半导体封装技术发展阶段

半导体封装技术大致经历了以下几个发展阶段：

• 早期的通孔插装时代：这是半导体封装技术发展的起始阶段，以DIP（双列直插式封装）、SIP（单列直插式封装）技术为代表。

• 表面贴装时代：随着技术发展，进入到表面贴装时代，像LCC（无引线陶瓷芯片载体）、SOP（小外型封装）等是这个阶段的典型代表封装形式。

• 面积阵列时代：此阶段开始出现BGA（球栅阵列）、CSP（芯片尺寸封装）、FC（倒装芯片）等先进封装技术，是目前全球很多封测厂商所处的主流技术阶段。

• 多芯片与封装系统演化阶段：工艺从单芯片变为多芯片、从封装元件演化为封装系统，MCM（多芯片模块）、SiP（系统级封装）、Bumping（凸块）等技术发展迅速。

• 立体结构型封装技术阶段：微机电机械系统封装（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封装（Fan - Out）等立体结构型封装技术相继出现，带动封装产业链进入复杂集成时代。

半导体封装技术各阶段特点

一、通孔插装时代特点

在半导体封装技术的通孔插装时代，具有以下显著特点：

1. 封装形式与结构基础

• 以DIP和SIP为典型代表。DIP是双列直插式封装，其引脚分布在芯片两侧，这种结构使得芯片在安装时需要插入到具有相应结构的芯片插座上，或者直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。例如，Intel系列CPU中的8088就采用了DIP封装形式，早期的缓存和内存芯片也多采用这种封装。SIP则是单列直插式封装，在一些简单电路或者对空间要求不是特别严格的设备中有广泛应用。

2. 材料使用与性能局限

• 多数封装使用塑料、陶瓷或金属作为材料。这些材料主要是为了给芯片提供一定程度的物理和环境保护，如防止芯片受到外界的机械损伤、尘埃污染等。然而，由于当时的封装技术相对较为简单，这种封装形式的芯片面积与封装面积之间的比值较大，导致封装体积较大。例如，早期的一些晶体管和二极管采用这种封装后，整个封装体在电路板上占据较大的空间。

• 在功能和性能方面存在局限性。其集成度较低，意味着在一个封装内能够集成的半导体器件数量有限，对于一些复杂功能的实现需要更多的外部电路辅助。而且在电气性能方面，由于封装结构和材料的限制，信号传输速度和质量也相对较低，无法满足高速、高频电路的需求。此外，这种封装在散热方面也存在挑战，因为较大的封装体积不利于热量的快速散发，容易导致芯片在工作过程中温度过高，影响芯片的稳定性和使用寿命。

3. 安装与连接方式

• 采用通孔插装的方式，即将芯片的引脚插入电路板上预先钻好的通孔中，然后进行焊接。这种安装方式相对较为牢固，但同时也使得电路板的设计和制造过程较为复杂，需要进行通孔的钻孔和金属化处理等工序。并且由于引脚较长，在信号传输过程中容易产生信号延迟和串扰等问题，影响整个电路的性能。

二、表面贴装时代特点

表面贴装时代的封装技术呈现出如下特点：

1. 封装结构与形式的变革

• 这一阶段的主要封装形式包括SOP、PLCC（塑料有引线片式载体）、PQFP（塑料四边引线扁平封装）、J型引线QFJ和SOJ、LCCC等。SOP是小外型封装，它的外形小巧，适合在空间有限的电路板上使用。PLCC采用塑料封装且有引线片式载体，这种结构能够在一定程度上提高封装的可靠性。PQFP是塑料四边引线扁平封装，具有较多的引脚数量，可满足一些复杂芯片的封装需求。

• 以引线替代了之前通孔插装时代的引脚，并且引线为翼形或丁形，两边或四边引出。这种引线形式使得芯片与电路板之间的连接更加紧凑，减少了封装体积。例如，SOP封装的芯片在电路板上所占的空间比DIP封装的要小很多，从而提高了电路板的集成度，使得在同样大小的电路板上可以集成更多的芯片。

