2.5 如何区别集成电路的封装类型

2.5.1 周边配列封装

1.SIP——单列直插式封装

（1）封封特征

引脚从封装一个侧面引出，排列成一条直线。当装配到印制基板上时封装呈侧立状，如图2.22所示。引脚中心距通常为2.54 mm，引脚数为2～23，多数为定制产品。

（2）类似封装型号

SIP封装的形状各异。也有的把形状与SIP相同的封装称为SIP，也有使用SIL（欧洲多用）、SIMM等符号的。

2.DIP——双列直插式封装

（1）封装特征

双列直插式封装，引脚从封装两侧引出，如图2.23所示。封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是最普及的插装型封装。引脚中心距为2.54 mm，引脚数为6～64。封装宽度通常为15.2 mm。有的把宽度为7.52 mm和10.16 mm的封装分别称为极窄体型 DIP和窄体型DIP。但多数情况下并不加区分，只简单地统称为DIP。

（2）类似封装型号

● C（Ceramic）：表示陶瓷封装的记号。例如，CDIP表示的是陶瓷DIP。

● CERDIP：用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装，引脚中心距为2.54 mm，引脚数为8～42。在日本，此封装表示为DIP-G（G即玻璃密封的意思）。

● DIC：含玻璃密封的陶瓷DIP的别称。

● DIL：欧洲半导体厂家的DIP多用此别称。

● QUIP：四列引脚直插式封装。引脚从封装两个侧面引出，每隔一根交错向下弯曲成四列。引脚中心距为1.27 mm，当插入印制基板时，插入中心距就变成2.5 mm。因此可用于标准印制线路板。材料有陶瓷和塑料两种。

● SDIP：收缩型DIP，引脚中心距为1.778 mm（小于2.54 mm），因而得此称呼。引脚数为14～90。也有称为SH-DIP的。材料有陶瓷和塑料两种。

● SK-DIP：指宽度为7.62 mm、引脚中心距为2.54 mm的窄体DIP。

3.SOP——双侧引脚小外形封装

（1）封装特征

双侧引脚小外形封装是表面贴装型封装之一。引脚主要有三种形式：翼形、J形和I形，最常见为翼形和J形，如图2.24所示。翼形引脚是从封装两侧引出呈鸥翼状（L字形），有塑料和陶瓷两种，引脚中心距为1.27 mm，引脚数为8～44。引脚中心距小于1.27 mm的SOP也称为SSOP；装配高度不到1.27 mm的SOP也称为TSOP。还有一种带有散热片的SOP。

（2）类似封装型号

● DSO：SOP的别称。部分半导体厂家采用此名称。

● SOI：引脚从封装双侧引出向下呈I字形，中心距为1.27 mm。贴装占有面积小于SOP。表面贴装型封装之一。

● FP：扁平封装。是QFP 或SOP的别称，表面贴装型封装之一。

● SOIC：国外有许多半导体厂家对SOP采用此别称。

● SOJ：J形引脚小外型封装，引脚从封装两侧引出向下呈J字形，故此得名。通常为塑封型，引脚中心距为1.27 mm，引脚数为20～40。表面贴装型封装之一。

● SQL：按照JEDEC（美国联合电子设备工程委员会）标准对SOP所采用的名称。

● SONF：在功率IC封装中表示无散热片的区别。

● SOW：宽体SOP。部分半导体厂家采用的名称。

4.QFP——四边引脚扁平封装

（1）封装特征

引脚从四个侧面引出呈翼（L）形，如图2.25所示。基材有陶瓷、金属和塑料三种，塑料封装占绝大部分。当未标示材料时，多数情况为塑封QFP。塑封QFP是最普及的多引脚LSI封装。引脚中心距有1.0 mm、0.8 mm、0.65 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm等多种规格。是表面贴装型封装之一。QFP引脚的共面性要求小于0.1 mm。美国QFP器件四个角是凸形的角，用来保护引出线的共面性，日本的无凸角。

日本电子机械工业会对 QFP 的外形规格进行了重新评价。在引脚中心距上不加区别，而是根据封装本体厚度分为 QFP（2.0～3.6 mm厚）、LQFP（1.4 mm厚）和TQFP（1.0 mm厚）三种。也有的LSI厂家把引脚中心距为0.5 mm的QFP 专门称为收缩型QFP或SQFP、ⅤQFP。

