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摘要：半导体器件有许多封装型式，从DIP、SOP QFP PGA BGA到CSP再到SIP，技术
指标一代比一代先进，这些都是前人根据当时的组装技术和市场需求而研制的。总体说来，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，
极大地提高了印刷电路板上的组装密度；第二次是在上世纪90年代球型矩正封装的出现，
它不但满足了市场高引脚的需求，而且大大地改善了半导体器件的性能；晶片级封装、系统
封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装减到最小。每一种封装都有
其独特的地方，即其优点和不足之处，而所用的封装材料，封装设备，封装技术根据其需要
而有所不同。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。
关键词：半导体；芯片级封装；系统封装；晶片级封装
中图分类号:TN305. 94文献标识码：C文章编号：1004-4507(2005)05-0014-08
1半导体器件封装概述
电子产品是由半导体器件(集成电路和分立器件)、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路
板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的
接口。所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米”的
美称。
我国在上世纪60年代自行研制和生产了第一台计算机，其占用面积大约为100 m2以上，现
在的便携式计算机只有书包大小，而将来的计算机可能只与钢笔一样大小或更小。计算机体
积的这种迅速缩小而其功能越来越强大就是半导体科技发展的一个很好的佐证，其功劳主要
归结于：⑴半导体芯片集成度的大幅度提高和晶圆制造(Wafer fabrication) 中光刻精度的
提高，使得芯片的功能日益强大而尺寸反而更小；(2)半导体封装技术的提高从而大大地提
高了印刷线路板上集成电路的密集度，使得电子产品的体积大幅度地降低。
半导体组装技术(Assembly technology )的提高主要体现在它的圭寸装型式(Package)不断发展。通常所指的组装(Assembly)可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片(Chip) 和框架(LeadFrame)或基板(Sulbstrate) 或塑料薄片(Film)或印刷线路板中的导体部分连接
以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具
有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，
系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。
驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子市场的最终客户可分为3类：家
庭用户、工业用户和国家用户。家庭用户最大的特点是价格便宜而性能要求不高；国家用户
要求高性能而价格通常是普通用户的几十倍甚至几千倍，主要用在军事和航天等方面；工业
用户通常是价格和性能都介于以上两者之间。低价格要求在原有的基础上降低成本，这样材
料用得越少越好，一次性产出越大越好。高性能要求产品寿命长，能耐高低温及高湿度等恶劣环境。半导体生产厂家时时刻刻都想方设法降低成本和提高性能，当然也有其它的因素如
环保要求和专利问题迫使他们改变封装型式。
2封装的作用
封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集
成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部
世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有：
(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电
气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于2W时，
在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5?10W寸必须采取强制冷却
手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。
⑵电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0. 1 3卩m以下)为特征尺寸