2. 性能提升与新挑战

• 在性能方面有显著提升。首先，引线细、短，间距小，这使得封装密度得到提高。相比通孔插装时代，更多的芯片可以集成在更小的电路板面积上。其次，电气性能提高，由于引线长度缩短，信号传输的延迟和串扰问题得到一定程度的改善，信号传输速度更快、质量更高。此外，这种封装形式的体积小、重量轻，使得电子设备的整体体积和重量也得以降低，更适合于便携式电子设备的发展需求。

• 然而，这种封装形式也存在不足之处。在封装密度、I/O数（输入/输出引脚数）以及电路频率方面还是难以满足ASIC（专用集成电路）、微处理器发展的需要。随着芯片功能的不断增强，对封装的要求也越来越高，表面贴装封装在面对更高集成度和更高性能要求时逐渐显示出其局限性。

3. 生产与自动化适应性

• 表面贴装技术非常适合自动化生产。由于封装形式的改变，使得芯片在电路板上的贴装可以通过自动化设备来完成，如自动贴片机等。这种自动化生产方式大大提高了生产效率，降低了生产成本，同时也提高了生产的一致性和可靠性。与通孔插装需要人工将引脚插入通孔相比，表面贴装技术的自动化程度更高，更适应大规模生产的需求。

三、面积阵列时代特点

面积阵列时代的半导体封装技术有以下特点：

1. 封装技术与代表性封装形式

• 这一阶段出现了如BGA、CSP、FC等先进封装技术。BGA是球栅阵列封装，它的引脚以球形焊点的形式分布在芯片底部，呈阵列状排列。这种结构大大增加了引脚数量，同时减小了引脚间距，使得在相同的封装面积下可以实现更多的电气连接。例如，一些高性能的微处理器芯片采用BGA封装，能够满足其大量的I/O引脚需求。

• CSP是芯片尺寸封装，其封装尺寸非常接近芯片本身的尺寸，这种封装形式在保持芯片高性能的同时，进一步缩小了封装体积。FC即倒装芯片技术，是将芯片正面朝下与基板直接连接，与传统的正装芯片相比，缩短了信号传输路径，提高了信号传输速度和可靠性。

2. 封装体积与性能优化

• 在封装体积大幅缩减的同时提升了系统性能。BGA、CSP和FC等封装技术通过改变引脚的分布形式（如BGA的球栅阵列）或者减小封装与芯片的尺寸差异（如CSP）以及优化芯片与基板的连接方式（如FC），有效地减小了封装的整体体积。同时，由于引脚布局更加合理，信号传输路径更短，电气性能得到显著提升。例如，在高速数字电路中，这些封装技术能够满足更高的信号传输频率要求，减少信号衰减和失真。

• 取消了引线结构。与表面贴装时代的封装形式相比，面积阵列封装技术不再依赖传统的引线来实现芯片与基板的连接，这不仅减少了信号传输过程中的损耗，还进一步提高了封装的集成度。例如，BGA封装的球形焊点直接连接芯片和基板，使得信号传输更加直接和高效。

3. 对封测行业的影响

• 成为目前全球封测厂商所处的主流技术阶段。由于这些技术在提高性能和减小体积方面的优势，大多数半导体产品在封装测试过程中都采用了面积阵列封装技术。这也促使封测厂商不断投入研发，提高自身在面积阵列封装技术方面的工艺水平和生产能力，以满足市场对高性能、小体积半导体产品的需求。同时，这种主流技术地位也推动了相关封装设备和材料的发展，如用于BGA封装的高精度贴片机、适合FC封装的特殊焊接材料等。

四、多芯片与封装系统演化阶段特点

此阶段的半导体封装技术特点如下：

1. 工艺与技术创新

• 工艺从单芯片变为多芯片、从封装元件演化为封装系统。MCM多芯片模块技术允许将多个芯片集成在一个封装内，这些芯片可以是不同功能的芯片，如处理器芯片、存储芯片等。通过这种集成方式，可以减少芯片之间的连接线路长度，提高系统的整体性能和可靠性。例如，在一些复杂的通信设备中，MCM封装可以将信号处理芯片、控制芯片和存储芯片集成在一起，实现更高效的信号处理和数据存储。

• SiP系统级封装技术是这一阶段的重要发展成果。SiP可以将多种不同功能的组件集成到一个封装中，包括处理器、存储器、传感器等。这种封装方式极大地简化了系统设计和制造过程。例如，在智能手机中，SiP可以将CPU、GPU、内存、基带芯片等集成在一起，减少了电路板的面积，同时提高了系统的集成度和性能。

