摘要：SMD是SMT的三要素之一，并为SMT的基础。而微电子封装技术又是SMD的基础与核心。本文论述了先进IC封装技术对SMT的推动作用。关键词：微电子封装；SMD；SMT中图分类号：TN305．94 文献标识码：A1 引言SMT经20多年的飞速发展，已深刻影响着现代电子信息技术的发展。无论是IC、移动通信、PC及其他消费类电子产品，还是航空、航天、军事等高科技领域，其设计、制造都与SMT密切相关。在影响SMT飞速发展的各种因素中，微电子封装技术，特别是先进IC封装技术的影响更深广。SMD是SMT的三要素之一，并为SMT的基础；而微电子封装技术，特别是先进IC封装技术又是SMD的基础与核心，并深刻地影响着SMT其它要素--SMT设备和SMT工艺技术的发展与提高，从而推动SMT向更高层次发展。2 重新审视SMT的三大要素众所周知，SMD(包括SMC)、设备及工艺技术的三大要素，它们的地位及相互关系如图1所示。 数字1--表示SMD，数字2--表示SMT设备，数字3--表示SMT工艺技术，它们代表SMT的三大要素。数字4至6是三大要素中两个之间的相互关系，数字7--表示三大要素的结合。在三大要素中，SMD是SMT的基础，而IC封装，特别是先进IC封装，又是SMD的基础与核心。多年的实践证明，SMT应用的好坏，多半起于业界人士对SMD的熟悉及掌握程度和开发能力。SMT设备和SMT工艺技术，是对SMD实施SMT的基本手段和关键技术，也是实现SMT的生产效率、生产成本和电子产品质量的根本保证。这三大要素常常是密切相关的，应根据不同情况调整好三大要素之间的关系，以达到最佳组合。除这三大要素外，其它要素还包括设计技术、基板制造技术和检测技术等，它们也都是保证发挥SMD的功能和电子产品质量的关键技术。3 微电子封装技术的发展，进一步促进了SMT向更高阶段发展3．1 IC封装的演化IC封装一直是追随着IC芯片的发展而演化的,又受到电子整机的发展而推动。IC芯片的发展经历了小规模IC、中规模IC、大规模IC及超大规模IC阶段。与此相适应的IC封装至20世纪末则经历了TO→DIP→QFP→BGA→CSP等封装阶段，新型封装形式尤其受到便携式电子产品的巨大推动，SMT安装密度已达到目前的50个／cm2(细节距QFP、BGA、CSP)，如图2所示。

     数字1--表示SMD，数字2--表示SMT设备，数字3--表示SMT工艺技术，它们代表SMT的三大要素。数字4至6是三大要素中两个之间的相互关系，数字7--表示三大要素的结合。在三大要素中，SMD是SMT的基础，而IC封装，特别是先进IC封装，又是SMD的基础与核心。多年的实践证明，SMT应用的好坏，多半起于业界人士对SMD的熟悉及掌握程度和开发能力。SMT设备和SMT工艺技术，是对SMD实施SMT的基本手段和关键技术，也是实现SMT的生产效率、生产成本和电子产品质量的根本保证。这三大要素常常是密切相关的，应根据不同情况调整好三大要素之间的关系，以达到最佳组合。除这三大要素外，其它要素还包括设计技术、基板制造技术和检测技术等，它们也都是保证发挥SMD的功能和电子产品质量的关键技术。3 微电子封装技术的发展，进一步促进了SMT向更高阶段发展3．1 IC封装的演化IC封装一直是追随着IC芯片的发展而演化的,又受到电子整机的发展而推动。IC芯片的发展经历了小规模IC、中规模IC、大规模IC及超大规模IC阶段。与此相适应的IC封装至20世纪末则经历了TO→DIP→QFP→BGA→CSP等封装阶段，新型封装形式尤其受到便携式电子产品的巨大推动，SMT安装密度已达到目前的50个／cm2(细节距QFP、BGA、CSP)，如图2所示。在这些基本封装形式的基础上，对微电子封装提出了更高的要求，即：①具有更多的IlO弓10却数。

