电子封装技术及引线框架与BGA封装详解及合明科技微电子封装清洗介绍

电子封装（Electronic Packaging）是将集成电路芯片（IC）进行物理保护、电气连接、散热管理以及与外部系统集成的关键技术环节。它不仅影响芯片的性能、可靠性和寿命，还对成本和小型化具有决定性作用。

下面将从电子封装概论出发，详细介绍两种主流封装形式：引线框架型封装（Leadframe-based Packages）和球栅阵列型封装（Ball Grid Array, BGA）。

一、电子封装概论

1. 封装的基本功能

• 电气互连：实现芯片焊盘与外部电路之间的电连接。

• 机械保护：防止芯片受潮、污染、机械冲击等环境损害。

• 热管理：有效导出芯片工作时产生的热量。

• 标准化接口：提供统一的外形尺寸和引脚排列，便于PCB装配。

2. 封装层级

电子封装通常分为四个层级：

• 零级封装：芯片制造（如晶圆级处理）。

• 一级封装（芯片级封装）：将裸芯片封装成单个器件（如QFP、BGA）。

• 二级封装：将封装好的芯片焊接到印刷电路板（PCB）上。

• 三级封装：整机系统集成（如手机、服务器主板组装）。

3. 封装发展趋势

• 高密度：I/O数量增加，引脚间距缩小。

• 小型化：如CSP（Chip Scale Package）、WLCSP（Wafer Level CSP）。

• 高性能：低电感、低电阻、良好散热。

• 低成本与高可靠性：适合大规模量产。

二、引线框架型封装（Leadframe-based Packages）

引线框架型封装

这是一种以金属引线框架（Lead Frame）作为芯片载体和引脚基础的成熟技术。

• 核心结构：核心是金属引线框架，通常由铜合金制成，兼具高强度（抗拉强度≥600MPa）和高导电/导热性（导电率≥80%IACS）。

• 连接方式：芯片通过 “引线键合”（Wire Bonding） 用极细的金、铝或铜丝连接到框架内引脚，然后整体被塑料等材料包封。

• 主要类型：主要有双侧引脚型（如SOP，用于存储器、模拟IC）和四侧引脚型（如QFP，用于微控制器、DSP），以及高密度变体QFN，其底部有散热焊盘，引脚在四周。

• 工艺与趋势：主要生产方法包括模具冲压（成本低）和化学蚀刻（精度高，可达20-30μm线宽，用于高密度封装）。趋势是向更高强度、更高导电、更薄（≤0.1mm）发展，并拓展至倒装芯片等高端应用。

1. 基本结构

引线框架是一种由铜合金或铁镍合金冲压/蚀刻而成的金属框架，包含：

• 芯片焊盘（Die Pad）：用于粘接芯片。

• 引脚（Leads）：向外延伸，用于焊接至PCB。

• 连接筋（Tie Bars）：在封装前支撑引脚。

2. 典型封装类型

• DIP（Dual In-line Package）：双列直插，早期常用。

• SOP（Small Outline Package）：表面贴装，引脚向两侧弯曲。

• QFP（Quad Flat Package）：四边引脚，高I/O数。

• TSOP（Thin Small Outline Package）：薄型SOP，用于内存。

• TO系列（Transistor Outline）：功率器件常用。

3. 制造流程简述

1. 芯片粘接（Die Attach）到引线框架焊盘；

2. 引线键合（Wire Bonding）连接芯片焊盘与引脚；

3. 模塑封装（Molding）用环氧树脂包裹芯片和引线；

4. 切筋成型（Trim & Form）分离单颗器件并整形引脚；

5. 测试与打标。

4. 优缺点

• 优点：

• 成本低，工艺成熟；

• 易于检测与返修；

• 散热路径直接（通过引线框架）。

• 缺点：

• I/O密度受限（引脚间距通常 ≥0.4mm）；

• 电感较高，高频性能较差；

• 封装尺寸较大，不适用于高密度应用。

三、球栅阵列型封装（Ball Grid Array, BGA）

球栅阵列型封装

BGA封装是为了解决高密度、多引脚芯片的封装需求而发展起来的先进技术。

• 核心结构：最大的特点是取消了四周的翼形引脚，改用封装底部阵列式排布的锡球作为电气和机械连接点。

• 主要优势：

• 高密度：引脚分布在底部整个平面，在相同面积下能提供远超QFP的引脚数。

• 优异性能：引脚短，寄生电感和信号延迟小，高频性能好；更短的路径也有利于散热。

• 高可靠性：锡球在回流焊时利用表面张力自对准，焊接牢固。

• 主要类型：

• PBGA（塑料型）：有机基板，成本较低，应用最广，如个人电脑中的处理器。

• CBGA（陶瓷型）：陶瓷基板，散热和密封性好，用于高端、高可靠性领域。

• FCBGA（倒装芯片型）：芯片通过凸点直接与基板连接，性能和密度最高，用于高端CPU、GPU。

• 挑战与应对：主要挑战是焊点检测困难（需X光设备）和热膨胀应力匹配问题。可通过底部填充胶（Underfill）和在PCB设计时考虑热匹配来应对。

1. 基本结构

BGA封装使用焊球阵列代替传统引脚，焊球分布在封装底部整个区域，通常基于多层有机基板（如BT树脂、ABF）或陶瓷基板。

• 基板（Substrate）：替代引线框架，内含多层布线。

• 焊球（Solder Balls）：直径约0.3–0.75mm，呈阵列排布。

• 芯片连接：通常采用倒装芯片（Flip Chip）或引线键合。

2. 主要类型

• PBGA（Plastic BGA）：有机基板+塑封，成本低，主流类型。

• CBGA（Ceramic BGA）：陶瓷基板，高可靠性，用于航天/军工。

• TBGA（Tape BGA）：柔性基板，轻薄。

• FC-BGA（Flip Chip BGA）：倒装芯片+底部填充，高性能CPU/GPU常用。

3. 制造流程简述

1. 芯片与基板连接（Wire Bonding 或 Flip Chip）；

2. 底部填充（仅Flip Chip需Underfill）；

3. 植球（Solder Ball Attach）；

4. 回流焊固化焊球；

5. 分割、测试。

4. 优缺点

• 优点：

• 高I/O密度（焊球可布满整个底面）；

• 电性能优异（短互连、低电感）；

• 热性能好（大面积热传导路径）；

• 封装尺寸小，适合高集成度系统。

• 缺点：

• 焊点不可见，返修困难；

• 对PCB平整度和回流焊工艺要求高；

• 成本高于引线框架封装（尤其陶瓷BGA）；

• 热膨胀系数（CTE）匹配问题可能导致焊点疲劳。

四、对比总结

五、发展趋势与融合

随着先进封装技术（如2.5D/3D IC、Fan-Out、SiP）的发展，传统引线框架和BGA也在演进：

• 引线框架：发展出超薄、高散热、多芯片封装（MCM）变种。

• BGA：向更细间距（<0.4mm）、嵌入式基板、集成无源器件方向发展。

此外，晶圆级封装（WLP）和系统级封装（SiP）正在模糊传统封装边界，推动电子系统向更高集成度迈进。

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