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淺談微電子封裝

時間:2013/5/28閱讀:3823

1 前言

  電路產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵,,而集成電路設(shè)計,、制造和封裝測試是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大產(chǎn)業(yè)之柱。這已是各和業(yè)界的共識,。微電子封裝不但直接影響著集成電路本身的電能,、機械能、光能和熱能,,影響其和成本,,還在很大程度上決定著電子整機系統(tǒng)的小型化、多功能化,、和成本,,微電子封裝越來越受到人們的普遍重視,在和正處于蓬勃發(fā)展階段,。本文試圖綜述自二十世紀九十年代以來迅速發(fā)展的微電子封裝,,包括焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP),、圓片封裝(WLP),、三維封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項。介紹它們的發(fā)展狀況和特點,。同時,敘述了微電子三封裝的概念。并對發(fā)展我國微電子封裝提出了些思索和建議,。本文試圖綜述自二十世紀九十年代以來迅速發(fā)展的微電子封裝,,包括焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP),、圓片封裝(WLP),、三維封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項。介紹它們的發(fā)展狀況和特點,。同時,,敘述了微電子三封裝的概念。并對發(fā)展我國微電子封裝提出了些思索和建議,。

  2 微電子三封裝

  微電子封裝,,先我們要敘述下三封裝的概念。般說來,,微電子封裝分為三,。所謂封裝就是在半導體圓片裂片以后,將個或多個集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來,,并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合(WB),、載帶自動鍵合(TAB)和倒裝芯片鍵合(FCB)連接起來,使之成為有實用功能的電子元器件或組件,。封裝包括單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)兩大類,。三封裝就是將二封裝的產(chǎn)品通過選層、互連插座或柔電路板與母板連結(jié)起來,,形成三維立體封裝,,構(gòu)成完整的整機系統(tǒng),這封裝應包括連接器,、迭層組裝和柔電路板等相關(guān)材料,、設(shè)計和組裝。這也稱系統(tǒng)封裝,。所謂微電子封裝是個整體的概念,,包括了從封裝到三封裝的內(nèi)容。我們應該把現(xiàn)有的認識納入微電子封裝的軌道,,這樣既有利于我國微電子封裝界與國外的交流,,也有利于我國微電子封裝自身的發(fā)展。

  3 微電子封裝

  集成電路封裝的歷史,,其發(fā)展主要劃分為三個階段,。*階段,在二十世紀七十年代之前,,以插裝型封裝為主,。包括zui初的金屬圓形(TO型)封裝,,后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷-玻璃雙列直插封裝(CerDIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP),。尤其是PDIP,,由于能、成本低廉又能批量生產(chǎn)而成為主流產(chǎn)品,。第二階段,,在二十世紀八十年代以后,以表面安裝類型的四邊引線封裝為主,。當時,,表面安裝被稱作電子封裝領(lǐng)域的場革命,得到迅猛發(fā)展,。與之相適應,,批適應表面安裝的封裝形式,如塑料有引線片式裁體(PLCC),、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP),、塑料小外形封裝(PSOP)以及無引線四邊扁平封裝等封裝形式應運而生,迅速發(fā)展,。由于密度,、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝,,使PQFP成為這時期的主導產(chǎn)品,。第三階段,在二十世紀九十年代以后,,以面陣列封裝形式為主,。薄膜多層基板MCM(MCM-D),塑料多層印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜基板MCM(MCM-C/D),。

  3.1焊球陣列封裝(BGA)

  陣列封裝(BGA)是上九十年代初發(fā)展起來的種封裝,。

  BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面,BGA的優(yōu)點是I/O引腳數(shù)雖然增加了,,但引腳間距并沒有減小反而增加了,,從而提了組裝成品率;雖然它的功耗增加,,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,,從而可以改善它的電熱能;厚度和重量都較以前的封裝有所減少,;寄生參數(shù)減小,,信號傳輸延遲小,使用頻率大大提,;組裝可用共面焊接,,,。