     ②具有更高的电性能和热性能。

     ③更轻、更薄、更小，封装密度更高。

     ④更便于安装、使用、返修。

     ⑤可靠性更高。

     ⑥性能价格比更高。在微电子封装，特别是先进IC封装如QFP、BGA、CSP、MCM等基础上，微电子封装已经出现并继续发展着，表现出以下几种趋势：①微电子封装将由有封装斗少封装呻无封装发展。如图3所示。②芯片直接贴装(DAC)技术，特别是其中的倒装焊(FCB)技术将成为微电子封装的主流形式。③三维(3D)封装技术将成为实现电子整机系统功能的有效途径。④无源元件将逐步走向集成化。⑤系统级封装(SOP或SIP)将成为新世纪重点发展的微电子封装技术。一种典型的SOP一一单级集成模块(SLIM)正被大力研发。⑥圆片级封装(WLP)技术将高速发展。⑦微电子机械系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)正方兴未艾，它们都是微电子技术的拓展与延伸，是集电子技术与精密机械力D工技术、光学元器件技术为一体的新兴技术，真正达到了机、电、光的一体化。3．2 微电子封装，特别是先进IC封装的发展与提高，促使SMT不断向更高阶段发展3．2．1 第一阶段的SMD其引脚外露，SMT过程易于识别和检测，适应了初期阶段SMT的发展。在20世纪80年代初期SMT兴起时，SMT只适于贴装焊接SMC(最初主要是3216型片式电阻、片式电容)和为数不多的SMD(主要是SOT和SOP--实则是DIP的变型)。随后出现了2125型和1608型阻容SMC。90年代中期随着移动通信设备和个性化的电子产品发展需求，又出现了1005型SMC并成为阻容片式元件的主流。90年代末，又出现了并发展了更微型化的0603型阻容SMC。而与各阶段相对应的SMD，则先后出现了LCCC、PLCC及QFP等先进的IC封装，其引脚节距从初期的2．54mm、1．27mm、直到现在的0．5mm、0．4mm甚至0．3mm的工艺极限。相应的SMT设备、SMT工艺技术及设计、PWB、检测技术等与随IC封装引脚的节距日益缩小而不断发展提高。这时期SMC和SMD的引脚处在封装体的两边或四周，其引脚特点都是直观、可见的。因此，整个SMT的过程易于识别和检测。3．2．2 第二阶段的SMD其I／O引脚多为面阵排列，位于封装体下面，且I／O引脚众多(现已超过1800个)，这对SMT产生了深远的影响，同时也提出了新的挑战。当IC发展到LSI，特别是VLSI时，其I／O引脚数不断增加，当引脚数达到300以上时，引脚周边排列的QFP尽管一再缩小节距，当达到0．4mm甚至0．3mm的工艺极限时，封装更多I／O引脚的VLSI芯片就感到无能为力了。幸好当时TAB可以达到500以上的I／O引脚，但并不适合工业化规模生产的SMT技术。为解决VLSI芯片的多I／O引脚封装问题，也开发出了引脚局部面阵排列的针栅阵列(PGA)封装，但当时均为陶瓷气密性封装，而且是插装引脚的，其制作工艺复杂，成本高，故只应用于高性能、成本较高的军用电子产品中。受PGA引脚局部面阵排列及多层布线的启发，20世纪90年代初期，美国首先开发出焊球阵列(BGA)封装，其中在BGA的有机基板上应用了多层布线技术并将IlO引脚面阵排列且引到基板的一侧，其每一焊区的焊料球用置球法或电镀法制成焊料凸点，这实际上是IC芯片上C4技术的应用及拓展。BGA开发及应用，成为解决多IlO引脚VLSI芯片封装的"救星"。例如，一个本体尺寸32mm见方的PBGA，其引脚节距为1．27mm时，I／O引脚可达625个，而本体尺寸达46mm见方的PQFP，其引脚节距为0．5mm时，I／O引脚数才有304个；即使载带封装的TCP，本体尺寸为46mm×49mm，其节距仅为0．25mm时，I／O引脚数也只有608个。它们的封装尺寸比较如图4所示。

