半導體封裝測試 瀏覽702次
半導體封裝測試定義:
半導體生產(chǎn)流程由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和封裝后測試組成。半導體封裝測試是指將通過(guò)測試的晶圓按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過(guò)程。封裝過(guò)程為：來(lái)自晶圓前道工藝的晶圓通過(guò)劃片工藝后，被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應的基板（引線(xiàn)框架）架的小島上，再利用超細的金屬（金、錫、銅、鋁）導線(xiàn)或者導電性樹(shù)脂將晶片的接合焊盤(pán)（BondPad）連接到基板的相應引腳（Lead）,并構成所要求的電路；然后再對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之后，還要進(jìn)行一系列操作，如后固化（Post MoldCure）、切筋和成型（Trim&Form）、電鍍（Plating）以及打印等工藝。封裝完成后進(jìn)行成品測試，通常經(jīng)過(guò)入檢（Incoming）、測試（Test）和包裝（Packing）等工序，最后入庫出貨。典型的封裝工藝流程為：劃片 裝片 鍵合 塑封 去飛邊 電鍍打印 切筋和成型 外觀(guān)檢查 成品測試 包裝出貨。
半導體封裝形式:
半導體器件有許多封裝形式，按封裝的外形、尺寸、結構分類(lèi)可分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝三類(lèi)。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP，技術(shù)指標一代比一代先進(jìn)?？傮w說(shuō)來(lái)，半導體封裝經(jīng)歷了三次重大革新：第一次是在上世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝，它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度；第二次是在上世紀90年代球型矩陣封裝的出現，滿(mǎn)足了市場(chǎng)對高引腳的需求，改善了半導體器件的性能；芯片級封裝、系統封裝等是現在第三次革新的產(chǎn)物，其目的就是將封裝面積減到最小。
高級封裝實(shí)現封裝面積最小化
芯片級封裝CSP。幾年之前封裝本體面積與芯片面積之比通常都是幾倍到幾十倍，但近幾年來(lái)有些公司在BGA、TSOP的基礎上加以改進(jìn)而使得封裝本體面積與芯片面積之比逐步減小到接近1的水平，所以就在原來(lái)的封裝名稱(chēng)下冠以芯片級封裝以用來(lái)區別以前的封裝。就目前來(lái)看，人們對芯片級封裝還沒(méi)有一個(gè)統一的定義，有的公司將封裝本體面積與芯片面積之比小于2的定為CSP，而有的公司將封裝本體面積與芯片面積之比小于1.4或1.2的定為CSP。目前開(kāi)發(fā)應用最為廣泛的是FBGA和QFN等，主要用于內存和邏輯器件。就目前來(lái)看，CSP的引腳數還不可能太多，從幾十到一百多。這種高密度、小巧、扁薄的封裝非常適用于設計小巧的掌上型消費類(lèi)電子裝置。
CSP封裝具有以下特點(diǎn)：解決了IC裸芯片不能進(jìn)行交流參數測試和老化篩選的問(wèn)題；封裝面積縮小到BGA的1/4至1/10；延遲時(shí)間縮到極短；CSP封裝的內存顆粒不僅可以通過(guò)PCB板散熱，還可以從背面散熱，且散熱效率良好。就封裝形式而言，它屬于已有封裝形式的派生品，因此可直接按照現有封裝形式分為四類(lèi)：框架封裝形式、硬質(zhì)基板封裝形式、軟質(zhì)基板封裝形式和芯片級封裝。
多芯片模塊MCM。20世紀80年代初發(fā)源于美國，為解決單一芯片封裝集成度低和功能不夠完善的問(wèn)題，把多個(gè)高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上組成多種多樣的電子模塊系統，從而出現多芯片模塊系統。它是把多塊裸露的IC芯片安裝在一塊多層高密度互連襯底上，并組裝在同一個(gè)封裝中。它和CSP封裝一樣屬于已有封裝形式的派生品。