QFP的缺点是：当引脚中心距小于0.65 mm时，引脚容易弯曲。为了防止引脚变形，现已出现了几种改进的QFP品种。如封装的四个角带有树脂缓冲垫的BQFP；带树脂保护环覆盖引脚前端的GQFP；在封装本体里设置测试凸点、放在防止引脚变形的专用夹具里就可进行测试的TPQFP。

（2）类似封装型号

● QFP（FP）：中心距小于0.65 mm（如0.55 mm、0.4 mm、0.3 mm）的QFP。

● QFH：为了防止封装本体断裂，QFP本体四侧引脚釆用厚体塑料扁平封装，部分半导体厂家采用的名称。

● QFI：引脚从封装四个侧面引出，向下呈I字形，也称为MSP。表面贴装型封装之一，由于引脚无突出部分，贴装占有面积小于QFP，引脚中心距为1.27 mm。

● QFJ：引脚从封装四个侧面引出，向下呈J字形，引脚中心距为1.27 mm，如图2.26所使。材料有塑料和陶瓷两种。表面贴装封装之一。

塑料QFJ多数情况称为PLCC（见PLCC），引脚数为18～84。

陶瓷QFJ 也称为CLCC、JLCC（见CLCC），引脚数为32～84。

● QFN：四侧配置有电极触点的无引脚扁平封装，由于无引脚，贴装占有面积比QFP小，高度比QFP 低，如图 2.27 所示。因此，当印制基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。引脚数一般为14～100。

材料有陶瓷和塑料两种：当有LCC标记时基本上都是陶瓷的。电极触点中心距为1.27 mm。塑料QFN是以玻璃环氧树脂印制基板基材的一种低成本封装，电极触点中心距除有1.27 mm的外，还有0.65 mm和0.5 mm两种。这种封装也称为塑料LCC、PCLC、P-LCC等。

● QIC、QIP：分别为陶瓷QFP 和塑料QFP的别称，部分半导体厂家采用的名称。

● BQFP：QFP封装之一，在封装本体的四个角设置突起（缓冲垫），以防止在运送过程中引脚发生弯曲变形。引脚中心距为0.635 mm，引脚数为84～196。

● FQFP：通常指引脚中心距小于0.65 mm的QFP。部分半导体厂家采用此名称。

● LCC：无引脚芯片载体。指陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装，是高速和高频IC用封装，也称为陶瓷QFN或QFN-C。

● L-QUAD：陶瓷QFP之一。封装基板用氮化铝板，其导热率比氧化铝高7～8倍，具有较好的散热性。在自然空冷条件下可容许3W的功率。

2.5.2 表面阵列封装（BGA和CSP等）

1.表面阵列封装的优势

就性能而言，BGA信号通路要比细间距翼形引脚封装短得多，在高速应用中体现了这一优点。由于BGA封装的IC具有自对中心的能力，在再流焊接过程中可抑制板级组装工艺质量问题。因为阵列封装在小形结构内可处理高I/O数量，业已证明，对于高针脚封装，BGA是一种实用技术，并成为发展的主流。

由于构成BGA的端子是焊料球，它与以前的周边端子的QFP和SOP相比安装变得更容易了。它解决了QFP引脚数增加的困难，实现了用一般的安装焊盘完成安装和焊接，如图2.28所示。

封装本体也可做得比QFP（四侧引脚扁平封装）小。例如，引脚中心距为1.5 mm的360引脚BGA仅为31 mm见方；而引脚中心距为0.5 mm的304引脚QFP为40 mm见方。而且BGA不用担心QFP那样的引脚变形问题。BGA的问题是再流焊后的外观检查困难。

2.表面阵列封装的特征量

表面组装制造的核心是在焊接前将器件贴装到印制板焊盘区域。由于设计的组装密度提高了，新型SMT封装也随之不断出现。如细间距技术（FPT）、超细间距技术（UFPT）和表面阵列贴装（ASM）就是典型的例子。而后者又可以细分为球栅阵列或柱栅阵列、芯片级封装（CSP）以及细间距封装（FBGA）等不同的类别，所要求的安装特征量如下所述。

