晶元封裝選型指南！|半導體行業觀察

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「semiwiki」，謝謝。

簡介

半導體晶元封裝技術經過多年的發展，今天已有數百種封裝類型。

大多數應用需要更通用的單個元件封裝，用於封裝集成電路和其他元件，如電阻器，電容器，天線等。然而，隨著半導體行業開發出更小、更強大的器件，「系統封裝」（SiP）類型的解決方案正在成為首選，即所有元件都放在一個單獨的封裝或模組中。

雖然封裝類型可以很容易地分為引線框架封裝、基板封裝或晶圓級封裝，但選擇適合你所有需求的封裝則要複雜一些，需要評估和平衡應用需求。要做出正確的選擇，你必須了解多個參數的影響，比如熱需求、功率、連接性、環境條件、PCB組裝能力，當然還有成本。

本文介紹了需要評估的七個不同的關鍵要求，以便選擇合適的封裝技術。

常用封裝技術

多年來，封裝技術不斷發展，今天，通過使用不同的連接和組裝方法，有多種封裝類型可供選用。本文主要討論目前最常用的四種封裝：BGA、QFN、WLCSP和eWLB。

BGA（球柵陣列）是一種封裝選擇，適用於需要大量I/O連接的IC。BGA的優點包括低電感和良好的散熱選擇。缺點是，檢測和故障檢測比較困難，與QFN等其它封裝相比，成本可能更高。

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QFN（方形扁平無引腳封裝）是目前最受歡迎的半導體封裝之一，它成本低，外形小巧，電氣性能和熱性能良好。QFN的缺點包括引腳數量少、潛在的氧化問題，以及在長壽命、惡劣環境下的可靠性。

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WLCSP（扇入式晶圓級CSP）本質上是一個凸起的裸片，因此可以提供儘可能小的封裝尺寸，因為它與晶元尺寸相同。WLCSP具有合理的低成本、小尺寸和良好的電氣性能，但可能不太適合高引腳數量的應用。

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eWLB（嵌入式晶圓級球柵陣列）在原始晶圓下使用內插晶圓，以實現扇出和更多的互連布線空間。這樣就產生了更大的裸片面積，解決了WLCSP的互連問題。eWLB正在成為消費ASIC和無線ASIC的首選。

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應用類別：成本vs性能

你的目標應用是決定封裝選擇的主要驅動力。你的應用環境如何？你是在晶元上開發一個系統，還是將ASIC作為系統中的一個關鍵組件？

這些問題將會幫助你決定封裝的類型——你是否可以使用晶圓級或晶元大小的封裝，還是使用標準的、更容易獲得的BGA或QFN類型的封裝更合適？

應用性能要求和相應的封裝選項大致可分為三類：

高端應用要求通常與具有大量連接（大量引腳輸出）的高速、高功率晶元有關。這些器件需要先進的封裝要求，以滿足小焊盤間距、高速信號和解耦的需求，這可以通過FC-BGA（倒裝晶元BGA）或更新的封裝，例如嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）實現。

中端應用通常需要能夠解決熱增強問題，並採用具有成本效益的塑料封裝技術——通常採用BGA和QFN封裝。中端應用中的高端是晶元級和晶圓級封裝，適用於系統封裝和多晶元模組封裝。

入門級應用包括高產量應用，此時成本是主要驅動因素，而不是性能。例如，用於筆記本和手機應用的器件通常需要較小尺寸的晶圓級和晶元尺寸封裝。

引腳和I/O的數量

在確定封裝要求時，器件的輸入和輸出連接的數量和位置是要考慮的關鍵因素。此外，在電源連接、高速數據輸入和輸出、接地連接以及控制和監控信號等方面，需要明確識別互連類型，並與晶元和封裝布局相關。

引腳數多。如果你的引腳數非常多，比如1000引腳的封裝，那麼你最好的選擇可能是標準BGA封裝，它提供了這樣的I/O能力，因為整體封裝尺寸可以達到50~60平方毫米。

引腳數少。對於低引腳數，例如50引腳，此時你的選擇可能是QFN或WLCSP封裝。然而，WLCSP對封裝內的散熱有限制。在有熱量產生（例如，快速開關）或需要良好的信號接地的情況下，QFN是更好的封裝選擇，因為它有「內置」的金屬base pad。

