集成電路（IC）在電子學金字塔中的位置既是金字塔的尖頂又是金字塔的基座。說它同時處在這兩種位置都有很充分的根據。從電子元器件（如晶體管）的密度這個角度上來說，IC代表了電子學的尖端。但是IC又是一個起始點，是一種基本結構單元，是組成我們生活中大多數電子系統的基礎。同樣，IC不僅僅是單塊晶元或者基本電子結構，IC的種類千差萬別（模擬電路、數字電路、射頻電路、感測器等），因而對於封裝的需求和要求也各不相同。本文對IC封裝技術做了全面的回顧，以粗線條的方式介紹了製造這些不可缺少的封裝結構時用到的各種材料和工藝。
雖然IC的物理結構、應用領域、I/O數量差異很大，但是IC封裝的作用和功能卻差別不大，封裝的目的也相當的一致。作為“晶元的保護者”，封裝起到了好幾個作用，歸納起來主要有兩個根本的功能：1)保護晶元，使其免受物理損傷；2)重新分佈I/O，獲得更易於在裝配中處理的引腳節距。封裝還有其他一些次要的作用，比如提供一種更易於標準化的結構，為晶元提供散熱通路，使晶元避免產生α粒子造成的軟錯誤，以及提供一種更方便於測試和老化試驗的結構。封裝還能用於多個IC的互連。可以使用引線鍵合技術等標準的互連技術來直接進行互連。或者也可用封裝提供的互連通路，如混合封裝技術、多晶元組件（MCM）、系統級封裝（SiP）以及更廣泛的系統體積小型化和互連(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互連通路，來間接地進行互連。
隨著微電子機械系統(MEMS)器件和片上實驗室（lab-on-chip）器件的不斷發展，封裝起到了更多的作用：如限制晶元與外界的接觸、滿足壓差的要求以及滿足化學和大氣環境的要求。人們還日益關注並積極投身於光電子封裝的研究，以滿足這一重要領域不斷發展的要求。最近幾年人們對IC封裝的重要性和不斷增加的功能的看法發生了很大的轉變，IC封裝已經成為了和IC本身一樣重要的一個領域。這是因為在很多情況下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們越來越注重發展IC封裝技術以迎接新的挑戰。
IC封裝家族
雖然有很多方法對IC封裝進行分類，但是IC封裝主要可以通過其基本結構的不同進行分類和定義。根據這一標準，IC封裝的兩個主要類別是引線框架式封裝和基板式封裝。還可以將後者進一步細分為有機層壓基板材料和陶瓷基板材料。現在還出現了一種封裝類型，它著眼於在圓片上進行封裝，被稱作為圓片級封裝（WLP）。封裝在圓片的表面進行，這樣就能製成真正意義上的晶元尺寸封裝。
在定義了封裝的基本結構之後，繼續介紹下一級互連中的封裝技術。比如，以引線框架和雙列直插封裝(DIP)為代表的許多傳統IC封裝，用於針腳插入型焊接裝配。而以針柵陣列（PGA）為代表的其他形式的封裝可插在插孔中。還有一些，如以四方扁平封裝(QFP)、無引腳引線框架封裝和面積接近晶元面積的四方扁平無引腳封裝(QFN)為代表的柔性引腳引線框架封裝，則用於表面貼裝技術。
