芯片封装技术

什么是芯片封装？

封装，Package，是把集成电路装配为芯片最终产品的过程，简单地说，就是把铸造厂生产出来的集成电路裸片（Die）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。

封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便于其它器件连接。

作为动词，“封装”强调的是安放、固定、密封、引线的过程和动作；作为名词，“封装”主要关注封装的形式、类别，基底和外壳、引线的材料，强调其保护芯片、增强电热性能、方便整机装配的重要作用。

 

什么是封装形式？

封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。

 

为什么要封装？

第一，为了防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，芯片必须与外界隔离。

第二，封装后的芯片更便于安装和运输。

它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。

 

如何衡量封装技术的好坏？

由于封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此封装技术至关重要。

衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。

 

封装形式

由于工作中暂时只接触到QFN和BGA，所以本文仅对这两种封装形式做分享。

QFN（quad flat non-leaded package）四侧无引脚扁平封装（更通俗点，也称方形扁平无引脚封装），表面贴装型封装之一。

优点：

● 体积小：无引脚焊盘设计占有更小的PCB面积。

● 重量轻：组件非常薄(<1mm)，可满足对空间有严格要求的应用，适合便携式应用。

● 具有卓越的电性能：内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，可满足高速或者微波的应用。

● 具有优异的热性能：主要是因为底部有大面积散热焊盘。

● 具有出色的散热性能：通过外露的引线框架焊盘直接散热，用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。

● 无引脚设计：QFN封装不必从两侧引出接脚，因此电气效能胜于引线封装必须从侧面引出多只接脚的SO等传统封装。

缺点：

● 返修困难，因焊接点完全处在元件封装的底部，桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件移开，又因为QFN体积小、重量轻、且它们又是被使用在高密度的装配板上，使得返修的难度大。

● 可靠性太低：工业级别和汽车级别QFN目前是不用的。

 

BGA（ball grid array）球形触点陈列，表面贴装型封装之一。

在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以 代替引脚，在印刷基板的正面装配 LSI (大规模集成电路)芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。

优点：

● 引脚不易变形。

● 引脚可超过200，是多引脚LSI 用的一种封装。最初，BGA 的引脚(凸点)中心距为1.5mm，引脚数为225。也有一些LSI 厂家正在开发500 引脚的BGA。

●热传导：BGA封装与具有分立引线（即具有支脚的封装）的封装相比，封装和PCB之间具有较低的热阻。这使得封装内的集成电路产生的热量更容易流向PCB，防止芯片过热。。

● 低电感引线：电导体越短，其不必要的电感越低。BGA与封装和PCB之间的距离非常短，具有较低的引线电感，使其具有针对固定器件的卓越的电气性能。

缺点：

● 检查难度大：一旦BGA封装好，很难发现焊接故障。 

● 焊球不能像长的引脚那样的方式弯曲，因为它们不是机械地兼容的。与所有表面贴装器件一样， PCB基板和BGA（热应力）或弯曲和振动（机械应力）之间的热膨胀系数差异导致的弯曲可能导致焊点断裂。

● 设备成本高：在PCBA加工厂焊接BGA需要昂贵的设备;手工焊接BGA是非常困难和不可靠的，仅适用于最小封装的芯片。

 

备注：工作中使用到QFN80，是指pin（封装引脚）数量为80个；QFN76、QFN56、QFN28分别是指pin（封装引脚）数量为76个、56个、28个。BGA121，对应就是指pin（封装引脚）数量为121个。