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浅谈半导体集成电路封装的历程

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IC30多年前于30多年前。当时,金属和陶瓷被用来密封外壳。它们曾经是电子工业的龙马。广泛满足从消费电子产品到空间电子产品的需求,具有坚固、可靠、散热好、功耗大、环境条件恶劣等优点。但它们有许多限制因素,即重量、成本、包装密度和引脚数。最早的金属壳是TO类型,俗称帽型;陶瓷壳是平长方形。

大约在20世纪60年代中期,仙童公司开发了塑料双列直插式包装(PDIP),有8条引线。随着硅技术的发展,芯片尺寸越来越大,密封壳也越来越大。到20世纪60年代末,四边出现了大型引线包装。当时人们对压缩器件的外观尺寸不太重视,所以大一点的封壳是可以接受的。但是大封壳占用PCB因此开发了引线陶瓷芯片载体(LCCC)。从1976年到1977年,它的变体是塑料有引线载体(PLCC)并且生存了10年左右,其引脚数为16~132。

四方扁平封装于20世纪80年代中期开发(QFP)接替了PLCC。当时有凸缘QFP(BQFP)和公制MQFP(MQFP)两种。但很快MQFP它被其明显的优势所取代BQFP。随后出现了各种改进型,如薄型QFP(TQFP)、细引脚间距QFP(VQFP)、缩小型QFP(SQFP)、塑料QFP(PQFP)、金属QFP(MetalQFP)、载带QFP(TapeQFP)等。这些QFP均适用于表面贴装。然而,这种结构仍然占用太多PCB面积不适应进一步小型化的要求。因此,人们开始注意缩小芯片尺寸,相应的包装应尽可能小。事实上,从1968年到1969年,菲利浦公司开发了小外观包装(SOP)。之后J型引脚小外包装将逐渐衍生出来(SOJ)、小外观封装(TSOP)、外形封装很小(VSOP)、缩小型SOP(SSOP)、薄的缩小型SOP(TSSOP)小外形晶体管(SOT)、小型集成电路(SOIC)等。这样,IC塑料封壳有两类:方形扁平型和小型外壳型。前者适用于多引脚电路,后者适用于少引脚电路。

随着半导体工业的快速发展,芯片的功能越来越强大,所需的外引脚数量也在增加,然后停留在旧的周围引线模式中,即使引线间距缩小,其局限性也越来越突出,因此有了面阵列的新概念,阵列包装诞生了。

阵列式封装最早是针栅阵列(PGA),针式引脚。将引脚形状变成球形凸点,即球栅阵列(BGA);球变成柱形,柱形阵列(CGA)。后来更有载带了BGA(TBGA)、金属封装BGA(MBGA)、陶瓷BGA(CBGA)、倒装焊BGA(FCBGA)、塑料BGA(PBGA)、增强型塑封BGA(EPBGA)、芯片尺寸BGA(D2BGA)、小型BGA(MiniBGA)、微小型BGA(MicroBGA)及可控塌陷BGA(C2BGA)等。BGA成为当今最活跃的包装形式。

在历史上,人们也试图不给它IC任何封装。最早的有IBM公司于20世纪60年代开发C(可控塌陷芯片连接)技术。将来会有板上芯片(COB)、柔性板芯片(COF)芯片上引线(LOC)等。但裸芯片面临着对高质量芯片的确认(KGD)的问题。因此,提出了既给IC1992年,日本富士通首先提出了芯片尺寸包装的想法,加上包装不增加太多面积(CSP)概念。它很快就会引起国际关注,它将成为IC一个重要的封装热点。

另一种包装形式是贝尔实验室于1962年提出的IBM带式载体的带式载体封装(TCP)。它是一种用柔性带代替刚性板作为载体的包装。由于价格昂贵,加工成本高,没有得到广泛应用。

事实上,上述各种包装都源于20世纪60年代诞生的包装理念。促进其发展的因素一直是功率、重量、引脚数量、尺寸、密度、电特性、可靠性、热耗散、价格等。

虽然有这么多的包装可供选择,但新的包装将继续出现。另一方面,许多包装设计师和工程师正在努力去除包装。当然,这并不容易。包装将陪伴我们至少20年,直到芯片只集成在一个连接层。

可粗略总结包装的发展过程: TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP;是金属→陶瓷→塑料;是长引线直插→短引线或无引线贴装→球状凸点; 是通孔封装→表面安装→直接安装。

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