半导体封装的典型封装工艺简介

2022-07-05
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依据封装管脚的排布方式、芯片与PCB板连接方式以及发展的时间先后顺序,半导体封装可划分为PTH封装(Pin-Through-Hole)和SMT封装(Surface-Mount-Technology)二大类,即通常所称的插孔式(或通孔式)和表面贴装式。

针脚插装技术(PTH):

针脚插装封装,顾名思义即在芯片与目标板的连接过程中使用插装方式,古老而经典DIP封装即属于该种封装形式。在早期集成电路中由于芯片集成度不高,芯片工作所需的输入/输出管脚数较少,所以多采用该种封装形式。DIP封装有两种衍生封装形式,即为:SiP和ZIP,只是为适应不同的应用领域,对传统DIP封装在封装壳管脚排布和形状上略有改进。

PTH封装示意图

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表面贴装封装(SMT):

PTH封装在机械连接强度上的优势毋庸质疑,但同时也带来一些负面效应。PTH封装中使用的贯通孔将大量占用PCB板有效布线面积,因此目前主流的PCB板设计中多使用表面贴片封装。

表面贴片封装有很多种类,常用的封装形式有:

  • 小型塑封晶体管(Small Outline Transistor,SOT)

  • 小引出线封装(Smal lOutline Package,SOP)

  • 四方扁平无引线封装(Quad Flat No-lead Package,QFN)

  • 薄小缩小外形封装(Thin Small Shrink Outline Package,TSSOP)

  • 方型扁平式封装(Quad Flat Package,QFP)

  • 方形扁平无引脚封装(QFN)

从SOT到QFN,芯片封装壳支持的管脚数越来越多,芯片封装壳的管角间距越来越小。

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表面贴片封装方式的优点在于芯片封装的尺寸大大下降,芯片封装的管脚密度大大提升,与PTH封装具有相同管脚数量时,表面贴片封装的封装尺寸将远小于PTH封装。表面贴片封装只占用PCB板表层布线空间,在使用多层布线工艺时,封装占用的有效布线面积大大下降,可以大大提高PCB板布线密度和利用率。

BGA:

封装伴随着芯片集成度不断提高,为使芯片实现更复杂的功能,芯片所需的输入/输出管脚数量也进一步提升,面对日趋增长的管脚数量和日趋下降的芯片封装尺寸,微电子封装提出了一种新的封装形式BGA封装。

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BGA封装的底部按照矩阵方式制作引脚,引脚的形状为球形,在封装壳的正面装配芯片,有时也会将BGA芯片与球形管脚放在基板的同一侧。BGA封装是大规模集成电路的一种常用封装形式。BGA封装按照封装壳基板材质的不同,可分为三类:塑料BGA、陶瓷BGA、载带BGA。

BGA封装具有以下共同特点:

  • 芯片封装的失效率较低;

  • 提升器件管脚数量与封装壳尺寸的比率,减小了基板面积;

  • 管脚共面较好,减少管脚共面损害带来的焊接不良;

  • BGA引脚为焊料值球,不存在引脚变形问题;

  • BGA封装引脚较短,输入/输出信号链路大大缩短,减少了因管脚长度引入的电阻/电容/电感效应,改善了封装壳的寄生参数;

  • BGA球栅阵列与PCB板接触点较多,接触面积较大,有利于芯片散热,BGA封装有利提高封装的封装密度。

BGA封装使用矩阵形式的管脚排列,相对于传统的贴片封装,在相同管脚数量下,BGA封装的封装尺寸可以做的更小,同时也更节省PCB板的布线面积。

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