的芯片，到以10卩m为单位的芯片焊点，再到以100卩m为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复
杂到简单的变换作用，从而可使操作费用及材料费用降低，而且能提高工作效率和可靠性，
特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻，寄生电容和电感来保证正确的
信号波形和传输速度。
⑶标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，既便于加工，又便于与印刷电路板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便，而且便于标准化。相比之下，裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发
挥和与之连接的印刷电路板（PCB）的设计和制造，对于很多集成电路产品而言，组装技术都是非常关键的一环。
3封装的分类
半导体（包括集成电路和分立器件）其芯片的封装已经历了好几代的变迁，从DIP、SOP QFP PGA BGA到MCP再到SIP，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越
接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。封装（Package）可谓种类繁多，而且每一种封装都有其独
特的地方，即它的优点和不足之处，当然其所用的封装材料、封装设备、封装技术根据其需
要而有所不同。
3. 1根据材料分类
根据所用的材料来划分半导体器件封装形式有金属封装、陶瓷封装、金属一陶瓷封装和塑料
封装。
3. 1 . 1金属封装
金属封装始于三极管封装，后慢慢地应用于直插式扁平式封装，基本上乃是金属-玻璃组装
工艺。由于该种封装尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产，故其价格低、性能优良、
封装工艺容易灵活，被广泛应用于晶体管和混合集成电路如振荡器、放大器、鉴频器、交直
流转换器、滤颇器、继电器等等产品上，现在及将来许多微型封装及多芯片模块（MCM也采用此金属封装。金属封装的种类有光电器件封装包括带光窗型、带透镜型和带光纤型；分妒
器件封装包括A型、B型和C型；混合电路封装包括双列直插型和扁平型；特殊器件封装包括矩正型、多层多窗型和无磁材料型。
3. 1 . 2陶瓷封装
早期的半导体封装多以陶瓷封装为主，伴随着半导体器件的高度集成化和高速化的发展，电
子设备的小型化和价格的降低，陶瓷封装部分地被塑料封装代替，但陶瓷封装的许多用途仍
具有不可替代的功能，特别是集成电路组件工作频率的提高，信号传送速度的加快和芯片功
耗的增加，需要选择低电阻率的布线导体材料，低介电常数，高导电率的绝缘材料等。陶瓷
封装的种类有DIP和SIP ;对大规模集成电路封装包括PGA PLCC QFP和BGA
3. 1 . 3金属一陶瓷封装
它是以传统多层陶瓷工艺为基础，以金属和陶瓷材料为框架而发展起来的。最大特征是高频
特性好而噪音低而被用于微波功率器件，如微波毫米波二极管、微波低噪声三极管、微波毫
米波功率三极管。正因如此，它对封装体积大的电参数如有线电感、引线电阻、输出电容、特性阻抗等要求苛刻，故其成品率比较低；同时它必须很好地解决多层陶瓷和金属材料的不同膨胀系数问题，这样才能保证其可靠性。金属一陶瓷封装的种类有分立器件封装包括同轴
型和带线型；单片微波集成电路(MMIC)封装包括载体型、多层陶瓷型和金属框架一陶瓷绝缘型。
3. 1 . 4塑料封装
塑料封装由于其成本低廉、工艺简单，并适于大批量生产，因而具有极强的生命力，自诞生起发展得越来越快，在封装中所占的份额越来越大。目前塑料封装在全世界范围内占集成电
路市场的95%以上。在消费类电路和器件基本上是塑料封装的天下；在工业类电路中所占的比例也很大，其封装形式种类也是最多。塑料封装的种类有分立器件封装，包括A型和F 型；集成电路封装包括SOP DIP、QFP和BGA等。
3. 2根据密封性分类
按封装密封性方式可分为气密性封装和树脂封装两类。他们的目的都是将晶体与外部温度、湿度、空气等环境隔绝，起保护和电气绝缘作用；同时还可实现向外散热及缓和应力。其中
气密性封装可靠性较高，但价格也高，目前由于封装技术及材料的改进，树脂封占绝对优势，
只是在有些特殊领域，尤其是国家级用户中，气密性封装是必不可少的。气密性封装所用到
的外壳可以是金属、陶瓷玻璃，而其中气体可以是真空、氮气及惰性气体。
3. 3根据外形、尺寸、结构分类
按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装。
3. 3. 1插入式封装
引脚插入式封装(Through-Hole Mount)。此封装形式有引脚出来，并将引脚直接插入印刷电路板(PWB 冲，再由浸锡法进行波峰焊接，以实现电路连接和机械固定。由于引脚直径和间距都不能太细，故印刷电路板上的通孔直径，间距乃至布线都不能太细，而且它只用到印刷