多芯片模塊具有以下特點(diǎn)：封裝密度更高，電性能更好，與等效的單芯片封裝相比體積更小。如果采用傳統的單個(gè)芯片封裝的形式分別焊接在印刷電路板上，則芯片之間布線(xiàn)引起的信號傳輸延遲就顯得非常嚴重，尤其是在高頻電路中，而此封裝最大的優(yōu)點(diǎn)就是縮短芯片之間的布線(xiàn)長(cháng)度，從而達到縮短延遲時(shí)間、易于實(shí)現模塊高速化的目的。
WLCSP。此封裝不同于傳統的先切割晶圓，再組裝測試的做法，而是先在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測試，然后再切割。它有著(zhù)更明顯的優(yōu)勢：首先是工藝大大優(yōu)化，晶圓直接進(jìn)入封裝工序，而傳統工藝在封裝之前還要對晶圓進(jìn)行切割、分類(lèi)；所有集成電路一次封裝，刻印工作直接在晶圓上進(jìn)行，設備測試一次完成，有別于傳統組裝工藝；生產(chǎn)周期和成本大幅下降，芯片所需引腳數減少，提高了集成度；引腳產(chǎn)生的電磁干擾幾乎被消除，采用此封裝的內存可以支持到800MHz的頻率，最大容量可達1GB，所以它號稱(chēng)是未來(lái)封裝的主流。它的不足之處是芯片得不到足夠的保護。
表面貼片封裝降低PCB設計難度
表面貼片封裝是從引腳直插式封裝發(fā)展而來(lái)的，主要優(yōu)點(diǎn)是降低了PCB電路板設計的難度，同時(shí)它也大大降低了其本身的尺寸大小。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專(zhuān)用工具是很難拆卸下來(lái)的。表面貼片封裝根據引腳所處的位置可分為：Single-ended(引腳在一面)、Dual(引腳在兩邊)、Quad(引腳在四邊)、Bottom(引腳在下面)、BGA(引腳排成矩陣結構)及其他。
Single-ended。此封裝形式的特點(diǎn)是引腳全部在一邊，而且引腳的數量通常比較少。它又可分為：導熱型，像常用的功率三極管，只有三個(gè)引腳排成一排，其上面有一個(gè)大的散熱片；COF是將芯片直接粘貼在柔性線(xiàn)路板上(現有的用Flip-Chip技術(shù))，再經(jīng)過(guò)塑料包封而成，它的特點(diǎn)是輕而且很薄，所以當前被廣泛用在液晶顯示器(LCD)上，以滿(mǎn)足LCD分辨率增加的需要。其缺點(diǎn)一是Film的價(jià)格很貴，二是貼片機的價(jià)格也很貴。
Dual。此封裝形式的特點(diǎn)是引腳全部在兩邊，而且引腳的數量不算多。它的封裝形式比較多，又可細分為SOT、SOP、SOJ、SSOP、HSOP及其他。
SOT系列主要有SOT-23、SOT-223、SOT25、SOT-26、SOT323、SOT-89等。當電子產(chǎn)品尺寸不斷縮小時(shí)，其內部使用的半導體器件也必須變小，更小的半導體器件使得電子產(chǎn)品能夠更小、更輕、更便攜，相同尺寸包含的功能更多。SOT封裝既大大降低了高度，又顯著(zhù)減小了PCB占用空間。
小尺寸貼片封裝SOP。飛利浦公司在上世紀70年代就開(kāi)發(fā)出小尺寸貼片封裝SOP，以后逐漸派生出SOJ(J型引腳小外形封裝)、TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等。SOP引腳數在幾十個(gè)之內。
薄型小尺寸封裝TSOP。它與SOP的最大區別在于其厚度很薄，只有1mm，是SOJ的1/3；由于外觀(guān)輕薄且小，適合高頻使用。它以較強的可操作性和較高的可靠性征服了業(yè)界，大部分的SDRAM內存芯片都是采用此TSOP封裝方式。TSOP內存封裝的外形呈長(cháng)方形，且封裝芯片的周?chē)加蠭/O引腳。在TSOP封裝方式中，內存顆粒是通過(guò)芯片引腳焊在PCB板上的，焊點(diǎn)和PCB板的接觸面積較小，使得芯片向PCB板傳熱相對困難。而且TSOP封裝方式的內存在超過(guò)150MHz后，會(huì )有很大的信號干擾和電磁干擾。
J形引腳小尺寸封裝SOJ。引腳從封裝主體兩側引出向下呈J字形，直接粘著(zhù)在印刷電路板的表面，通常為塑料制品，多數用于DRAM和SRAM等內存LSI電路，但絕大部分是DRAM。用SOJ封裝的DRAM器件很多都裝配在SIMM上。引腳中心距1.27mm，引腳數從20至40不等。