除了以QFP和QFN為代表的四周引腳封裝，還有平面陣列封裝。由於平面陣列封裝本身具有良好的處理高I/O數和管理I/O端分佈的能力，而同時又不會降低性能，所以用平面陣列的方法來形成IC封裝的I/O已經變得越來越普及。球柵陣列封裝（BGA）就是平面陣列封裝的典型代表。正是由於這些優勢，BGA的身影出現在了從微小尺寸晶元、圓片級封裝到擁有數千個I/O的大尺寸IC的各個應用領域。由於已經有了製造有機層壓基板的划算的大型製造設備，所以BGA封裝通常採用這種基板。BGA封裝還經常被用於不斷成長的疊層晶元、多晶元和疊層封裝結構之中。多晶元封裝被認為是一種有可能替代晶元上系統(SOC)的可行的解決方案。現在還日益湧現出基於階梯形封裝和雙面互連概念的新的封裝形式。
IC封裝材料和封裝技術回顧
製造這些各種各樣的IC封裝時用到的材料十分重要。它們的物理性質、電學性質和化學性質構成了封裝的基礎，並會最終影響到封裝性能的極限。引線框架封裝和層壓基板封裝結構的物理性質有顯而易見的差異；然而，相對於這兩種封裝各不相同的材料性質，人們對於封裝性能要求卻基本一致。進行一次對於封裝組成要素逐點詳述的回顧會有助於展現封裝中選擇的多樣性和性能需求的複雜性。
按照合乎邏輯的次序，理應從引線框架材料開始講起，這是因為使用引線框架的產品仍然在IC封裝中佔據主導地位。引線框架主要用於引線鍵合互連的晶元。能夠焊接引線的表面處理層，如銀或金，被鍍在一個被稱為“內部引線鍵合區”的區域上。這道工藝採用了局部鍍膜方法。由於貴金屬很難同塑封料結合，所以這道工藝成本較高。
用於IC封裝中的引線框架的金屬材料一般根據封裝的要求在幾種材料中選取一種。對於陶瓷封裝，一般選擇合金42或Iconel合金作為引線框架材料，因為這些合金與陶瓷材料基板的熱膨脹係數（CTE）相匹配。因為陶瓷材料的脆性的緣故，CTE匹配對於陶瓷材料很重要。但是，在表面貼裝元件的最後的裝配中，根據尺寸的不同，低CTE材料會對可靠性產生負面影響。這是因為這些低CTE材料與大多數的標準的PCB基板的CTE產生失配。雖然高模量、低CTE的金屬材料作為引線框架材料時，能夠在陶瓷封裝和塑料DIP封裝中表現良好，但是在表面貼裝塑料封裝時，銅是一種更好的引線框架材料。因為銅更加柔軟，能夠更好地保護焊點。銅還具有電導率更高的優點。
由於產業界要面對日益迫近的歐洲新標準的挑戰，因此對於下一級組裝來說引腳表面處理技術顯得日益重要。這一問題在過去幾年之中已經成為了無數論文的主題。其重點是尋找一種長久以來一直使用著的且其性質已為人所熟悉的鉛錫焊料的替代物。由於未來的供應商面臨著激烈的市場競爭，所以並不會存在一個單一的解決方案。在未來的幾年中，人們很有可能對到底採用何種材料作為引線表面處理材料會更加困惑。
晶元粘接材料的作用是將晶元固定在襯底之上。看上去是很簡單的事情，但是對此的要求視應用領域的不同而各不相同。在大多數情況下，晶元粘接用於晶元面朝上的引線鍵合封裝。這種材料要能夠導熱，在有些時候還要能夠導電。為了避免在晶元上產生熱積存，晶元粘接工藝應該保證在粘接材料中沒有空洞。隨著晶元功耗的不斷提高，這一點會變得越加重要。
晶元粘接材料是液態材料或薄膜材料。它們被設計成不會脫氣，因為任何脫氣產物重新沉積在焊盤上都會降低引線鍵合的質量。晶元粘接材料的還起著應力緩衝層的作用，用以防止晶元由於與基板的CTE失配而產生斷裂。如果選取的晶元粘接材料合適，就能夠保證在晶元尺寸封裝（CSP）中在晶元下面重新分佈的I/O的可靠性。經過改良的晶元粘接材料還用於倒裝焊互連中。在這種應用中，IC通常有凸點，而粘附層中分佈有導電顆粒。這種類型的晶元粘接材料也被稱作各向異性導電膠。
