芯片华丽的外衣-《封装/Package》-《芯苑》

IC产业是个精细活,你想想指甲盖大的芯片能放几千万个晶体管,那的多么小啊?所以这个产业链也是非常复杂的。以前别人问我是做什么的?我只能回答“我是做手机里面芯片的”,还特别Higlight一下:“就是里面那个四方的黑块块~”。然而那个黑块块只是封装公司给芯片穿的外衣而已。

我们FAB端做出去的是一整片(200mm),上面可能有几千甚至上万个芯片(所以设计公司动不动就说我要卖几百KK,我就很不屑一顾,折算到FAB可能就几百片而已。),这片wafer到了封装厂,他们第一步是扎针测试区分good芯片和bad芯片,也就是我们讲的CP(Chip Probe)。测好了之后bad芯片就会被打点做标记(ink)。然后把测试好的wafer拿去做切割(沿着Scribe line),切成几千个甚至上万个芯片,我们叫做Dicing。第三步就是切好的芯片里面挑选出没有被ink的die (good芯片)送到基板上去进行后续的封装操作,最后出来的就是你们看到的“带脚”的黑块块了。有了这个黑块块的保护,我们脆弱的芯片才能得以保护,并且可以很方便的拿取以及组装(Assembly)到PCB板上。

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别小看那些黑块块,文章还是很大的,按照外观以及和PCB板的连接方式可以分为以下几种:

1) Through Hole Package: 这应该是我们最常见的,也是最古老的那种,一排脚或者两排脚,直接插到主板上,然后背面每个脚上点焊焊住(Soldered)即可。按外形还可以细分为:SIP(Single Inline Package)、DIP(Dual Inline Package)、CDIP(Ceramic DIP)等

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2) Surface Mounted Technology/Devices (SMT/SMD): 这种和上面的差异就是不穿过主板,把引脚直接贴在主板上,早期也叫作Planar Mounting。主要诞生于1960年代(IBM)大量产于1980年代。这种方法由于主板不用再打洞了,所以引脚密度比较高,从而逐渐取代了Through-Hole-Technology,但是比较大的transformer以及heat-sink的power器件还是需要用Through-Hole的封装技术。与Through-Hole技术相比,它应该care的是粘附性而且引脚之间距离小更容易short,所以需要采用新的soldered(焊接)技术-Reflow solder以及Selective solder mask。

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而Surface Mount技术里面有可以细分成很多种:

1) Small Outline Package (SOP, 或者SOIC):它就是DIP的两侧的脚向上翘起即可。细分可以分为TSOP (Thin SOP)以及TSSOP (Thin Shrink SOP)等等。

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2) Chip Carrier: 这玩意也是一种Surface Mount技术,只是它四周都是引脚,而且引脚不是伸出去的而已贴在四周"墙壁"上,也叫Leadless,所以它可以埋在主板做好的槽子里(Socket)或者传统的Soldered到主板上去都可以。通常Chip Carrier可以是陶瓷或塑料(Ceramic or Plastic),分别叫做CLCC(Ceramic Leadless Chip Carrier)和PLCC(Plastic Leadless Chip Carrier)。

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2) Pin-Grid-Array (PGA): 上面讲的Chip Carrier技术已经利用到四面的空间来放更多的pin脚,可是还是不够,那就只能利用芯片的整个下表面吧。于是就利用了DIP技术,直接把pin还做成直的"Pin",然后插入主板或Socket,这就是我们CPU的封装技术了,以前买CPU经常说Socket370就是指这个PGA技术,而370是指引脚数。每个引脚之间的距离是0.1'' (2.54mm),引脚可以全覆盖也可以不完全覆盖,但是要四周匀称。

PGA技术最早是塑料的(Plastic PGA),由Intel最早用于赛扬处理器(Socket-370),后来发展到Flip-Chip PGA (FC-PGA)技术,这种技术可以使得芯片背面直接接散热器(heatsink)。再后来到Ceramic PGA (CPGA)技术,他的主要代表公司就是AMD的Athlon XP处理器和duron处理器等等(Socket-A),应该是散热性比较好,因为AMD的CPU当年我用的时候就说热量大~。

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3) Quad Flat Package (QFP):这也是Surface Mount的一种,只是它是四边的,它又和Chip-Carrier技术不同,它的脚是伸到下面然后再向上弯曲的(Curved up),类似海鸥的翅膀(gull wing)。它的主要应用市场是32~304pin之间的,主要是Nor-Flash或者可编程芯片(Programmable)。

4) Chip Scale Package (CSP): 这是比较经典的东西了,因为上面讲的那些都要塑料或者陶瓷作为包裹体,所以体积比较大散热比较慢,而这种CSP封装技术,它的体积比chip/die稍大或相等,所以它省钱省面积,关键还易散热,所以目前还是HV或功率器件的主流封装技术。所以可以细分为CSP(1.2倍 chip大小)、TCSP/TDSP (True Chip/Die Scale Package相同大小),另外对于显示驱动芯片常用的COB(Chip on Board)、COF(Chip on Flex)、COG (Chip on Glass),做下简单介绍。