电路板的一面，从而难以实现高密度封装。它又可分为引脚在一端的封装(Single ended), 引脚在两端的圭寸装(Double ended)禾口弓I胜9矩正圭寸装(Pin Grid Array) 。
引脚在一端的圭寸装(Si ngle en ded) 又可分为三极管圭寸装和单列直插式圭寸装(Si ngle In-line Package）。
引脚在两端的封装(Double ended)又可分为双列直插式封装，Z形双列直插式封装和收缩型
双列直插式封装等。
双列直插式封装(DIP：Dual In-line Package) 。它是20世纪70年代的封装形式，首先是
陶瓷多层板作载体的封装问世，后来Motorola和Fairchild 开发出塑料封装。绝大多数中
小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。DIP封装的芯片有两排引
脚，分布于两侧，且成直线平行布置，引脚直径和间距为2. 54 mm(100 mil)，需要插入到
具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。此封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。此封装具有以下
特点：(1)适合在印刷电路板(PCB)上穿孔焊接，操作方便；(2)芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大；(3)除其外形尺寸及引脚数之外，并无其它特殊要求，但由于引脚直径和间距都不能太细，故：PWBk通孔直径、间距以及布线间距都不能太细，故此种PKG
难以实现高密度封装，且每年都在衰退。
Z形双列直插式封装(ZIP : Zigzag In-line Package) 与DIP并无实质上的区别，只是引脚呈Z状排列，其目的是为了增加引脚的数量，而引脚的间距仍为2. 54 mm。陶瓷Z形双列
直插式封装CZIP(Ceramic Zag-Zag Package) 它与ZIP外形一样，只是用陶瓷材料封装。
收缩型双列直插式封装(SKDIP：Shrink Dual In-line Package)形状与DIP相同，但引脚中心距为1 . 778 mm(70 mil)小于DIP(2 . 54mm),引脚数一般不超过100,材料有陶瓷和塑料两种。
引脚矩正封装(Pin Grid Array) 。它是在DIP的基础上，为适应高速度，多引脚化(提高组
装密度)而出现的。此封装的引脚不是单排或双排，而是在整个平面呈矩正排布，如图1所示。在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，
与DIP相比，在不增加引脚间距的情况下，可以按近似平方的关系提高引脚数。根据引脚数
目的多少，可以围成2?5圈，其引脚的间距为2. 54 mm,引脚数量从几十到几百个。PGA
封装具有以下特点：(1)插拔操作更方便，可靠性高；(2)可适应更高的频率；(3)如采用导
热性良好的陶瓷基板，还可适应高速度?大功率器件要求；(4)由于此封装具有向外伸出的
引脚，一般采用插入式安装而不宜采用表面安装；(5)如用陶瓷基板，价格又相对较高，因
此多用于较为特殊的用途。它又分为陈列引脚型和表面贴装型两种。
有机管引脚矩正式封装OPGA(Orga nic pin grid Array) 这种封装的基底使用的是玻璃纤维，
类似印刷电路板上的材料。此种封装方式可以降低阻抗和封装成本。OPGA寸装拉近了外部
电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。
3. 3. 2尺寸贴片封装(SOP)
表面贴片封装(Surface Mount)。它是从引脚直插式封装发展而来的，主要优点是降低了PCB
电路板设计的难度，同时它也大大降低了其本身的尺寸。我们需要将引脚插片封装的集成电
路插入PCB中，故需要在PCB中根据集成电路的引脚尺寸(FootPrint) 做出专对应的小孔，这样就可将集成电路主体部分放置在. PCB板的一面，同时在PCB的另一面将集成电路的引
脚焊接到PCB上以形成电路的连接，所以这就消耗了PCB板两面的空间，而对多层的PCB
板而言，需要在设计时在每一层将需要专孔的地方腾出。而表面贴片封装的集成电路只须将
它放置在PCB板的一面，并在它的同一面进行焊接，不需要专孔，这样就降低了PCB电路板
设计的难度。表面贴片封装的主要优点是降低其本身的尺寸，从而加大了：PCB上IC的密
集度。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。表面贴片封装根据
引脚所处的位置可分为：Single-ended(引脚在一面)、Dual(引脚在两边)、Quad(引脚在四
迦、Bottom(引脚在下面)、BGA引脚排成矩正结构)及其它。
Single-ended(引脚在一面)：此封装型式的特点是引脚全部在一边，而且引脚的数量通常比