  這種BGA的突出的優(yōu)點:①電能好:BGA用焊球代替引線,引出路徑短,,減少了引腳延遲,、電阻,、電容和電感,;②封裝密度;由于焊球是整個平面排列,,因此對于同樣面積,,引腳數(shù)。例如邊長為31mm的BGA,,當焊球節(jié)距為1mm時有900只引腳,,相比之下,邊長為32mm,,引腳節(jié)距為0.5mm的QFP只有208只引腳,;③BGA的節(jié)距為1.5mm、1.27mm,、1.0mm,、0.8mm、0.65mm和0.5mm,,與現(xiàn)有的表面安裝工藝和設(shè)備相容,,安裝可靠;④由于焊料熔化時的表面張力具有"自對準"效應,,避免了傳統(tǒng)封裝引線變形的損失,,大大提了組裝成品率;⑤BGA引腳牢固,,轉(zhuǎn)運方便,;⑥焊球引出形式同樣適用于多芯片組件和系統(tǒng)封裝。因此,,BGA得到爆炸的發(fā)展,。BGA因基板材料不同而有塑料焊球陣列封裝(PBGA),陶瓷焊球陣列封裝(CBGA),,載帶焊球陣列封裝(TBGA),,帶散熱器焊球陣列封裝(EBGA),金屬焊球陣列封裝(MBGA),,還有倒裝芯片焊球陣列封裝(FCBGA,。PQFP可應用于表面安裝,這是它的主要優(yōu)點,。但是當PQFP的引線節(jié)距達到0.5mm時,,它的組裝的復雜將會增加,。在引線數(shù)大于200條以上和封裝體尺寸過28mm見方的應用中,BGA封裝取代PQFP是必然的,。在以上幾類BGA封裝中,,F(xiàn)CBGAzui有·希望成為發(fā)展zui快的BGA封裝,我們不妨以它為例,,敘述BGA的工藝和材料,。FCBGA除了具有BGA的優(yōu)點以外,還具有:①熱能,,芯片背面可安裝散熱器,;②,由于芯片下填料的作用,,使FCBGA抗疲勞壽命大大增強,;③可返修強。

  因為表面組裝板上已經(jīng)裝有其他元器件,,因此必須采用BGA小模板,,模板厚度與開口尺寸要根據(jù)球徑和球距確定,印刷完畢后必須檢查印刷質(zhì)量,,如不合格,,必須將PCB清洗干凈并涼干后重新印刷。對于球距為0.4mm以下的CSP,,可以不印焊膏,,因此不需要加工返修用的模板,直接在PCB的焊盤上涂刷膏狀助焊劑,。需要拆元件的PCB放到焊爐里,,按下再流焊鍵,等機器按設(shè)定的程式走完,,在溫度zui時按下進出鍵,,用真空吸筆取下要拆下的元件,PCB板冷卻即可,。

  FCBGA所涉及的關(guān)鍵包括芯片凸點制作,、倒裝芯片焊接、多層印制板制作(包括多層陶瓷基板和BT樹脂基板),、芯片底部填充,、焊球附接、散熱板附接等,。它所涉及的封裝材料主要包括以下幾類,。凸點材料:Au、PbSn和AuSn等;凸點下金屬化材料:Al/Niv/Cu,、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料:PbSn焊料,、無鉛焊料;多層基板材料:溫共燒陶瓷基板(HTCC),、低溫共燒陶瓷基板(LTCC),、BT樹脂基板,;底部填充材料:液態(tài)樹脂,;導熱膠:硅樹脂,;散熱板:銅。目前,,上FCBGA的系列示于表1,。

  3.2 芯片尺寸封裝(CSP)

  CSP(Chip Scale Package)封裝,是芯片封裝的意思,。CSP封裝代的內(nèi)存芯片封裝,其能又有了新的提升,。CSP封CSP封裝裝可以讓芯片面積與封裝面積之比過1:1.14,,已經(jīng)相當接近1:1的理想情況,尺寸也有32平方毫米,,約為普通的BGA的1/3,,相當于TSOP內(nèi)存芯片面積的1/6。與BGA封裝相比,,同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提三倍,。