（1）球（柱）栅阵列的间距

1992年将球栅阵列和柱栅阵列的间距确定为1.5 mm、1.27 mm、1.0 mm，并以此作为标准。细间距BGA阵列封装间距的标准被确定为1.0 mm、0.8 mm、0.75 mm、0.65 mm和0.5 mm。一些间距为0.4 mm的FBGA也得到了推广和应用，根据预测，将来使用的器件的间距将为0.3 mm和0.25 mm。

在确定各种组合应用中采用多大的球直径时，间距起到了重大作用。表2.3所列是采用了0.5～1.5 mm间距的焊料球的特性。

预期可用于将来组装中的焊球尺寸，如表2.4所示。

（2）球径在间距中的占比

由于BGA、FBGA和CSP的间距越来越小，PCB的微孔图形要求对外形进行严格控制。在1.0 mm和0.5 mm之间要求有多大引脚间距？某些人提出60%的尺度是比较实用的。以这一系数作为准则，那么，球直径应该是间距的60%。这样，0.5 mm的球直径可采用0.8 mm间距。球直径为0.4 mm的FBGA可采用0.65 mm的间距。另一方面，某些人认为，将所有FBGA封装的球直径的标准确定为0.3 mm较好。将0.3 mm直径的球用于所有FBGA封装，并作为标准。

（3）离板高度和共面性

① 离板高度。

在这些细间距封装器件的组装中，需要较细的焊料合金颗粒的焊膏，其结果是提高了焊膏的黏性，降低了印制速度。因此，为实现细间距器件和相邻的传统封装器件之间增加内插封装的间距，要求离板高度不得小于250 μm，况且离板高度为0～250 μm的细间距器件存在在再流焊接中助焊剂溶剂挥发后的逃逸和残留物的清洗问题。若要获得适当的清洗条件，离板高度应为0.4～0.5 mm。

② 共面性。

由于BGA使用焊料凸点形成互连，而不是使用引线，所以，就不存在损坏器件和共面性的问题。1.27～0.5 mm的BGA间距完全适用于大于250 μm的离板高度要求。为此，焊膏印制、贴装、再流和清洗等工序中的问题将明显减少。

（4）焊料球合金

① 有铅应用。

通常采用熔点（液相线）为183℃（Sn63Pb37）或179℃（Sn62Pb36Ag2）的共晶焊料。都是将焊料球施加于仅使用助焊剂的封装基板上，并在215～220℃的再流焊接温度下完成焊球与触点的连接工艺。

② 无铅应用。

常采用无铅合金，如采取液相温度范围为210～227℃的锡-银或锡-银-铜合金的焊料球和焊膏，在240℃的再流峰值温度下完成焊球与触点的连接工艺。

3.BGA球栅阵列封装

（1）定义和特征

① 定义。

JEDEC出版发行的JEP95定义了球栅阵列封装。球栅阵列（BGA）是一种方形或矩形的间距为1.50 mm、1.27 mm和1.00 mm的封装，其封装底部上的阵列布局是金属球形阵列。封装的主体是一个施加有介电结构的金属电路图形。半导体芯片黏附连接在这种封装体的上表面或下表面。在介电结构的底部是金属球的阵列图形，通过这个阵列图形可使封装体与印制电路板上的相匹配图形形成机械连接和电气连接。包容有芯片的表面可用不同技术密封，起到保护半导体的作用。

BGA的封装可区别为下述的塑料封装BGA（PBGA）和陶瓷封装BGA（CBGA）两大类。

● PBGA：PBGA的结构，如图2.29所示。

● CBGA：CBGA的结构，如图2.30所示。

② 特征。

通过多层板布线技术实现焊球在器件下面的平面阵列分布，既减轻了引脚间距减小所遇到的阻力，又提高了组装密度，已成为高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。它用可控塌陷芯片焊接，改善其电热性能，用共面性提高封装的可靠性，使用频率大大提高。

（2）类似封装型号

① FBGA（细间距BGA）。

即间距小于1.00 mm的BGA阵列封装（间距的标准被确定为0.8 mm、0.75 mm、0.65 mm和0.5 mm）。一些间距为0.4 mm的FBGA也得到了推广和应用，根据预测，将来使用的FBGA器件的间距将为0.3 mm和0.25 mm。

