半導體封裝技術發展階段

半導體封裝技術大致經歷了以下幾個發展階段：

• 早期的通孔插裝時代：這是半導體封裝技術發展的起始階段，以DIP（雙列直插式封裝）、SIP（單列直插式封裝）技術為代表。

• 表面貼裝時代：隨著技術發展，進入到表面貼裝時代，像LCC（無引線陶瓷芯片載體）、SOP（小外型封裝）等是這個階段的典型代表封裝形式。

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

• 多芯片與封裝系統演化階段：工藝從單芯片變為多芯片、從封裝元件演化為封裝系統，MCM（多芯片模塊）、SiP（系統級封裝）、Bumping（凸塊）等技術發展迅速。

• 立體結構型封裝技術階段：微機電機械系統封裝（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封裝（Fan - Out）等立體結構型封裝技術相繼出現，帶動封裝產業鏈進入復雜集成時代。

半導體封裝技術各階段特點

一、通孔插裝時代特點

在半導體封裝技術的通孔插裝時代，具有以下顯著特點：

1. 封裝形式與結構基礎

• 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，這種結構使得芯片在安裝時需要插入到具有相應結構的芯片插座上，或者直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。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，在一些簡單電路或者對空間要求不是特別嚴格的設備中有廣泛應用。

2. 材料使用與性能局限

• 多數封裝使用塑料、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境保護，如防止芯片受到外界的機械損傷、塵埃污染等。然而，由于當時的封裝技術相對較為簡單，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，整個封裝體在電路板上占據較大的空間。

• 在功能和性能方面存在局限性。其集成度較低，意味著在一個封裝內能夠集成的半導體器件數量有限，對于一些復雜功能的實現需要更多的外部電路輔助。而且在電氣性能方面，由于封裝結構和材料的限制，信號傳輸速度和質量也相對較低，無法滿足高速、高頻電路的需求。此外，這種封裝在散熱方面也存在挑戰，因為較大的封裝體積不利于熱量的快速散發，容易導致芯片在工作過程中溫度過高，影響芯片的穩定性和使用壽命。

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先鉆好的通孔中，然后進行焊接。這種安裝方式相對較為牢固，但同時也使得電路板的設計和制造過程較為復雜，需要進行通孔的鉆孔和金屬化處理等工序。并且由于引腳較長，在信號傳輸過程中容易產生信號延遲和串擾等問題，影響整個電路的性能。

二、表面貼裝時代特點

表面貼裝時代的封裝技術呈現出如下特點：

1. 封裝結構與形式的變革

• 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，這種結構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，具有較多的引腳數量，可滿足一些復雜芯片的封裝需求。

• 以引線替代了之前通孔插裝時代的引腳，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

• 在性能方面有顯著提升。首先，引線細、短，間距小，這使得封裝密度得到提高。相比通孔插裝時代，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，由于引線長度縮短，信號傳輸的延遲和串擾問題得到一定程度的改善，信號傳輸速度更快、質量更高。此外，這種封裝形式的體積小、重量輕，使得電子設備的整體體積和重量也得以降低，更適合于便攜式電子設備的發展需求。

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

3. 生產與自動化適應性

• 表面貼裝技術非常適合自動化生產。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自動化設備來完成，如自動貼片機等。這種自動化生產方式大大提高了生產效率，降低了生產成本，同時也提高了生產的一致性和可靠性。與通孔插裝需要人工將引腳插入通孔相比，表面貼裝技術的自動化程度更高，更適應大規模生產的需求。

三、面積陣列時代特點

面積陣列時代的半導體封裝技術有以下特點：

1. 封裝技術與代表性封裝形式

• 這一階段出現了如BGA、CSP、FC等先進封裝技術。BGA是球柵陣列封裝，它的引腳以球形焊點的形式分布在芯片底部，呈陣列狀排列。這種結構大大增加了引腳數量，同時減小了引腳間距，使得在相同的封裝面積下可以實現更多的電氣連接。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，進一步縮小了封裝體積。FC即倒裝芯片技術，是將芯片正面朝下與基板直接連接，與傳統的正裝芯片相比，縮短了信號傳輸路徑，提高了信號傳輸速度和可靠性。

2. 封裝體積與性能優化

• 在封裝體積大幅縮減的同時提升了系統性能。BGA、CSP和FC等封裝技術通過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，由于引腳布局更加合理，信號傳輸路徑更短，電氣性能得到顯著提升。例如，在高速數字電路中，這些封裝技術能夠滿足更高的信號傳輸頻率要求，減少信號衰減和失真。

• 取消了引線結構。與表面貼裝時代的封裝形式相比，面積陣列封裝技術不再依賴傳統的引線來實現芯片與基板的連接，這不僅減少了信號傳輸過程中的損耗，還進一步提高了封裝的集成度。例如，BGA封裝的球形焊點直接連接芯片和基板，使得信號傳輸更加直接和高效。

3. 對封測行業的影響

• 成為目前全球封測廠商所處的主流技術階段。由于這些技術在提高性能和減小體積方面的優勢，大多數半導體產品在封裝測試過程中都采用了面積陣列封裝技術。這也促使封測廠商不斷投入研發，提高自身在面積陣列封裝技術方面的工藝水平和生產能力，以滿足市場對高性能、小體積半導體產品的需求。同時，這種主流技術地位也推動了相關封裝設備和材料的發展，如用于BGA封裝的高精度貼片機、適合FC封裝的特殊焊接材料等。