  芯片尺寸封裝(CSP)和BGA是同時代的產(chǎn)物,是整機小型化,、便攜化的結(jié)果,。美國JEDEC給CSP的定義是:LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯片面積12的封裝稱為CSP。由于許多CSP采用BGA的形式,,所以zui近兩年封裝界人士認為,,焊球節(jié)距大于等于lmm的為BGA,小于lmm的為CSP,。由于CSP具有突出的優(yōu)點:①近似芯片尺寸的小型封裝,;②保護裸芯片;③電,、熱,;④封裝密度;⑤便于測試和老化,;⑥便于焊接,、安裝和修整換。因此,,九十年代中期得到大跨度的發(fā)展,,每年增長倍左右,。由于CSP正在處于蓬勃發(fā)展階段,因此,,它的種類有限多,。如剛基板CSP、柔基板CSP,、引線框架型CSP,、微小模塑型CSP、焊區(qū)陣列CSP,、微型BGA,、凸點芯片載體(BCC)、QFN型CSP,、芯片迭層型CSP和圓片CSP(WLCSP)等,。CSP的引腳節(jié)距般在1.0mm以下,有1.0mm,、0.8mm,、0.65mm、0.5mm,、0.4mm,、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列,。

  般地CSP,,都是將圓片切割成單個IC芯片后再實施后道封裝的,而WLCSP則不同,,它的或大部分工藝步驟是在已完成前工序的硅圓片上完成的,,zui后將圓片直接切割成分離的立器件。所以這種封裝也稱作圓片封裝(WLP) ,。因此,,除了CSP的共同優(yōu)點外,它還具有的優(yōu)點:①封裝加工效率,,可以多個圓片同時加工,;②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點,即輕,、薄,、短、??;③與前工序相比,只是增加了引腳重新布線(RDL)和凸點制作兩個工序,其余是傳統(tǒng)工藝,;④減少了傳統(tǒng)封裝中的多次測試,。因此上各大型IC封裝公司紛紛投入這類WLCSP的研究、開發(fā)和生產(chǎn),。WLCSP的不足是目前引腳數(shù)較低,,還沒有化和成本較。圖4示出了WLCSP的外形圖,。圖5示出了這種WLCSP的工藝流程,。

  CSP封裝內(nèi)存芯片的中心引腳形式地縮短了信號的傳導距離,其衰減隨之減少,,芯片的,、抗噪能也能得到大幅提升,這也使得CSP的存取時間比BGA改善15%-2,。在CSP的封裝方式中,,內(nèi)存顆粒是通過個個錫球焊接在PCB板上,由于焊點和PCB板的接觸面積較大,,所以內(nèi)存芯片在運行中所產(chǎn)生的熱量可以很地傳導到PCB板上并散發(fā)出去,。CSP封裝可以從背面散熱,且熱效率良好,,CSP的熱阻為35℃/W,而TSOP熱阻40℃/W,。

  CSP是在電子產(chǎn)品的新?lián)Q代時提出來的,,它的目的是在使用大芯片(芯片功能多,能好,,芯片復雜)替代以前的小芯片時,,其封裝體占用印刷板的面積保持不變或小。正是由于CSP產(chǎn)品的封裝體小,、薄,,因此它的手持式移動電子設(shè)備中迅速獲得了應用。在1996年8月,,日本Sharp公司就開始了批量生產(chǎn)CSP產(chǎn)品,;在1996年9月,日本索尼公司開始用日本TI和NEC公司提供的CSP產(chǎn)品組裝攝像機,;在1997年,,美國也開始生產(chǎn)CSP產(chǎn)品。上有幾十家公司可以提供CSP產(chǎn)品,,CSP產(chǎn)品品種多達百種以上,。[