四邊引腳扁平封裝QFP。QFP是由SOP發(fā)展而來(lái)，其外形呈扁平狀，引腳從四個(gè)側面引出，呈海鷗翼(L)型，鳥(niǎo)翼形引腳端子的一端由封裝本體引出，而另一端沿四邊布置在同一平面上。它在印刷電路板(PWB)上不是靠引腳插入PWB的通孔中，所以不必在主板上打孔，而是采用SMT方式即通過(guò)焊料等貼附在PWB上，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點(diǎn)，將封裝各腳對準相應的焊點(diǎn)，即可實(shí)現與主板的焊接。因此，PWB兩面可以形成不同的電路，采用整體回流焊等方式可使兩面上搭載的全部元器件一次鍵合完成，便于自動(dòng)化操作，實(shí)裝的可靠性也有保證。這是目前最普遍采用的封裝形式。
此種封裝引腳之間距離很小、管腳很細，一般大規?；虺笠幠＜呻娐凡捎眠@種封裝形式。其引腳數一般從幾十到幾百，而且其封裝外形尺寸較小、寄生參數減小、適合高頻應用。該封裝主要適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線(xiàn)。但是由于QFP的引線(xiàn)端子在四周布置，且伸出PKG之外，若引線(xiàn)間距過(guò)窄，引線(xiàn)過(guò)細，則端子難免在制造及實(shí)裝過(guò)程中發(fā)生變形。當端子數超過(guò)幾百個(gè)，端子間距等于或小于0.3mm時(shí)，要精確地搭載在電路圖形上，并與其他電路組件一起采用再流焊一次完成實(shí)裝，難度極大，致使價(jià)格劇增，而且還存在可靠性及成品率方面的問(wèn)題。采用J字型引線(xiàn)端子的PLCC等可以緩解一些矛盾，但不能從根本上解決QFP的上述問(wèn)題。由QFP衍生出來(lái)的封裝形式還有LCCC、PLCC以及TAB等。
此封裝的基材有陶瓷、金屬和塑料三種。從數量上看，塑料封裝占絕大部分，當沒(méi)有特別表示出材料時(shí)，多數情況為塑料QFP。塑料QFP是最普及的多引腳LSI封裝。QFP封裝的缺點(diǎn)是：當引腳中心距小于0.65mm時(shí)，引腳容易彎曲。為了防止引腳變形，現已出現了幾種改進(jìn)的QFP品種。
塑料四邊引腳扁平封裝PQFP。芯片的四周均有引腳，其引腳數一般都在100以上，而且引腳之間距離很小，管腳也很細，一般大規?；虺笠幠＜呻娐凡捎眠@種封裝形式。用這種形式封裝的芯片，必須采用表面安裝設備技術(shù)(SMT)將芯片邊上的引腳與主板焊接起來(lái)。PQFP封裝適用于SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線(xiàn)，適合高頻使用，它具有操作方便、可靠性高、芯片面積與封裝面積比值較小等優(yōu)點(diǎn)。
帶引腳的塑料芯片載體PLCC。它與LCC相似，只是引腳從封裝的四個(gè)側面引出，呈丁字形，是塑料制品。引腳中心距1.27mm，引腳數從18到84。J形引腳不易變形，比QFP容易操作，但焊接后的外觀(guān)檢查較為困難。它與LCC封裝的區別僅在于前者用塑料，后者用陶瓷，但現在已經(jīng)出現用陶瓷制作的J形引腳封裝和用塑料制作的無(wú)引腳封裝。
無(wú)引腳芯片載體LCC或四側無(wú)引腳扁平封裝QFN。指陶瓷基板的四個(gè)側面只有電極接觸而無(wú)引腳的表面貼裝型封裝。由于無(wú)引腳，貼裝占有面積比QFP小，高度比QFP低，它是高速和高頻IC用封裝。但是，當印刷基板與封裝之間產(chǎn)生應力時(shí)，在電極接觸處就不能得到緩解，因此電極觸點(diǎn)難于做到QFP的引腳那樣多，一般從14到100左右。材料有陶瓷和塑料兩種，當有LCC標記時(shí)基本上都是陶瓷QFN，塑料QFN是以玻璃環(huán)氧樹(shù)脂為基板基材的一種低成本封裝。
球型矩陣封裝BGA。BGA封裝經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，目前已成為最熱門(mén)的封裝。
隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，對集成電路的封裝要求越來(lái)越嚴格。這是因為封裝關(guān)系到產(chǎn)品的性能，當IC的頻率超過(guò)100MHz時(shí)，傳統封裝方式可能會(huì )產(chǎn)生所謂的交調噪聲"Cross-TalkNoise"現象，而且當IC的管腳數大于208腳時(shí)，傳統的封裝方式有其難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現今大多數的高腳數芯片皆轉而使用BGA封裝。BGA一出現便成為CPU、高引腳數封裝的最佳選擇。BGA封裝的器件絕大多數用于手機、網(wǎng)絡(luò )及通信設備、數碼相機、微機、筆記本計算機、PAD和各類(lèi)平板顯示器等高檔消費市場(chǎng)。
BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)有：1.輸入輸出引腳數大大增加，而且引腳間距遠大于QFP，加上它有與電路圖形的自動(dòng)對準功能，從而提高了組裝成品率；2.雖然它的功耗增加，但能用可控塌陷芯片法焊接，它的電熱性能從而得到了改善，對于集成度很高和功耗很大的芯片，采用陶瓷基板，并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而可達到電路的穩定可靠工作；3.封裝本體厚度比普通QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以上；4.寄生參數減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高;5.組裝可用共面焊接，可靠性高。
BGA封裝的不足之處：BGA封裝仍與QFP、PGA一樣，占用基板面積過(guò)大；塑料BGA封裝的翹曲問(wèn)題是其主要缺陷，即錫球的共面性問(wèn)題。共面性的標準是為了減小翹曲，提高BGA封裝的特性，應研究塑料、粘片膠和基板材料，并使這些材料最佳化。同時(shí)由于基板的成本高，而使其價(jià)格很高。
小型球型矩陣封裝Tiny-BGA。它與BGA封裝的區別在于它減少了芯片的面積，可以看成是超小型的BGA封裝，但它與BGA封裝比卻有三大進(jìn)步：由于封裝本體減小，可以提高印刷電路板的組裝密集度；芯片與基板連接的路徑更短，減小了電磁干擾的噪音，能適合更高的工作頻率；具有更好的散熱性能。
微型球型矩陣封裝mBGA。它是BGA的改進(jìn)版，封裝本體呈正方形，占用面積更小、連接短、電氣性能好、不易受干擾，所以這種封裝會(huì )帶來(lái)更好的散熱及超頻性能，但制造成本極高。
插入式封裝主要針對中小規模集成電路
引腳插入式封裝。此封裝形式有引腳出來(lái)，并將引腳直接插入印刷電路板中，再由浸錫法進(jìn)行波峰焊接，以實(shí)現電路連接和機械固定。由于引腳直徑和間距都不能太細，故印刷電路板上的通孔直徑、間距乃至布線(xiàn)都不能太細，而且它只用到印刷電路板的一面，從而難以實(shí)現高密度封裝。它又可分為引腳在一端的封裝形式(Single ended)、引腳在兩端的封裝形式(Double ended)和引腳矩陣封裝(Pin Grid Array)。
引腳在一端的封裝形式大概又可分為三極管的封裝形式和單列直插封裝形式。
典型的三極管引腳插入式封裝形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等，主要作用是信號放大和電源穩壓。
單列直插式封裝SIP。引腳只從封裝的一個(gè)側面引出，排列成一條直線(xiàn)，引腳中心距通常為2.54mm，引腳數最多為二三十，當裝配到印刷基板上時(shí)封裝呈側立狀。其吸引人之處在于只占據很少的電路板面積，然而在某些體系中，封閉式的電路板限制了SIP封裝的高度和應用，加上沒(méi)有足夠的引腳，性能不能令人滿(mǎn)意。多數為定制產(chǎn)品，它的封裝形狀還有ZIP和SIPH。
引腳在兩端的封裝形式大概又可分為雙列直插式封裝、Z形雙列直插式封裝和收縮型雙列直插式封裝等。
雙列直插式封裝DIP。絕大多數中小規模集成電路均采用這種封裝形式，其引腳數一般不超過(guò)100。DIP封裝的芯片有兩排引腳，分布于兩側，且呈直線(xiàn)平行布置，引腳間距為2.54mm，需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。此封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應特別小心，以免損壞管腳。它的封裝結構形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線(xiàn)框架式DIP等。此封裝具有以下特點(diǎn)：1.適合在印刷電路板(PCB)上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。3.除其外形尺寸及引腳數之外，并無(wú)其他特殊要求。帶散熱片的雙列直插式封裝DIPH主要是為功耗大于2W的器件增加的。