COB (Chip-on-Board)它是直接把芯片放到主板上然后通过wire bond连接到主板上,然后在上面盖一层黑胶保护即可(Shell),也就是我们以前在电子表上看到的那个像"黑痣"一样的东西。这种技术最简单也最便宜,它的缺点是不可以维修坏了就要换板子,其次是它的面积比较大,所以到了超窄边框的Source Driver的时候就没办法用COB封装了,只能改用COG封装。

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COG (Chip on Glass):当Driver IC贴到ITO面板上时,你的芯片size直接决定了你的边框多宽,所以COG替代了COB封装,COG不需要PCB板,但是不代表它便宜哦,因为他需要浪费一整条玻璃基板(ITO Glass)。

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COF (Chip on Flexible or Chip on Film):这是从COG演变而来的,直接把Chip贴到软膜板(排线)上去,但是这种技术虽然省钱但是由于排线经常折叠所以很容易导致wire bond断线。

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5) Ball Grid Array (BGA): 这个有点类似PGA技术,只是把Pin换成了Ball而已,所以它不能用于Socket mounting了。它主要靠这个solder ball与主板电路接触,然后通过粘性焊剂(tacky flux)焊住,然后再通过oven或红外加热使得ball融化并最终黏在主板上。它与PGA的主要技术优势就是不容易发生pin之间bridge。还有个好处就是heat-resist比较低,更容易导热。

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好了,外观介绍完了,讲点技术吧。

Wafer到了封装厂,第一步是CP测试把bad die用墨水Ink掉,然后贴膜(Blue Tape),接下来是Die sort。我们有时退回来的Blue tape就是这样的。

好了,此时才开始正是进入Package,首先机器会从blue tape上取出good die,然后放到基座上(Package substrate)或者Leadframe上。这一步叫做Die Attach或者Die Bond,而这个die attach可以根据attach的material不同又可以分为Eutectic(共熔)、Epoxy(环氧)、Glass Frit(熔化玻璃)三种方式。

1) Eutectic Attach: 该方式是在Wafer背面沉积一层gold,然后通过Alloy形成gold-silicon的共熔体(Eutectic),这种方式导热性比较好,抗机械应力比较好,背面电学基础也很好,很多Bipolar的IC都会用这种技术。

2) Epoxy Attach: 这是最主流的MOS产品的attach方式,如果对导热导电要求不高的话则不需要填充银(Silver),如果需要导电或导热的话则可以在Epoxy里面填充银来达到。

3) Glass Frit Attach: 这种技术主要用在陶瓷封装里以实现密封作用,里面通常会填充银。

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刚刚我们做完了Die Attach,接下来我们要做的就是Die与Leadframe (引脚)之间的连接,这就是wire bond,而这个wire bond既可以是铝(Al)也可以是金(Au),他们分别对应的就是Al-Wedge Bond和Au-Ball Bond。

1) Al-Wedge: 主要是超声能量将Al-line压在die pad上持续一会让其粘附住,然后移到另外一端(Leadframe)上也用一样的方法连接好,最后剪断Al-line进行下一次。

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2) Au-Ball: 它是一种叫做capillary的tool先让Au-line在末端熔化成一个球(直径约为line的1.5~2.5倍),然后再带着这个Free-air ball到Pad上去,施加一定的压力和温度以及超声能量形成Au与Al-Pad之间的冶金焊接(metallurgical weld)。

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Au-Ball速度比较快,但是只能用于Plastic封装,不适合用于气密性封装,因为较高的密封温度(400~450C)容易导致Au与Al之间的金属化合物(intermetallics)导致失效,但是如果Pad也是Au就没有这个问题了。

另外,Al-wedge bond用的是超声能量,而Au-ball bond用的是热量以及超声(热超声/thermosonic),所以Al-Wedge需要的能量就要比Au-ball方式更大应力损伤,而Au-ball的热能更加能够缓解/soften这种应力,所以更加有优势吧。

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另外,近年来逐渐取代Au和Al的另外一个wire bond是铜线(Cu-bond)。主要优势是便宜还好用,价钱比Au节省3~10倍,导热导电性都很好,而且不会金属互熔,在高温下的可靠性以及热稳定性都比较好。但是它也不是没有缺点,主要是相对低温下易氧化,Cu应力较大而且材质比较硬,所以process需要优化,很难bond上去。(http://eesemi.com/wirebond-copper.htm)

问大家一个问题,难道die和基板/leadframe之间只能靠wirebond连接吗?当然不是。单独再开一堂课讲解Flip-Chip和CSP/WL-CSP封装吧。

OK了,上面已经把die和leadframe接好了,我们现在要做的事情就是把它封起来了,也叫作塑料封装(Plastic Package)或者陶瓷封装(Ceramic Package)。而塑料封装里面主要就是Molding Compound,这玩意最早在1960年代就开始了,其实就是Leadframe模具里面填充塑料封起来而已。而另外一种就是陶瓷主要用来做气密性封装的(hermetic seal)。

最后还有一种叫做Multi-Chip Package,这就是现在主流的More-than-Moore的2.5D和3D封装技术,细分领域包括SiP(System in Package)和PoP(Package on Package)等等

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