  WLCSP所涉及的關(guān)鍵除了前工序所必須的金屬淀積、光刻、蝕刻等以外,,還包括重新布線(RDL)和凸點制作,。通常芯片上的引出端焊盤是排到在管芯周邊的方形鋁層,為了使WLP適應了SMT二封裝較寬的焊盤節(jié)距,,需將這些焊盤重新分布,,使這些焊盤由芯片周邊排列改為芯片有源面上陣列排布,這就需要重新布線(RDL),。焊料凸點制作可采用電鍍法,、化學鍍法、蒸發(fā)法,、置球法和焊膏印刷法,。目前仍以電鍍法,其次是焊膏印刷法,。重新布線中UBM材料為Al/Niv/Cu,、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。所用的介質(zhì)材料為光敏BCB(苯并環(huán)丁烯)或PI(聚酰亞胺)凸點材料有Au,、PbSn,、AuSn、In等,。 3.3 3D封裝

  3D封裝主要有三種類型,,即埋置型3D封裝,當前主要有三種途徑:種是在基板內(nèi)或多層布線介質(zhì)層中"埋置"R,、C或IC等元器件,,zui上層再貼裝SMC和SMD來實現(xiàn)立體封裝,這種結(jié)構(gòu)稱為埋置型3D封裝,;第二種是在硅圓片規(guī)模集成(WSl)后的有源基板上再實行多層布線,,zui上層再貼裝SMC和SMD,從而構(gòu)成立體封裝,,這種結(jié)構(gòu)稱為有源基板型3D封裝,;第三種是在2D封裝的基礎(chǔ)上,把多個裸芯片,、封裝芯片,、多芯片組件甚至圓片進行疊層互連,構(gòu)成立體封裝,,這種結(jié)構(gòu)稱作疊層型3D封裝,。原因有兩個。是巨大的手機和其它消費類產(chǎn)品市場的驅(qū)動,,要求在增加功能的同時減薄封裝厚度,。二是它所用的工藝基本上與傳統(tǒng)的工藝相容,,經(jīng)過改進很快能批量生產(chǎn)并投入市場。據(jù)Prismarks預測,,的手機銷售量將從2001年的393M增加到2006年的785M~1140M,。年增長率達到15~24%。因此在這個基礎(chǔ)上估計,,疊層裸芯片封裝從目前到2006年將以50~6的速度增長,。圖6示出了疊層裸芯片封裝的外形。它的目前水平和發(fā)展趨勢示于表3,。

  疊層裸芯片封裝有兩種疊層方式,,種是金字塔式,從底層向上裸芯片尺寸越來越??;另種是懸梁式,疊層的芯片尺寸樣大,。應用于手機的初期,,疊層裸芯片封裝主要是把FlashMemory和SRAM疊在起,目前已能把FlashMemory,、DRAM,、邏輯IC和模擬IC等疊在起。疊層裸芯片封裝所涉及的關(guān)鍵有如下幾個,。①圓片減薄,,由于手機等產(chǎn)品要求封裝厚度越來越薄,目前封裝厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm,。而疊層芯片數(shù)又不斷增加,,因此要求芯片必須減薄。圓片減薄的方法有機械研磨,、化學刻蝕或ADP(Atmosphere DownstreamPlasma)。機械研磨減薄般在150μm左右,。而用等離子刻蝕方法可達到100μm,,對于75-50μm的減薄正在研發(fā)中;②低弧度鍵合,,因為芯片厚度小于150μm,,所以鍵合弧度必須小于150μm。與此同時,,反向引線鍵合要增加個打彎工藝以不同鍵合層的間隙,;③懸梁上的引線鍵合,懸梁越長,,鍵合時芯片變形越大,,必須優(yōu)化設(shè)計和工藝,;④圓片凸點制作;⑤鍵合引線無擺動(NOSWEEP)模塑,。由于鍵合引線密度,,長度長,形狀復雜,,增加了短路的可能,。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的轉(zhuǎn)移速度減小鍵合引線的擺動。目前已發(fā)明了鍵合引線無擺動(NOSWEEP)模塑,。