Z形雙列直插式封裝ZIP。它與DIP并無(wú)實(shí)質(zhì)區別，只是引腳呈Z狀排列，其目的是為了增加引腳的數量，而引腳的間距仍為2.54mm。陶瓷Z形雙列直插式封裝CZIP與ZIP外形一樣，只是用陶瓷材料封裝。
收縮型雙列直插式封裝SKDIP。形狀與DIP相同，但引腳中心距為1.778mm小于DIP(2.54mm)，引腳數一般不超過(guò)100，材料有陶瓷和塑料兩種。
引腳矩陣封裝PGA。它是在DIP的基礎上，為適應高速度、多引腳化(提高組裝密度)而出現的。此封裝其引腳不是單排或雙排，而是在整個(gè)平面呈矩陣排布，在芯片的內外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，與DIP相比，在不增加引腳間距的情況下，可以按近似平方的關(guān)系提高引腳數。根據引腳數目的多少，可以圍成2圈-5圈，其引腳的間距為2.54mm，引腳數量從幾十到幾百。
PGA封裝具有以下特點(diǎn)：1.插拔操作更方便，可靠性高;2.可適應更高的頻率;3.如采用導熱性良好的陶瓷基板，還可適應高速度、大功率器件要求;4.由于此封裝具有向外伸出的引腳，一般采用插入式安裝而不宜采用表面安裝;5.如用陶瓷基板，價(jià)格又相對較高，因此多用于較為特殊的用途。它又分為陳列引腳型和表面貼裝型兩種。
陳列引腳型PGA。是插裝型封裝，其底面的垂直引腳呈陳列狀排列。封裝材料基本上都采用多層陶瓷基板(在未專(zhuān)門(mén)表示出材料名稱(chēng)的情況下，多數為陶瓷PGA)，用于高速大規模邏輯LSI電路，成本較高。引腳中心距通常為2.54mm，引腳數從幾十到500左右，引腳長(cháng)約3.4mm。為了降低成本，封裝基材可用玻璃環(huán)氧樹(shù)脂印刷基板代替，也有64～256引腳的塑料PGA。
表面貼裝型PGA。在封裝的底面有陳列狀的引腳，其長(cháng)度從1.5mm到2.0mm。貼裝采用與印刷基板碰焊的方法，因而也稱(chēng)為碰焊PGA。因為引腳中心距只有1.27mm，比插裝型PGA小一半，所以封裝本體可制作小一些，而引腳數比插裝型多(250～528)，是大規模邏輯LSI用的封裝形式。封裝的基材有多層陶瓷基板和玻璃環(huán)氧樹(shù)脂印刷基數，以多層陶瓷基材制作的封裝已經(jīng)實(shí)用化。
有機管引腳矩陣式封裝OPGA。這種封裝的基底使用的是玻璃纖維，類(lèi)似印刷電路板上的材料。此種封裝方式可以降低阻抗和封裝成本。
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按材料分類(lèi)的半導體封裝形式
金屬封裝。由于該種封裝尺寸嚴格、精度高、金屬零件便于大量生產(chǎn)，故其價(jià)格低、性能優(yōu)良、封裝工藝容易靈活，被廣泛應用于晶體管和混合集成電路如振蕩器、放大器、交直流轉換器、濾波器、繼電器等等產(chǎn)品上，現在及將來(lái)許多微型封裝及多芯片模塊(MCM)也采用此金屬封裝。
陶瓷封裝。陶瓷封裝的許多用途具有不可替代的功能，特別是集成電路組件工作頻率的提高，信號傳送速度的加快和芯片功耗的增加，需要選擇低電阻率的布線(xiàn)導體材料及低介電常數、高導電率的絕緣材料等。
金屬-陶瓷封裝。它是以傳統多層陶瓷工藝為基礎，以金屬和陶瓷材料為框架而發(fā)展起來(lái)的。最大特征是高頻特性好、噪音低而被用于微波功率器件。金屬-陶瓷封裝的種類(lèi)有分立器件封裝，包括同軸型和帶線(xiàn)型；單片微波集成電路(MMIC)封裝，包括載體型、多層陶瓷型和金屬框架-陶瓷絕緣型。
塑料封裝。塑料封裝由于其成本低廉、工藝簡(jiǎn)單，并適于大批量生產(chǎn)，因而具有極強的生命力，自誕生起發(fā)展得越來(lái)越快，在封裝中所占的份額越來(lái)越大。目前塑料封裝在全世界范圍內占集成電路市場(chǎng)的95%以上。塑料封裝的種類(lèi)有分立器件封裝，包括A型和F型；集成電路封裝包括SOP、DIP、QFP和BGA等等。
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