FBGA封装通常总高度大于1.7 mm。若按封装高度的不同，FBGA还可细分为下列几类。

● LFGBA：封装总高度小于1.20 mm的降低了高度的薄型FBGA。

● TFBGA：封装总高度小于1.00 mm的降低了高度的薄型FBGA。

● ⅤFBGA：封装总高度小于0.80 mm的降低了高度的极薄型FBGA。

② PAC（凸点阵列载体）。

BGA的别称，表面贴装型封装之一，部分半导体厂家采用的名称。

PAC的结构特征是：在印制基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印制基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。也称为凸点阵列载体（PAC）。引脚可超过200个，是多引脚LSI用的一种封装，其外形如图2.31所示。

③ FC（倒焊芯片）。

裸芯片封装技术之一。倒装芯片（或芯片直接黏附）的设计不需采用线焊的方法连接芯片。这种设计是将芯片倒置，电路面朝下，使用焊料或导电胶使芯片电路面的焊盘接触基板上相对应的焊盘，如图2.32所示。

封装的占有面积基本上与芯片尺寸相同，是所有封装技术中体积最小、最薄的一种。但如果基板的热膨胀系数与LSI芯片不同，就会在接合处产生应力，从而影响连接的可靠性。因此必须用树脂来加固LSI芯片，并使用热膨胀系数基本相同的基板材料。

当芯片与基板形成连接后，通常要用密封剂、涂覆材料或模压材料进行密封保护。晶圆切割成芯片之前，使用与焊料合金成分兼容的焊球进行植球是普遍采用的方法之一。

④ PGA（阵列引脚封装）。

通常PGA为插装型封装，引脚中心距为2.54 mm，引脚长约3.4 mm。表面贴装型PGA在封装的底面有阵列状的引脚，如图2.33所示。引脚中心距为1.27 mm的短引脚表面贴装型PGA，其长度从1.5～2.0 mm。贴装采用与印制基板碰焊的方法，因而也称为碰焊PGA。如图2.34所示。因为引脚中心距只有1.27 mm，比插装型PGA短一半，所以封装本体可制作得不怎么大，而引脚数比插装型多（250～528），是大规模逻辑LSI用的封装。封装的基材有多层陶瓷基板和玻璃环氧树脂印制基板。以多层陶瓷基材制作的封装已经实用化。

⑤ SBGA（超级BGA）。

SBGA（超级BGA）是在封装的顶部再倒扣一个铜质腔体，以增强向周围环境的散热性能。

4.LGA触点阵列封装

（1）LGA封装特点

这是在底面制作有阵列状态的电极触点的封装，如图2.35所示。现已实用的有227触点（1.27 mm中心距）和447触点（2.54 mm中心距）的陶瓷LGA，应用于高速逻辑LSI电路。LGA与QFP相比，能够以比较小的封装容纳更多的输入输出引脚。另外，由于引线的阻抗小，对于高速LSI是很适用的。预计今后对其需求会有所增加。

（2）LGA与BGA的特性比较

① 封装结构差异：LGA（触点阵列封装）和BGA（球阵列封装）在封装结构上的差异，如圈2.36所示。

② 高低温度循环的累积不良率：以P-PBGA与P-FLGA为例，如图2.37、图2.38所示。

安装后在温度循环条件为TCT-55～125℃的条件下，其失效的威布尔曲线对比，如图2.39、图2.40所示。

图2.39是按-55～125℃条件所作温度循环试验，累积不良率同为0.1%，对间距为0.8 mm的FBGA循环次数为600周期。而像图2.40所示的不用焊球作接续端子的LGA结构和BGA，在同等组装条件下 FLGA 的循环次数为 800 周期，FLGA 可靠性明显有优势。因此，LGA封装将会在今后实现封装整体薄型化和低价格化应用中得到普及。

5.CSP（芯片级封装）

（1）定义和特征

① 定义。

CSP又称DSBGA。JEDEC出版发行的JEP95给出了芯片尺寸球栅阵列（DSBGA）封装的定义：芯片尺寸球栅阵列是将金属球阵列布在封装的底部，基板或封装的载体有方形的或矩形的，在介电结构的任意一面或两面施加有金属电路图形，半导体芯片黏附于该介电载体的上表面，在介电载体的下面布有金属焊料球的阵列图形，其可使封装体与下一级器件如印制电路板，形成机械连接和电气连接。可用各种技术将芯片黏附的表面密封，起到保护半导体的作用。

