2.2 封装技术的演变与发展

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。封装时应主要考虑以下因素。

① 芯片面积与封装面积之比。为提高封装效率，尽量接近1∶1。

② 管脚要尽量短，以减少延迟；管脚间的距离应尽量远，以保证互不干扰，提高性能。

③ 基于散热的要求，封装要越薄越好。

封装类型有很多种划分方法。

从封装材料上可以分为陶瓷封装、金属封装和塑料封装。陶瓷封装主要用于航空航天和军工，少量用于民用产品。金属封装基本上用于航空航天和军工。塑料封装成本低，但可靠性相对较差，主要用于民用产品。

从密封等级上可以分为气密性封装和非气密性封装。军用产品对可靠性要求较高，需要在较大的温度范围内使用，一般都使用气密性封装。并且，军用产品对湿气防护的要求较高，一般采用陶瓷封装及金属封装外壳；而民用产品则多使用非气密性的塑料外壳。

从器件与母板的连接方式上可以分为THT封装和SMT封装。将器件安置在板子的一面，将其管脚焊在另一面上，这种技术称为插入式焊接技术THT（Through Hole Technology）。这种焊接技术要为每只管脚钻一个洞，占掉母板两面的空间，而且焊点也比较大，所需的安装空间较大。但是，THT焊接方式可靠性高，能承受较大的应力。例如，排线的插座及其他需要耐压力的器件，一般都采用THT形式的封装。

20世纪80年代出现表面贴装技术SMT（Surface Mounted Technology），封装管脚与零件焊在同一面。通常SMT比THT的零件要小，密度更高，支持回流焊、波峰焊等大规模快速生产，现今的PCB上绝大部分都是采用SMT工艺封装的器件。

从封装外壳的种类型号划分则更为繁多，可分为TO、DIP、QFP和BGA等。基本上每十多年就出现一次大的变化。

1955年出现TO型圆形金属封装，封装管脚数为3～12。

1965年出现DIP双列直插封装，封装管脚数为6～64，管脚间距为2.54mm。

TO型封装和DIP封装一般都属于THT形式的外壳封装。封装面积和厚度都比较大，而且管脚在插拔过程中容易被损坏，对可靠性有一定的影响。

1980年出现支持表面贴装技术SMT工艺的器件。体现在器件封装形式上，主要有SOT、SOP、SOJ、PLCC、QFP等，管脚数为3～300，管脚间距为1.27～3mm。其中，QFP的应用范围最广。为了减少管脚带来的寄生效应，提高高频性能，人们直接采用Land作为连接管脚，从而演变出QFN封装（Quad Flat No-lead Package）。

随着芯片管脚数的急剧增加，球阵列（BGA）封装开始大规模应用。BGA的外管脚为焊球，以阵列形式分布在封装的底面，球间距为0.8～1.27mm，可支持2000个以上的管脚数目。图2-3所示为常见的封装种类。

随着技术的革新，先进封装的驱动力越来越强，封装技术由传统的DIP、QFP等中低端形式向BGA、CSP、MCM、SiP等高端形式逐渐转变。CSP（Chip Scale Package，芯片尺寸封装）形式下，硅芯片封装面积占基板面积的比例大于80%。MCM（Multi-Chip Module，多芯片模块）是把多个芯片放在高密度多层互联基板上，用SMD技术组成多种多样的电子模块系统。消费类电子和通信电子的快速发展对电子系统集成度提出了更高的要求，SiP（System in Package）系统级封装可将具有不同功能的裸芯片在三维空间进行摆放或者堆叠，以混合技术封装到同一封装体之内，构成完整的、可独立工作的系统。SiP的这一特点受到了越来越多的关注，近几年在产业界已得到了大规模的应用。

随着IC芯片尺寸的缩小和运行速度的不断提高，芯片封装的设计和制造对系统应用变得越来越重要，电子封装的设计和制造从一开始就需要从系统入手以获得最佳的性价比。

封装发展的驱动力主要来源于半导体芯片的发展和市场需要，可以概括为以下几点。

① 芯片运行速度及处理能力的增加需要更多的管脚数、更快的时钟频率和更好的电源分配。

② 市场需要电子产品有更多的功能、更长的电池寿命和更小的几何尺寸。

③ 电子器件和电子产品的数量不断增加，新的器件不断涌现。

④ 芯片制造业的发展和电子产品的市场需求将最终决定电子封装的发展趋势。

⑤ 更小、更薄、更轻，性能更好、功能更强、功耗更小，可靠性更高，更符合环保要求，并且价格便宜的封装将更受欢迎。图2-4所示为电子产品发展趋势及对应的封装形式发展。

从图2-4中可以看出，封装技术正朝着高密度、小型化、多功能的方向发展，其应用领域也从原先的传统电子设备领域扩展到航空航天、汽车、消费类电子、家用电器等领域。封装的技术关注点也从最初的SMT表面贴技术研究，发展到热分析管理、信号完整性SI分析、电源完整性PI分析，以及现在的电—热协同仿真分析。

从长远来看，封装技术的发展趋势可预测如下。

① 单芯片封装向多芯片封装发展，主要包括MCM、SiP等技术。

② 平面封装（2D封装）向立体封装（3D封装）发展。

③ 单级集成模块SLIM（Single Level Integrated Module）技术将使目前的多级封装组合为一级。

④ 芯片制造、封装和PCB制造三者的独立性将明显减小，相互联系会进一步加强，芯片—封装—PCB系统的协同设计将会变得越来越重要。