较少，如图2所示。它又可分为：导热型(Therinal-enhaneed)，象常用的功率三极管，只有三个引脚排成一排，其上面有一个大的散热片；COF(Chip on Film)是将芯片直接联贴在
柔性线路板上(现有的用Flip —ehip技术)，再经过颦料包封而成，它的特点是轻而且很薄，
所以当前被广泛用在液晶显示器(LCD)上以满足LCD分辨率增加的需要。其缺点是Film的价
格很贵，其二是贴片机的价格也很贵。
Dual(引脚在两边)，如图3所示。此封装型式的特点是引脚全部在两边，而且引脚的数量不
算多。它的封装型式比较多，义可细分为：SOT(Smalloutl ine Tran sistor )、SOP(Small
Outline Package) 、SOJ(Small Outline Package J-bent lea(1) 、SS()P(Shrink Small Outline Package) 、HSOI(Heat-sink Small Outline Package) 及其它。
SOT系列主要有SOT-23、SOT-223、SOT-25 SOT-26 SOt323、SOT-89 等。当电子产品尺寸
不断缩小时，其内部使用的半导体器件也必须变小。所以更小的半导体器件使得电子产品能
够更小、更轻、更便携，相同尺寸包含的功能更多。对于半导体器件，其价值最好的体现在：
PCB占用空间和封装总高度上，优化了这些参数才能在更小的：PCB上更紧凑地布局。SOT
封装既大大降低了高度，又显著减小了PCB占用空间。女口SOT883被广泛应用在比较小型的
日常消费电器中如手机、照相机和MP3等等。
小尺寸贴片圭寸装(SOP: Small Outline Package) 。荷兰皇家飞利浦公司在上世纪70年代就
开发出小尺寸贴片封装SOP以后逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP薄小外形封
装)、VSOP甚小外形封装)、SS()P(缩小型SOP、TSSOP薄的缩小型SOP)及SOT(小外形晶体管)、SOiq小外形集成电路)等。SOP典型引线间距是1. 27 mm,引脚数在几十之内。
薄型小尺寸封装(TSOP Thin Small Out-Line Package) 是在20世纪80年代出现的TSOP
封装，它与SOP的最大区别在于其厚度很薄只有 1 mm是SOJ的1/ 3;由于外观上轻薄且
小的封装，适合高频使用，以较强的可操作性和较高的可靠性征服了业界。大部分的SDRAM 内存芯片都是采用此封装方式。TSOP内存封装的外形呈长方形，且封装芯片的周围都有I
/O引脚。在TSOF封装方式中，内存颗粒是通过芯片引脚焊在PCB板上的，焊点和PCB板
的接触面积较小，使得芯片向PCB板传热相对困难。而且TSOF封装方式的内存在超过150MHz 后，会有很大的信号干扰和电磁干扰。
J形引脚小尺寸圭寸装SOJ(Small Out-Li ne J-Leaded Package)。引脚从圭寸装主体两侧引出向
下呈J字形，直接粘贴在印刷电路板的表面，通常为塑料制品，多数用于：DRAM和SRAM等内存LSI电路，但绝大部分是DRAM用SOJ封装的DRAM器件很多都装配在SIMM上。引脚中心距1 . 27 mm,引肚4数为20-40。
3. 3. 3表面贴片QFP封装
四边引脚扁平封装(QFP: Plastic Quad Flat Pockage) 。QFP是由SOP发展而来，其外形
呈扁平状，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型，如图4所示。鸟翼形引脚端子的一端由封
装本体引出，而另一端沿四边布置在同一平面上。它在印刷电路板(PWB上不是靠引脚插入PWB勺通孔中，所以不必在主板上打孔，而是采用SMT方式即通过焊料等贴附在PWB上一
般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点，将封装各脚对准相应的焊点，即可实现与主板
的焊接。因此，PWB两面可以形成不同的电路，采用整体回流焊等方式可使两面上搭载的全
部元器件一次键合完成，便于自动化操作，实装的可靠性也有保证。这是目前最普遍采用的
封装形成。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。
此种封装引脚之间距离很小、管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装型式。其引脚数一般从几十到几百，而且其封装外形尺寸较小、寄生参数减小、适合高频应用；该
封装主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线。但是由于QFP的引线端子四周边布置, 且伸出PKG之外，若引线间距过窄，引线过细，则端子更为柔嫩，难免制造及实装过程中发生变形等。当端子数超过几百个，端了间距等于或小于O. 3mm时，要精确地搭载在电路图
形上并与其占电路组件一起采用再流焊一次完成实装，难度极大，需要采用专用自动搭载以