基板或载体的尺寸尽可能接近芯片尺寸。

② 特征。

CSP是一种BGA封装，其最出的结构特征是：规定封装体的尺寸应尽可等于或略大于裸芯片面积的单芯片封装尺寸（最大芯片尺寸的1.2倍）。因而它提高了集成度，缩小了封装尺寸。这种封装有时被称为“真正的芯片尺寸”BGA或CSP。CSP的封装结构，如图2.41所示。

（2）类似封装型号

● CSP 有载带、载体和树脂封装三种类型，采用倒装片凸起互联技术；

● CSP有BGA类和LGA类两种焊凸：LGA类CSP因无焊球，组装高度有所降低，目前较为流行，如表2.5所示。

6.CBGA（陶瓷球／柱栅阵列封装）

（1）开发CBGA的背景

在采用塑料封装BGA时，应考虑到一些问题：湿气敏感性和在返工时的拆除工艺。从组装板上拆下封装后，塑料包装中的BGA要求配有专用的加工工具和具有重新植球的技能。陶瓷BGA上使用的高熔点非坍塌焊料球就不一样，因为陶瓷BGA在返工过程中不熔融。

当塑料封装BGA裸露于焊接所要求的温度下时，很有可能出现翘曲。在再流焊接过程中，封装的边缘有向上抬起或向下弯曲的可能，这样会严重干扰或阻碍封装和PCB组装之间的电气界面的连接。较大的封装出现翘曲的可能性要比较小的封装更大。封装翘曲是由基板结构、模压材料和硅芯片内部之间的CTE不匹配造成的。当芯片较大时或当BGA装有散热器时，这问题更为突出。

（2）CBGA的分类

在应用中CBGA可分为如下两类。

① CBGA陶瓷球栅阵列封装。

陶瓷封装的内连接可以采用线焊的方法或者是采用倒装芯片的方法。图2.30所示是封装内的倒装芯片键合，通过将芯片贴装在基板的上表面或下表面来配置封装。通常，用于陶瓷封装的焊料球是高温合金（90%铅，10%锡），熔点为302℃。然而，焊料球黏附合金则是共晶焊料（Sn63Pb37）。

虽然，塑料或模压被广泛地应用于芯片区域的密封，但是，某些陶瓷BGA封装的器件是气密封的（不吸湿）。此外，由于焊料球是高熔点的，在返工过程中不会坍塌，而且不需要由于再利用而重新植球。陶瓷BGA的缺点是高热量，在这一点上与塑料封装的IC完全不同，其给再流焊接温度曲线的开发带来很大困难。陶瓷封装与电路板之间的CTE不匹配需要补偿。焊接不能满足可靠性的要求。在许多极端的环境条件下，不使用环氧树脂型底层填料来稳定和抑制器件贴装区域的游离。

② CCGA陶瓷柱栅阵列封装。

图2.42所示是用于较大陶瓷封装（32～45 mm）的柱形焊料触点。这种封装类似于早期的针栅阵列，不过，触点间距要更密一些，引脚（焊料柱）较脆。焊料柱触点直径为0.5 mm，其长度为1.25～2.0 mm。连接于封装的焊料柱采用共晶（Sn63Pb37）焊料或者使用90%Pb、10%Sn铸造成形定位。通常，较长的焊料柱可吸收陶瓷封装和PCB之间的CTE不匹配所产生的应力来提高焊点的可靠性。

另外，焊料柱较长会降低电性能，并提高封装的总高度。此外，焊料柱不像焊料球触点那样粗糙，容易受损。

2.5.3 QFP、BGA、CSP等IC的主要电气特性比较

由于器件时钟速度提高了，功率就增大了，在当今的半导体工艺中有向较低功率电压发展的趋势，通过降低电阻的外形尺寸使“芯片收缩”的方式可以缓解高功率的问题。（由于器件几何形状的缩小，场强增加，促使电压降低，以避免产生破坏作用。）与塑料封装比较，陶瓷BGA（CBGA）具有较高的导热性，因此被广泛用于较高功率的封装中。目前正在对塑料封装进行改型，增强热性能的塑料封装也在电子组装行业中得到推广应用。过去使用的增强了热性能的塑料封装的最高瓦特数局限于6～8 W，而现在能够适应高达30 W的应用。QFP、BGA和CSP对应的工作频率范围，如图2.43所示。