布局。另一個參數是I / O的位置。如果I / O位於裸片周圍的外圍，那麼只要裸片和封裝焊盤有足夠的表面積，就可以快速、簡單和可靠地進行引線鍵合。如果I/O分布在晶元表面的不同區域，使得從晶元的中心向外鍵合很困難，那麼倒裝晶元封裝就提供了一種直接連接到封裝基板（通常是多層PCB）的方法，不會出現裸片重疊的問題。

熱管理

晶元技術的進步使得人們不斷生產出體積更小、速度更快的晶元，這意味著晶元也在產生更多的熱量。因此，熱管理是優化晶元性能的關鍵封裝因素。

熱管理保證了晶元的可靠性和持久運行。例如，如果溫度保持在較低水平，互連（如晶元粘接材料，引線鍵合或倒裝晶元球）更可靠。例如，如果使用環氧樹脂將ASIC晶元放置在基板上，然後溫度過高，環氧樹脂就會軟化並可能熔化，從而讓ASIC產生物理移動，導致封裝變得不可靠。過熱也可能對RF頻率產生負面影響，並降低器件性能。

熱管理也是成本因素之一，它取決於所選器件和封裝的類型。不同的散熱工藝和方法與不同的封裝類型相關聯。例如，BGA封裝通常可以在封裝中提供更低的成本和更好的熱管理解決方案，因為它具有更大的面積可用於散熱。面積較小的晶元往往會產生熱環境，在熱管理解決方案方面可能更昂貴，需要外部散熱器或其他冷卻選擇。

BGA封裝有兩種導熱pad可選，例如導電通孔或內置金屬基板，可實現充分的熱管理。熱增強型BGA封裝的一些選擇可以在其上構建金屬cap，從而在IC器件和金屬cap之間建立導熱路徑，提供良好的散熱。

QFN封裝的設計使得它們具有固體金屬晶元pad作為封裝的基底，裸片與之結合。這使得從晶元到PCB的散熱非常好。

裸片附加材料。使用導熱粘合劑（如銀填充的環氧樹脂，而不是普通環氧樹脂）將晶元粘合到基板上，有助於消除熱量。此外，還有一些新技術，如銀燒結技術，一種具有高工作溫度、高熱導率和高導電性的互連方法。這些材料通常在QFN封裝中效果很好，但由於封裝結構的原因，在BGA封裝中效果不佳。

晶元尺寸和晶圓級封裝。這些封裝中的熱管理主要是在晶元的背面或晶元尺寸的封裝中， 在暴露在外的晶元頂部完成的。

高速信號/射頻

射頻、無線和高速數字設計有特定的要求，影響封裝的選擇。封裝內互連的參數效應可顯著降低信號速度和頻率。

引線鍵合vs倒裝晶元。在射頻器件中，關鍵的設計考慮因素包括電感、電容和電阻，這些因素受進出器件的信號速度的影響。這些問題也影響封裝選擇，主要是在倒裝晶元和引線鍵合互連之間。倒裝晶元會提供更好的射頻性能，並能夠以更低的電感達到更高的頻率。另一方面，引線鍵合可以在每個射頻輸入或輸出頻率較高的地方添加隨機變化的電感。

封裝布局。在射頻頻率下，信號沿表面而不是在導體中傳播。因此，封裝的方式對器件有重要的影響。例如，高速放大器晶元、射頻晶體管和二極體通常不能放入「標準」塑料封裝中，因為封裝材料會影響晶元的運行速度。因此，這種晶元應該放進cavity QFN或BGA封裝。

高頻信號（1GHz及以上）可能要求互連的布局具有隔離的信號路徑，即所謂的「接地—信號—接地」互連。此處，對每個信號I/O的兩個接地連接的要求將影響封裝的大小和布局。

此外，對於高速ASIC，信號電平和定時將受到它們所經過的導體的長度的影響。例如，如果你使用的是BGA封裝，並且有一個較長的引腳指向一個點，一個較短的引腳指向下一個點，那麼信號的時序差異會很大。必須通過更多地考慮封裝基板的初始設計以適應高速射頻器件來克服這一點。