     表1还示出了BGA与相同尺寸的各类QFP的I／O引脚数及封装密度的比较，从中可以看出尽管BGA的引脚节距最大，但IlO引脚数却最多，安装密度最高。IlO引脚节距的增大，加之焊料球的共面性和坚固性均好于细节距的QFP引脚共面性及坚固性，这都为SMT的规模化生产带来了很大便利，就安装缺陷率而言，BGA比QW低2个数量级以上，这对提高SMT的生产效率及降低成本都是很有利的。20世纪90年代中期,受电子信息技术飞速发展的驱动，日本率先在BGA的基础上开发了CSP，这是一种和芯片大小相同或不大于芯片尺寸20％的先进IC封装。各种不同的CSP，大致可归纳为7种，即：柔性基板封装CSP(FPBGA)、刚性基板封装CSP(CSTP)、引线框架式CSP(LOC型CSP)、焊区阵列CSP(LGA型CSP)、微小模塑型CSP、圆片级CSP(WLCSP)和其它类型CSP等。CSP的开发成功及广泛应用，使一向存在的芯片小而封装大的矛盾终于得到解决，并且解决了长期困扰业界的优质芯片(KGD)问题；这些CSP均适应现有的SMT工艺技术。这一时期的先进IC封装除为SMT带来许多好处外，还对传统SMT带来很大的发展机遇和挑战。例如，由于BGA、CSP的引脚均为大小不等的焊球，所以，在SMT过程中，如何准确判定焊球的完好性就是要时刻关注的问题。由于焊球在封装体的下面，当贴装机贴装BGA、CSP时，只有采用视觉对准技术才能保证高精度和高可靠的贴装。而视觉识别的关键是照明系统，不但要采用背照明和合理使用明视场，还要采用前照明视觉对准系统，以便照亮器件底部和所有焊球，精确计算焊球位置，以便精确贴装。再如，贴装后将PWB推人再流焊炉时，温度曲线要重新试验设定。因为当周边引脚的SOP、QFP等再流焊时，只注重引脚与焊盘接触处的温升就可以了，而BGA、CSP的焊球的完好再流还应重视封装件的热容量对焊球再流的影响。这样一来，对再流焊炉的热均匀性要求会更高。再如，再流焊后的焊点检验就比周边引脚的困难多了。焊点看不见，就不能使用直观检测设备，只能使用X光设备进行焊点检查；必要时，还要对某些焊点进行切片检测。这无疑会增加检测时间和成本。另外，随着便携式电子产品(如手机)和个性化电子产品的应用和普及，对PWB的制作要求也越来越高，不但PWB的布线层数及布线密度大大增加，而且通孔的直径也会越来越小，这都会提高PWB的制作难度，相应的对焊接材料的要求也会提高。以上这些，都进一步促进了SMT的全面提升，使SMT向更高阶段发展。4 先进IC封装的发展动向及SMT的发展前景在BGA、CSP先进IC封装的基础上,受移动通信和个性化电子产品需求的驱动，20世纪末WLP(WLCSP)和倒装片(FC)又成为促进SMT进人第三阶段发展的动力。CSP正向3D-CSP发展,在移动通信产品中,已较为普遍采用2叠层、3叠层的3D-CSP,而4叠层、5叠层的3D-CSP也已出现。用WLP制作的CSP在外形上与FC已无区别,只是FC的引脚节距比CSP更小。还有,用CSP或FC制作的3D-MCM也已成为系统级封装的电子产品。表2示出了BGA、CSP和FC今后发展的动向，总的趋势是I／O引脚节距会不断减小，而引脚数则不断增加，其封装密度也越来越高。更为先进的SOP封装是典型的单级集成模块(SLIM)，如图5所示。所谓单级集成模块，即将番类元器件、布线、介质及各种LSI、VLSI及ASIC都集成于一个电子封装系统内，它所实现的是庞大的系统功能。这将是21世纪初的微电子封装结构。

