微电子封装的三个层次和六个工程阶段!

2022-06-24
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电子封装的三个层次


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一级封装

一级封装是用封装外壳将芯片封装成单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)。半导体芯片和封装体的电学互联,通常有三种实现途径,引线键合(WB)、载带自动焊(TAB)和倒装焊(Flip Chip),一级封装的可以使用金属、陶瓷,塑料(聚合物)等包封材料。封装工艺设计需要考虑到单芯片或者多芯片之间的布线,与PCB节距的匹配,封装体的散热情况等。

二级封装

二级封装是印刷电路板的封装和装配,将一级封装的元器件组装到印刷电路板(PCB)上,包括板上封装单元和器件的互连,包括阻抗的控制、连线的精细程度和低介电常数材料的应用。除了特别要求外,这一级封装一般不单独加封装体,具体产品如计算机的显卡,PCI数据采集卡等都属于这一级封装。如果这一级封装能实现某些完整的功能,需要将其安装在同一的壳体中,例如Ni公司的USB数据采集卡,创新的外置USB声卡等。

三级封装

三级封装是将二级封装的组件查到同一块母板上,也就是关于插件接口、主板及组件的互连。这一级封装可以实现密度更高,功能更全组装,通常是一种立体组装技术。例如一台PC的主机,一个NI公司的PXI数据采集系统,汽车的GPS导航仪,这些都属于三级微电子封装的产品。

微电子封装工程和电子基板

微电子封装是一个复杂的系统工程,类型多、范围广,涉及各种各样材料和工艺。可按几何维数将电子封装分解为简单的“点、线、面、体、块、板”等。

电子基板是半导体芯片封装的载体,搭载电子元器件的支撑,构成电子电路的基盘,按其结构可分为普通基板、印制电路板、模块基板等几大类。其中PCB在原有双面板、多层板的基础上,近年来又出现积层(build-up)多层板。模块基板是指新兴发展起来的可以搭载在PCB之上,以BGA、CSP、TAB、MCM为代表的封装基板(Package Substrate,简称PKG基板)。小到芯片、电子元器件,大到电路系统、电子设备整机,都离不开电子基板。近年来在电子基板中,高密度多层基板所占比例越来越大。

微电子封装所涉及的各个方面几乎都是在基板上进行或与基板相关。在电子封装工程所涉及的四大基础技术,即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、封接与封装技术中,基板技术处于关键与核心地位。随着新型高密度封装形式的出现,电子封装的许多功能,如电气连接,物理保护,应力缓和,散热防潮,尺寸过渡,规格化、标准化等,正逐渐部分或全部的由封装基板来承担。

微电子封装的范围涉及从半导体芯片到整机,在这些系统中,生产电子设备包括6个层次,也即装配的6个阶段。我们从电子封装工程的角度,按习惯一般称层次1为零级封装;层次2为一级封装;层次3为二级封装;层次4、5、6为三级封装。

电子封装的工程的六个阶段

层次1(裸芯片)

它是特指半导体集成电路元件(IC芯片)的封装,芯片由半导体厂商生产,分为两类,一类是系列标准芯片,另一类是针对系统用户特殊要求的专用芯片,即未加封装的裸芯片(电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成)。

层次2(封装后的芯片即集成块)

分为单芯片封装和多芯片封装两大类。前者是对单个裸芯片进行封装,后者是将多个裸芯片装载在多层基板(陶瓷或有机)上进行气密性封装构成MCM。

层次3(板或卡)

它是指构成板或卡的装配工序。将多个完成层次2的单芯片封装和MCM,实装在PCB板等多层基板上,基板周边设有插接端子,用于与母板及其它板或卡的电气连接。

层次4(单元组件)

将多个完成层次3的板或卡,通过其上的插接端子搭载在称为母板的大型PCB板上,构成单元组件。

层次5(框架件)

它是将多个单元构成(框)架,单元与单元之间用布线或电缆相连接。

层次6(总装、整机或系统)

它是将多个架并排,架与架之间由布线或电缆相连接,由此构成大型电子设备或电子系统。

封装基板和封装分级

从硅圆片制作开始,微电子封装可分为0、1、2、3四个等级,涉及上述六个层次,封装基板(PKG基板或Substrate)技术现涉及1、2、3三个等级和2~5的四个层次。

封装基板主要研究前3个级别的半导体封装(1、2、3级封装),0级封装暂与封装基板无关,因此封装基板一般是指用于1级2级封装的基板材料,母板(或载板)、刚挠结合板等用于三级封装。

封装基板和三级封装

零级封装

裸芯片电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成,暂与基板无关。

一级封装

一级封装经0级封装的单芯片或多芯片在封装基板(普通基板、多层基板、HDI基板)上的封装,构成集成电路模块(或元件)。即芯片在各类基板(或中介板)上的装载方式。

二级封装

二级封装集成电路(IC元件或IC块)片在封装基板(普通基板、多层基板、HDI基板)上的封装,构成板或卡。即各种实装方式(二级封装或一级加二级封装)。后续谈到的的DIP、PGA属于DIP封型,GFP、BGA、CSP等属于SMT实装型,这些都属于二级封装。

三级封装

三级封装包含4、5、6三个层次。即将多个完成层次3的板或卡,通过其上的插接端子搭载在称为母板(或载板)的大型PCB板上,构成单元组件(此层次也是实装方式之一);或是将多个单元构成架,单元与单元之间用布线(刚挠PCB)或电缆相连接;或是将多个架并排,架与架之间由布线(刚挠PCB)或电缆相连接,由此构成大型电子设备或系统(此两个层次称为装联)。

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