BGA襯底介電材料也是射頻晶元的關鍵因素。例如，高性能液體聚合物基板（如Rogers層壓板）比標準FR4 PCB材料更適合用作射頻設計中BGA封裝的基板。

PCB組裝

PCB組裝和將封裝的ASIC晶元連接到電路板的方法需要幾個可能影響可靠性的工藝，因此在決定ASIC封裝時應事先考慮這些工藝。

根據選擇的封裝類型，你需要確保找到具有正確PCB組裝工藝的供應商，以確保你完成的項目具有最高質量。高級封裝組件不能由任何電子製造服務公司處理。你的選擇應該能夠適應合適的間距，無論是小封裝和大封裝尺寸。

例如，晶元尺寸封裝、晶圓級封裝，當然還有裸片倒裝晶元，都需要加熱和壓力工藝才能將它們直接連接到PCB上。因此，組裝者需要具備先進的PCB組裝能力，以實現準確的位置處理和合適的先進工藝，以確保這些小尺寸部件可靠地連接到電路板上。

另一方面，如果封裝是具有小球間距（例如，0.5mm或更小）的多I / O球柵陣列（BGA）封裝，則該工藝需要高質量的PCB組裝能力，具有高精度的校準和專業的焊接工藝，以產生可靠和魯棒的結果。

QFN封裝具有許多優點，但它們在PCB級別也存在一些重要的製造和可靠性問題，因此它們還需要更多的專業工藝來進行組裝。由於封裝採用帶有外圍接觸pad的金屬「嵌條（slug）」基板，組裝過程容易產生缺陷，如短路、空洞、開口和填充缺陷等，當它與無鉛焊接工藝結合使用時，形成空洞的問題就變得更加困難。

環境考慮因素

特定的環境或機械需求往往決定了應用所需的封裝類型。消費類產品具有最簡單的要求（見下表），因為封裝往往受成本驅動，而不是環境驅動。此時塑料封裝選是首選，但即使在這裡，抗衝擊和抗振動需求也是可用類型的限制因素。

然而，如果所選擇的應用和系統需要保護免受潮濕或化學影響，如在許多醫療和航空航天應用中，對封裝氣密性的需求是驅動因素。在這種情況下，唯一的選擇可能是使用特定類型的封裝，例如密封金屬或陶瓷封裝，以保護ASIC器件。

在汽車應用中，封裝需要能夠承受溫度、振動和衝擊的水平現在已經達到了國防和航空航天的要求（參見MIL標準）。然而，由於成本是汽車的一個關鍵驅動因素，汽車行業已經提高了標準封裝的性能，使QFN和某些BGA類型的零部件能夠被接受。

在航天工業中，下一代太空艙和衛星需要高速、低成本的ASIC器件。在這裡，應用要求封裝低成本、重量輕，但也能承受高重力、機械衝擊和壓力。潛在的解決方案可能是塑料封裝，儘管這些類型不是密封的。這種需要促使這些應用尋找新方法來密封整個系統，以克服封裝缺陷。

下表提供了不同行業的一些環境要求和一些潛在的封裝解決方案的示例。

特定應用要求

在大多數情況下，特定應用要求將決定封裝類型和封裝形式。然而，許多新應用，例如手持設備，具有晶圓級功能的下一代ASIC器件，例如硅通孔（TSV），可能不需要封裝。在這種情況下，將採用直接裸片連接/倒裝晶元工藝。

ASIC通常支持諸如感測器和LED之類的功能器件，在這些器件中，封裝不是上述類型的標準，但電子產品的封裝或外殼必須適合應用所定義的特定形狀和空間。汽車、航空航天和工業中的典型應用可採用這種方法。例如，ASIC晶元可能需要適合特定空間，例如電源模塊或感測器控制系統外殼。

在其他情況下，例如在構建汽車模組時，可以使用系統級封裝（SiP），將多個IC與外圍器件捆綁在一個整體封裝中。此處可以使用定製陶瓷封裝，例如Pin Grid陣列或金屬can模組封裝。

下一代SiP和新興應用正在考慮使用三維封裝技術，如模塑互連器件（3DMID）和3D多層堆疊封裝單元，這些都是針對特定應用解決方案的定製設計。

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