再回到引線鍵合封裝。在引線鍵合技術中，主要有三種焊接技術：熱壓焊、熱超聲球焊和室溫超聲楔焊。但只有后兩種焊接技術現在仍然在被廣泛採用。在熱超聲焊中普遍採用金絲。銅絲是另外一種可用的材料，但是需要在富含氮氣的環境下進行焊接。鋁絲則常用在低成本的楔焊中。
層壓基板材料可以替代引線框架用於IC封裝。它經常出現在I/O數很多或者對性能要求很高的封裝中。從上世紀70年代末開始，基板應用在板上晶元（chip-on-board）中。實際上，當仔細觀察板上晶元時，你會清楚地發現它包含有封裝的所有基本元素，可以說它根本上是“現場封裝”。層壓基板封裝結構現在仍在使用中，並且是一種十分重要的IC封裝手段。它可以作為厚膜陶瓷基板和薄膜陶瓷基板的一種低成本的替代品。新型的高溫有機層壓基板受到人們的青睞，不僅因為它們的成本很低，而且它們的電學性能也更加優越（如較低的介電常數）。
塑封料是IC封裝材料中的最後一個組成部分。引線框架主要重新分配了具有精細引腳節距的晶元I/O，而塑封料則具有另外的作用。它的主要作用就是保護晶元和脆弱的互連線免受物理損害和外界環境的不利影響。塑封料的使用一定要謹慎而精確，以免產生引線偏移（沖絲），從而造成引線間的短路。
IC封裝中有三種主要的塑封料。第一種是環氧樹脂和環氧樹脂混合物。作為結構工程領域中常用的樹脂材料，環氧樹脂也是如今最為常見的一種有機樹脂塑封料。環氧樹脂具有良好的綜合性能和熱性能，而且成本相對較低。
硅樹脂材料是IC封裝中另一種常用的塑封料。儘管硅樹脂的製造工藝和固化工藝同有機樹脂的相似，但是由於硅樹脂是含硅的，而不是含碳的，所以它們不能被稱為是有機樹脂。硅樹脂有兩個主要的種類：溶劑型硅樹脂和室溫下可硫化的（RTV）硅樹脂。按照硅樹脂種類的不同，它們的固化機理也不相同。RTV可以通過暴露在潮濕的環境下（室內的濕度）或者加入催化劑來進行固化。相反，溶劑型硅樹脂常通過加熱使溶劑蒸發來進行固化。硅樹脂在一定溫度範圍內(從-65℃到150℃)是柔性的，這就使得它在需要柔性材料的晶元尺寸封裝（CSP）中受到青睞。
最後一種基本塑封料是聚醯亞胺。聚醯亞胺在IC封裝中用作塑封料並不多見。它常用於晶元粘接之中。聚醯亞胺擁有的高溫性能使其能夠在高溫環境中得到應用。
隨著歐盟法規規定要採用一種新材料來替代傳統的焊料，塑封料現在正面臨著要與新焊料相匹配的問題。能夠滿足歐盟法律規定的高錫含量的焊料對高溫有著嚴格的要求，這就導致了其對於濕度更高的敏感性。根據電子工程設計發展聯合會議（JEDEC）中對濕度敏感性的規定，現在大多數的材料在這個指標上低了兩個等級。在封裝時需要更長時間的預烘焙以除去濕氣來防止爆米花開裂現象或殘留濕氣在迴流時爆炸性地外泄。
結論
這篇回顧著重揭示了IC封裝技術在電子產業中所發揮的重要作用，並論證了IC封裝在電子系統設計領域中所處的無可辯駁的重要地位。隨著I/O數量的增加和器件性能要求的不斷提高，可供選擇的封裝類型也越來越多，為那些十分困難的問題提供了解決方案。但它也是對那些尋求單一標準的努力的一種詛咒。可以確切預見的是，總有一天標準會變得不再那麼重要，尤其在IC、封裝和基板一體化設計的概念變得普及之後更是如此。雖然客戶定製化設計會變得更加常見，但是用於製造電子產業鏈中十分重要的具有紐帶性質的封裝產品的工藝和材料卻會相對地保持穩定，只有那些能夠創造巨大效益的研發才能被IC封裝技術所接受。
