半导体芯片封装技术详谈

随着时间的沉淀和技术的发展更新，半导体芯片封装技术自问世至今，已经演变出数百种，不同技术有各自的应用情形。

大多数应用将需要更通用的单元件封装用于集成电路和其他元件，如电阻器，电容器，天线等。然而，随着半导体行业开发出更小，更强大的器件，“系统级封装”(SiP)解决方案正成为首选，所有元件都放在一个单独的封装或模块中。

虽然封装类型可以很容易地分为引线框架，基板或晶圆级封装，但选择适合您所有要求的封装要复杂一些，需要评估和平衡应用需求。要做出正确的选择，您必须了解多个参数的影响，如热需求、功率、连接性、环境条件、PCB组装能力，当然还有成本。

对于封装类型的评估，以下是一些关键要求：

应用类别

最终目标应用是决定了封装该如何选择。您的应用是低成本的消费设备还是高成本的工业ASIC?它会在炎热的环境中运行吗?您是开发片上系统，还是将ASIC作为系统中的一个关键组件?这些问题将帮助您决定封装的类型 - 您是否可以使用晶圆级或芯片尺寸封装，或者标准的，更容易获得的BGA或QFN型封装。

高端级：要求通常与具有大量连接(高引脚输出)的高速，高功率芯片有关。这些器件需要先进的封装要求，以满足小焊盘间距，高速信号和去耦的需求，这可以通过FC-BGA(倒装芯片BGA)或更新的封装(如嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)实现。 )。

中端级：在中档组通常需要封装可以解决热增强和使用成本效益高的塑料封装技术-通常选择BGA和QFN。该组的最高端是芯片级和晶圆级封装，适用于系统封装或多芯片模块封装。

入门级：包括高容量应用，其中成本是主要的驱动器，而不是性能。例如，用于笔记本和移动应用的设备通常需要小尺寸的晶片级和芯片尺寸封装。

引脚数和 I/O

在确定封装要求时，任何设备的输入和输出连接的数量和位置是要考虑的关键因素。

引脚数高：如果您正在寻找一个非常高的引脚数，比如1000引脚封装，那么您最好的选择可能是标准的BGA封装，它提供了这样的I/O能力，因为整个封装尺寸可以达到50-60平方毫米。

引脚数低：对于低引脚数，比如50个引脚，您可能选择QFN或WLCSP封装。但是，WLCSP对封装内的散热有限制。在存在发热(例如，快速切换)或需要良好信号接地的情况下，由于“内置”金属基垫，QFN是更好的封装选择。

布局：另一个参数是I/O的位置。如果I/O位于芯片周围的外围，那么只要芯片和封装焊盘中有足够的表面积，就可以快速，简单和可靠地进行引线键合。如果I/O在不同区域的芯片表面上散布，那么从芯片中心引出的引线难以接通，那么倒装芯片封装可以直接连接到封装的基板上，这通常是多层PCB，不会出现芯片重叠的问题。

热管理

热管理是优化芯片性能的关键封装因素。例如，BGA封装通常可以提供更低的成本/改进的热管理解决方案，因为它的大小，因为它有更大的面积可用来散热。就热管理解决方案而言，较小的房地产芯片可能更贵，需要一个外部散热器或其他冷却选项。

BGA封装有两个热垫选项，如导电vias或内置金属基板，可以实现足够的热管理。热增强BGA封装的一些选项可以在其上内置金属帽，从而在IC器件和金属帽之间建立导热路径，从而提供良好的散热。

QFN封装的设计是这样的，他们有一个坚实的金属模具垫作为封装的基础，模具是粘结在一起的。这使得很好的散热从硅模具通过PCB。

热管理是优化芯片性能的关键封装因素。例如，BGA封装由于其尺寸，通常可以在封装内提供更低成本/改进的热管理解决方案，因为它具有更大的可用于散热的面积。

BGA封装 可选配两个导热垫，例如导电通孔或内置金属底板，可实现充分的热量管理。热增强型BGA封装的一些选择可以在其上构建金属盖，其在IC器件和金属盖之间建立热传导路径，这提供了良好的散热。

QFN封装 的设计使得它们具有固体金属芯片焊盘作为封装的基部，芯片与之结合。这样可以实现从硅芯片到PCB的非常好的散热。

贴片材料 使用导热粘合剂(如Sliver填充的环氧树脂，而不是普通环氧树脂)将芯片粘合到基板上，有助于消除热量。此外，还有更新的技术，如银烧结技术 - 一种具有高工作温度，高导热性和导电性的互连方法。这些材料通常适用于QFN封装，但由于封装结构的原因，在BGA封装中效果不佳。

芯片尺寸和晶圆级封装 这些封装中的热管理主要在芯片背面或芯片尺寸封装中在芯片的裸露顶侧完成。

高速信号/RF

RF，无线和高速数字设计具有影响封装选择的特定要求。封装内互连的参数效应可显着降低信号速度和频率。

引线键合与倒装芯片 在RF器件中，关键设计考虑因素涉及电感，电容和电阻，这些因素受进出器件信号速度的影响。这些问题也影响封装选择，主要是在倒装芯片和引线键合互连之间。倒装芯片将提供更好的RF性能，并能够以更低的电感达到更高的频率。另一方面，引线键合可以在每个RF输入或较高频率的输出处添加随机可变电感。

封装布局。在RF频率，信号沿表面而不是导体传播。因此，组装封装的方式对设备具有重要影响。例如，高速放大器芯片，RF晶体管和二极管通常不能放入“标准”塑料封装中，因为封装材料影响芯片工作的速度。因此，这种芯片应该进入腔QFN或BGA封装。

高频信号(1GHz及以上)可能要求互连的布局具有隔离的信号路径，称为“接地信号接地”互连。这里对每个信号I/O的两个接地连接的要求将影响封装尺寸和布局。

此外，对于高速ASIC，信号电平和时序将受到它们行进的导体长度的影响。例如，如果您使用的是BGA封装，并且导致一个点的导线较长而导致下一个导线的导线较短，则信号的时序差异会很大。必须通过更多地考虑封装基板的初始设计以适应高速RF器件来克服这一点。

BGA衬底介电材料也是RF芯片的关键因素。例如，高性能液体聚合物基板(如Rogers层压板)比标准FR4 PCB材料更适合用作RF设计用BGA封装的基板。

在选择半导体芯片封装技术时，应当以自身需要为依据，切不可盲目选择。