四、多芯片與封裝系統演化階段特點

此階段的半導體封裝技術特點如下：

1. 工藝與技術創新

• 工藝從單芯片變為多芯片、從封裝元件演化為封裝系統。MCM多芯片模塊技術允許將多個芯片集成在一個封裝內，這些芯片可以是不同功能的芯片，如處理器芯片、存儲芯片等。通過這種集成方式，可以減少芯片之間的連接線路長度，提高系統的整體性能和可靠性。例如，在一些復雜的通信設備中，MCM封裝可以將信號處理芯片、控制芯片和存儲芯片集成在一起，實現更高效的信號處理和數據存儲。

• SiP系統級封裝技術是這一階段的重要發展成果。SiP可以將多種不同功能的組件集成到一個封裝中，包括處理器、存儲器、傳感器等。這種封裝方式極大地簡化了系統設計和制造過程。例如，在智能手機中，SiP可以將CPU、GPU、內存、基帶芯片等集成在一起，減少了電路板的面積，同時提高了系統的集成度和性能。

• Bumping凸塊技術也得到發展。Bumping技術在芯片與芯片或者芯片與基板的連接方面起到重要作用，通過在芯片表面制作凸塊，可以實現更緊密的連接，提高電氣連接性能和信號傳輸速度。

2. 系統性能提升與集成度提高

• 在性能方面，由于多芯片的集成，系統內部芯片之間的通信距離縮短，信號傳輸延遲降低，從而提高了整個系統的運行速度。例如，在計算機的CPU和內存之間，如果采用多芯片封裝技術，能夠加快數據的讀寫速度，提高計算機的整體性能。

• 集成度得到極大提高。不再局限于單個芯片的封裝，而是將多個相關的芯片和組件集成在一起，使得在一個封裝內可以實現更多的功能。這對于一些對空間和性能要求較高的電子設備，如可穿戴設備、物聯網設備等非常有利，可以在更小的體積內實現更復雜的功能。

3. 面臨的挑戰與發展方向

• 多芯片和系統級封裝面臨著熱管理的挑戰。由于多個芯片集成在一個封裝內，芯片工作時產生的熱量集中，散熱難度增大。如果散熱不良，會導致芯片溫度過高，影響芯片的性能和可靠性。因此，需要開發更有效的散熱技術和散熱材料，如高性能的散熱片、導熱膠等。

• 在信號完整性方面也面臨挑戰。多個芯片之間的信號干擾、串擾等問題需要得到妥善解決。這就要求在封裝設計和布線過程中，采用合理的布局和屏蔽措施，以確保信號的準確傳輸。這一階段的發展方向是進一步提高集成度，優化熱管理和信號完整性，同時降低成本，以滿足不斷增長的市場需求。

五、立體結構型封裝技術階段特點

立體結構型封裝技術階段的特點包括：

1. 代表性技術與封裝形式

• 微機電機械系統封裝（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封裝（Fan - Out）等技術是這個階段的典型代表。MEMS封裝是針對微機電系統芯片的封裝技術，它需要考慮微機電系統中微結構的保護、機械運動的實現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定性。

• 硅通孔（TSV）技術是一種通過在硅片上制作垂直通孔來實現芯片之間垂直方向電氣連接的技術。這種技術可以大大提高芯片的集成度，實現三維空間內的芯片堆疊。例如，在一些高性能計算芯片中，TSV技術可以將多個芯片垂直堆疊在一起，減少信號傳輸路徑，提高數據傳輸速度。

• 扇出型封裝（Fan - Out）是將芯片的I/O引腳通過重新布線延伸到芯片外部的一種封裝技術，它可以增加引腳數量，提高封裝的靈活性。例如，在一些對引腳數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

• 這些技術使得封裝更加小型化和高性能化。通過三維空間內的集成，如TSV技術實現的芯片垂直堆疊，能夠在更小的體積內集成更多的功能。在立體結構型封裝中，信號傳輸路徑進一步縮短，電氣性能得到極大提升。例如，在三維堆疊的存儲芯片中，數據的讀寫速度可以得到顯著提高，滿足高速數據處理的需求。

• 復雜集成帶來的優勢。這種復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，實現系統級的功能優化。例如，將邏輯芯片和存儲芯片通過立體結構型封裝技術集成，可以構建出高性能的計算和存儲系統，提高整個系統的性能和效率。

3. 對封裝產業鏈的影響

• 帶動封裝產業鏈進入復雜集成時代。從封裝材料供應商到封裝設備制造商，再到封測廠商，整個產業鏈都需要適應這種復雜的立體結構型封裝技術的要求。例如，封裝材料需要具備更好的電氣性能、熱性能和機械性能，以滿足立體結構型封裝的需求。封裝設備制造商需要研發和生產能夠實現高精度、高可靠性的TSV制作、芯片堆疊等工藝的設備。封測廠商需要掌握更復雜的測試技術，以確保立體結構型封裝芯片的質量和性能。

半導體封裝清洗介紹

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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境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，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、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、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，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質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引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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