝自七十年代以來發(fā)展更為迅猛，已占據(jù)了90%(封裝數(shù)量)以上的封裝市場份額，而且，由于塑料封裝在材料和工藝方面的進一步改進，這個份額還在不斷上升。

　　塑料封裝最大的優(yōu)點是價格便宜，其性能價格比十分優(yōu)越。隨著芯片鈍化層技術和塑料封裝技術的不斷進步，尤其是在八十年代以來，半導體技術有了革命性的改進，芯片鈍化層質(zhì)量有了根本的提高，使得塑料封裝盡管仍是非氣密性的，但其抵抗潮氣侵入而引起電子器件失效的能力已大大提高了，因此，一些以前使用金屬或陶瓷封裝的應用，也已漸漸被塑料封裝所替代。SIP是從封裝體的一邊引出管腳。通常，它們是通孔式的，管腳插入印刷電路板的金屬孔內(nèi)。這種形式的一種變化是鋸齒型單列式封裝(ZIP)，它的管腳仍是從封裝體的一邊伸出，但排列成鋸齒型。這樣，在一個給定的長度范圍內(nèi)，提高了管腳密度。SIP的吸引人之處在于它們占據(jù)最少的電路板空間，但在許多體系中，封閉式的電路板限制了SIP的高度和應用。

　　DIP封裝的管腳從封裝體的兩端直線式引出。DIP的外形通常是長方形的，管腳從長的一邊伸出。絕大部分的DIP是通孔式，但亦可是表面貼裝式。對DIP來說，其管腳數(shù)通常在8至64(8、14、16、18、20、22、24、28、40、48、52和64)之間，其中，24至40管腳數(shù)的器件最常用于邏輯器件和處理器，而14至20管腳的多用于記憶器件，主要取決于記憶體的尺寸和外形。當器件的管腳數(shù)超過48時，DIP結構變得不實用并且浪費電路板空間。稱為芯片載體(chip carrier)或quad的封裝，四邊都有管腳，對高引腳數(shù)器件來說，是較好的選擇。之所以稱之為芯片載體，可能是由于早期為保護多引腳封裝的四邊引腳，絕大多數(shù)模塊是封裝在預成型載體中。而后成型技術的進步及塑料封裝可靠性的提高，已使高引腳數(shù)四邊封裝成為常規(guī)封裝技術。其它一些縮寫字可以區(qū)分是否有引腳或焊盤的互連，或是塑料封裝還是陶瓷封裝體。諸如LLC(lead chip carrier)，LLCC(leadless chip carrier)用于區(qū)分管腳類型。PLCC(plastic leaded chip carrier)是最常見的四邊封裝。PLCC的管腳間距是0.050英寸，與DIP相比，其優(yōu)勢是顯而易見的。PLCC的引腳數(shù)通常在20至84之間(20、28、32、44、52、68和84)。還有一種劃分封裝類型的參數(shù)是封裝體的緊湊程度。小外形封裝通常稱為SO，SOP或SOIC。