     微电子封装技术对SMT的促进作用

     况延香 朱颂春

     (中国电子科技集团公司第43研究所，安徽 合肥 230022) 摘要：SMD是SMT的三要素之一，并为SMT的基础。而微电子封装技术又是SMD的基础与核心。本文论述了先进IC封装技术对SMT的推动作用。关键词：微电子封装；SMD；SMT中图分类号：TN305．94 文献标识码：A1 引言SMT经20多年的飞速发展，已深刻影响着现代电子信息技术的发展。无论是IC、移动通信、PC及其他消费类电子产品，还是航空、航天、军事等高科技领域，其设计、制造都与SMT密切相关。在影响SMT飞速发展的各种因素中，微电子封装技术，特别是先进IC封装技术的影响更深广。SMD是SMT的三要素之一，并为SMT的基础；而微电子封装技术，特别是先进IC封装技术又是SMD的基础与核心，并深刻地影响着SMT其它要素--SMT设备和SMT工艺技术的发展与提高，从而推动SMT向更高层次发展。2 重新审视SMT的三大要素众所周知，SMD(包括SMC)、设备及工艺技术的三大要素，它们的地位及相互关系如图1所示。 数字1--表示SMD，数字2--表示SMT设备，数字3--表示SMT工艺技术，它们代表SMT的三大要素。数字4至6是三大要素中两个之间的相互关系，数字7--表示三大要素的结合。在三大要素中，SMD是SMT的基础，而IC封装，特别是先进IC封装，又是SMD的基础与核心。多年的实践证明，SMT应用的好坏，多半起于业界人士对SMD的熟悉及掌握程度和开发能力。SMT设备和SMT工艺技术，是对SMD实施SMT的基本手段和关键技术，也是实现SMT的生产效率、生产成本和电子产品质量的根本保证。这三大要素常常是密切相关的，应根据不同情况调整好三大要素之间的关系，以达到最佳组合。除这三大要素外，其它要素还包括设计技术、基板制造技术和检测技术等，它们也都是保证发挥SMD的功能和电子产品质量的关键技术。3 微电子封装技术的发展，进一步促进了SMT向更高阶段发展3．1 IC封装的演化IC封装一直是追随着IC芯片的发展而演化的,又受到电子整机的发展而推动。IC芯片的发展经历了小规模IC、中规模IC、大规模IC及超大规模IC阶段。与此相适应的IC封装至20世纪末则经历了TO→DIP→QFP→BGA→CSP等封装阶段，新型封装形式尤其受到便携式电子产品的巨大推动，SMT安装密度已达到目前的50个／cm2(细节距QFP、BGA、CSP)，如图2所示。 在这些基本封装形式的基础上，对微电子封装提出了更高的要求，即：①具有更多的IlO弓10却数。