• Bumping凸块技术也得到发展。Bumping技术在芯片与芯片或者芯片与基板的连接方面起到重要作用，通过在芯片表面制作凸块，可以实现更紧密的连接，提高电气连接性能和信号传输速度。

2. 系统性能提升与集成度提高

• 在性能方面，由于多芯片的集成，系统内部芯片之间的通信距离缩短，信号传输延迟降低，从而提高了整个系统的运行速度。例如，在计算机的CPU和内存之间，如果采用多芯片封装技术，能够加快数据的读写速度，提高计算机的整体性能。

• 集成度得到极大提高。不再局限于单个芯片的封装，而是将多个相关的芯片和组件集成在一起，使得在一个封装内可以实现更多的功能。这对于一些对空间和性能要求较高的电子设备，如可穿戴设备、物联网设备等非常有利，可以在更小的体积内实现更复杂的功能。

3. 面临的挑战与发展方向

• 多芯片和系统级封装面临着热管理的挑战。由于多个芯片集成在一个封装内，芯片工作时产生的热量集中，散热难度增大。如果散热不良，会导致芯片温度过高，影响芯片的性能和可靠性。因此，需要开发更有效的散热技术和散热材料，如高性能的散热片、导热胶等。

• 在信号完整性方面也面临挑战。多个芯片之间的信号干扰、串扰等问题需要得到妥善解决。这就要求在封装设计和布线过程中，采用合理的布局和屏蔽措施，以确保信号的准确传输。这一阶段的发展方向是进一步提高集成度，优化热管理和信号完整性，同时降低成本，以满足不断增长的市场需求。

五、立体结构型封装技术阶段特点

立体结构型封装技术阶段的特点包括：

1. 代表性技术与封装形式

• 微机电机械系统封装（MEMS）、硅通孔（TSV）、扇出型封装（Fan - Out）等技术是这个阶段的典型代表。MEMS封装是针对微机电系统芯片的封装技术，它需要考虑微机电系统中微结构的保护、机械运动的实现以及与外部电路的有效连接等特殊需求。例如，在加速度传感器、陀螺仪等MEMS器件的封装中，要确保传感器的灵敏性和稳定性。

• 硅通孔（TSV）技术是一种通过在硅片上制作垂直通孔来实现芯片之间垂直方向电气连接的技术。这种技术可以大大提高芯片的集成度，实现三维空间内的芯片堆叠。例如，在一些高性能计算芯片中，TSV技术可以将多个芯片垂直堆叠在一起，减少信号传输路径，提高数据传输速度。

• 扇出型封装（Fan - Out）是将芯片的I/O引脚通过重新布线延伸到芯片外部的一种封装技术，它可以增加引脚数量，提高封装的灵活性。例如，在一些对引脚数量和布局有特殊要求的芯片封装中，扇出型封装能够满足其需求。

2. 三维集成与高性能

• 这些技术使得封装更加小型化和高性能化。通过三维空间内的集成，如TSV技术实现的芯片垂直堆叠，能够在更小的体积内集成更多的功能。在立体结构型封装中，信号传输路径进一步缩短，电气性能得到极大提升。例如，在三维堆叠的存储芯片中，数据的读写速度可以得到显著提高，满足高速数据处理的需求。

• 复杂集成带来的优势。这种复杂集成的封装方式可以将不同功能、不同工艺制造的芯片集成在一起，实现系统级的功能优化。例如，将逻辑芯片和存储芯片通过立体结构型封装技术集成，可以构建出高性能的计算和存储系统，提高整个系统的性能和效率。

3. 对封装产业链的影响

• 带动封装产业链进入复杂集成时代。从封装材料供应商到封装设备制造商，再到封测厂商，整个产业链都需要适应这种复杂的立体结构型封装技术的要求。例如，封装材料需要具备更好的电气性能、热性能和机械性能，以满足立体结构型封装的需求。封装设备制造商需要研发和生产能够实现高精度、高可靠性的TSV制作、芯片堆叠等工艺的设备。封测厂商需要掌握更复杂的测试技术，以确保立体结构型封装芯片的质量和性能。

半导体封装清洗介绍

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。