     ②具有更高的电性能和热性能。

     ③更轻、更薄、更小，封装密度更高。

     ④更便于安装、使用、返修。

     ⑤可靠性更高。

     ⑥性能价格比更高。在微电子封装，特别是先进IC封装如QFP、BGA、CSP、MCM等基础上，微电子封装已经出现并继续发展着，表现出以下几种趋势：①微电子封装将由有封装斗少封装呻无封装发展。如图3所示。 ②芯片直接贴装(DAC)技术，特别是其中的倒装焊(FCB)技术将成为微电子封装的主流形式。③三维(3D)封装技术将成为实现电子整机系统功能的有效途径。④无源元件将逐步走向集成化。⑤系统级封装(SOP或SIP)将成为新世纪重点发展的微电子封装技术。一种典型的SOP一一单级集成模块(SLIM)正被大力研发。⑥圆片级封装(WLP)技术将高速发展。⑦微电子机械系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)正方兴未艾，它们都是微电子技术的拓展与延伸，是集电子技术与精密机械力D工技术、光学元器件技术为一体的新兴技术，真正达到了机、电、光的一体化。3．2 微电子封装，特别是先进IC封装的发展与提高，促使SMT不断向更高阶段发展3．2．1 第一阶段的SMD其引脚外露，SMT过程易于识别和检测，适应了初期阶段SMT的发展。在20世纪80年代初期SMT兴起时，SMT只适于贴装焊接SMC(最初主要是3216型片式电阻、片式电容)和为数不多的SMD(主要是SOT和SOP--实则是DIP的变型)。随后出现了2125型和1608型阻容SMC。90年代中期随着移动通信设备和个性化的电子产品发展需求，又出现了1005型SMC并成为阻容片式元件的主流。90年代末，又出现了并发展了更微型化的0603型阻容SMC。而与各阶段相对应的SMD，则先后出现了LCCC、PLCC及QFP等先进的IC封装，其引脚节距从初期的2．54mm、1．27mm、直到现在的0．5mm、0．4mm甚至0．3mm的工艺极限。相应的SMT设备、SMT工艺技术及设计、PWB、检测技术等与随IC封装引脚的节距日益缩小而不断发展提高。这时期SMC和SMD的引脚处在封装体的两边或四周，其引脚特点都是直观、可见的。因此，整个SMT的过程易于识别和检测。3．2．2 第二阶段的SMD其I／O引脚多为面阵排列，位于封装体下面，且I／O引脚众多(现已超过1800个)，这对SMT产生了深远的影响，同时也提出了新的挑战。当IC发展到LSI，特别是VLSI时，其I／O引脚数不断增加，当引脚数达到300以上时，引脚周边排列的QFP尽管一再缩小节距，当达到0．4mm甚至0．3mm的工艺极限时，封装更多I／O引脚的VLSI芯片就感到无能为力了。幸好当时TAB可以达到500以上的I／O引脚，但并不适合工业化规模生产的SMT技术。为解决VLSI芯片的多I／O引脚封装问题，也开发出了引脚局部面阵排列的针栅阵列(PGA)封装，但当时均为陶瓷气密性封装，而且是插装引脚的，其制作工艺复杂，成本高，故只应用于高性能、成本较高的军用电子产品中。受PGA引脚局部面阵排列及多层布线的启发，20世纪90年代初期，美国首先开发出焊球阵列(BGA)封装，其中在BGA的有机基板上应用了多层布线技术并将IlO引脚面阵排列且引到基板的一侧，其每一焊区的焊料球用置球法或电镀法制成焊料凸点，这实际上是IC芯片上C4技术的应用及拓展。BGA开发及应用，成为解决多IlO引脚VLSI芯片封装的"救星"。例如，一个本体尺寸32mm见方的PBGA，其引脚节距为1．27mm时，I／O引脚可达625个，而本体尺寸达46mm见方的PQFP，其引脚节距为0．5mm时，I／O引脚数才有304个；即使载带封装的TCP，本体尺寸为46mm×49mm，其节距仅为0．25mm时，I／O引脚数也只有608个。它们的封装尺寸比较如图4所示。 表1还示出了BGA与相同尺寸的各类QFP的I／O引脚数及封装密度的比较，从中可以看出尽管BGA的引脚节距最大，但IlO引脚数却最多，安装密度最高。IlO引脚节距的增大，加之焊料球的共面性和坚固性均好于细节距的QFP引脚共面性及坚固性，这都为SMT的规模化生产带来了很大便利，就安装缺陷率而言，BGA比QW低2个数量级以上，这对提高SMT的生产效率及降低成本都是很有利的。 20世纪90年代中期,受电子信息技术飞速发展的驱动，日本率先在BGA的基础上开发了CSP，这是一种和芯片大小相同或不大于芯片尺寸20％的先进IC封装。各种不同的CSP，大致可归纳为7种，即：柔性基板封装CSP(FPBGA)、刚性基板封装CSP(CSTP)、引线框架式CSP(LOC型CSP)、焊区阵列CSP(LGA型CSP)、微小模塑型CSP、圆片级CSP(WLCSP)和其它类型CSP等。CSP的开发成功及广泛应用，使一向存在的芯片小而封装大的矛盾终于得到解决，并且解决了长期困扰业界的优质芯片(KGD)问题；这些CSP均适应现有的SMT工艺技术。这一时期的先进IC封装除为SMT带来许多好处外，还对传统SMT带来很大的发展机遇和挑战。例如，由于BGA、CSP的引脚均为大小不等的焊球，所以，在SMT过程中，如何准确判定焊球的完好性就是要时刻关注的问题。由于焊球在封装体的下面，当贴装机贴装BGA、CSP时，只有采用视觉对准技术才能保证高精度和高可靠的贴装。而视觉识别的关键是照明系统，不但要采用背照明和合理使用明视场，还要采用前照明视觉对准系统，以便照亮器件底部和所有焊球，精确计算焊球位置，以便精确贴装。再如，贴装后将PWB推人再流焊炉时，温度曲线要重新试验设定。因为当周边引脚的SOP、QFP等再流焊时，只注重引脚与焊盘接触处的温升就可以了，而BGA、CSP的焊球的完好再流还应重视封装件的热容量对焊球再流的影响。这样一来，对再流焊炉的热均匀性要求会更高。再如，再流焊后的焊点检验就比周边引脚的困难多了。焊点看不见，就不能使用直观检测设备，只能使用X光设备进行焊点检查；必要时，还要对某些焊点进行切片检测。这无疑会增加检测时间和成本。另外，随着便携式电子产品(如手机)和个性化电子产品的应用和普及，对PWB的制作要求也越来越高，不但PWB的布线层数及布线密度大大增加，而且通孔的直径也会越来越小，这都会提高PWB的制作难度，相应的对焊接材料的要求也会提高。以上这些，都进一步促进了SMT的全面提升，使SMT向更高阶段发展。4 先进IC封装的发展动向及SMT的发展前景在BGA、CSP先进IC封装的基础上,受移动通信和个性化电子产品需求的驱动，20世纪末WLP(WLCSP)和倒装片(FC)又成为促进SMT进人第三阶段发展的动力。CSP正向3D-CSP发展,在移动通信产品中,已较为普遍采用2叠层、3叠层的3D-CSP,而4叠层、5叠层的3D-CSP也已出现。用WLP制作的CSP在外形上与FC已无区别,只是FC的引脚节距比CSP更小。还有,用CSP或FC制作的3D-MCM也已成为系统级封装的电子产品。表2示出了BGA、CSP和FC今后发展的动向，总的趋势是I／O引脚节距会不断减小，而引脚数则不断增加，其封装密度也越来越高。 更为先进的SOP封装是典型的单级集成模块(SLIM)，如图5所示。所谓单级集成模块，即将番类元器件、布线、介质及各种LSI、VLSI及ASIC都集成于一个电子封装系统内，它所实现的是庞大的系统功能。这将是21世纪初的微电子封装结构。 5 结束语SMD是SMT的三大要素之一，微电子封装技术，特别是先进IC封装技术又是SMD的基础与核心，并深刻地影响着SMT其它要素的发展与提高，从而推动SMT不断向更高层次发展，使SMT的发展前景将更加灿烂辉煌。

     本文摘自《电子与封装》