  3.4系統(tǒng)封裝(SIP)

  實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能,,通常有兩個途徑。種是系統(tǒng)芯片(Systemon Chip),,簡稱SOC,。即在單的芯片上實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能;另種是系統(tǒng)封裝(SysteminPackage),,簡稱SIP,。即通過封裝來實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。從學術(shù)上講,,這是兩條路線,,就象單片集成電路和混合集成電路樣,各有各的優(yōu)勢,,各有各的應用市場,。在上和應用上都是相互補充的關(guān)系,作者認為,,SOC應主要用于應用周期較長的產(chǎn)品,,而SIP主要用于應用周期較短的消費類產(chǎn)品。

  SIP 的個重要特點是它不定義要建立的會話的類型,,而只定義應該如何管理會話,。有了這種靈活,也就意味著SIP可以用于眾多應用和服務(wù)中,,包括交互式游戲,、音樂和視頻點播以及語音、視頻和 Web 會議,。SIP消息是基于文本的,,因而易于讀取和調(diào)試。新服務(wù)的編程加簡單,,對于設(shè)計人員而言加直觀,。SIP如同電子郵件客戶機樣重用 MIME 類型描述,因此與會話相關(guān)的應用程序可以自動啟動,。SIP 重用幾個現(xiàn)有的比較成熟的 Internet 服務(wù)和協(xié)議,,如 DNS,、RTP、RSVP 等,。

  SIP 較為靈活,,可擴展,而且是開放的,。它激發(fā)了 Internet 以及固定和移動 IP 網(wǎng)絡(luò)推出服務(wù)的威力,。SIP 能夠在多臺 PC 和上完成網(wǎng)絡(luò)消息,模擬 Internet 建立會話,。

  SIP是使用成熟的組裝和互連,,把集成電路如CMOS電路、GaAs電路,、SiGe電路或者光電子器件,、MEMS器件以及無源元件如電容、電感等集成到個封裝體內(nèi),,實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能,。主要的優(yōu)點包括:①采用現(xiàn)有商用元器件,制造成本較低,;②產(chǎn)品進入市場的周期短,;③無論設(shè)計和工藝,有較大的靈活,;④把不同類型的電路和元件集成在起,,相對實現(xiàn)。美國佐治亞理工學院PRC研究開發(fā)的單集成模塊(SingleIntegrated Module)簡稱SLIM,,就是SIP的,,該項目完成后,在封裝效率,、能和方面提10倍,,尺寸和成本較大下降。到2010年預期達到的目標包括布線密度達到6000cm/cm2;熱密度達到100W/cm2;元件密度達到5000/cm2;I/O密度達到3000/cm2,。

  盡管SIP還是種新,,目前尚不成熟,但仍然是個有發(fā)展前景的,,尤其在中國,可能是個發(fā)展整機系統(tǒng)的捷徑,。

  4 思考和建議

  面對蓬勃發(fā)展的微電子封裝形勢,,分析我國目前的現(xiàn)狀,我們必須深思些問題,。

 ?。?)微電子封裝與電子產(chǎn)品密不可分,,已經(jīng)成為制約電子產(chǎn)品乃至系統(tǒng)發(fā)展的核心,是電子行業(yè)制造,,誰掌握了它,,誰就將掌握電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的未來。

 ?。?)微電子封裝必須與時俱進才能發(fā)展,。微電子封裝的歷史證明了這點。我國微電子封裝如何與時俱進,?當務(wù)之急是研究我國微電子封裝的發(fā)展戰(zhàn)略,,制訂發(fā)展規(guī)劃。二是優(yōu)化我國微電子封裝的科研生產(chǎn)體系,。三是積倡導和大力發(fā)展屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng),。否則,我們將越跟蹤越落后,。在這點上,,我們可以很好地借鑒韓國和中國臺灣的經(jīng)驗。

 ?。?)度重視微電子三封裝的垂直集成,。我們應該以電子系統(tǒng)為,牽動,、二和三封裝,,方能占領(lǐng)市場,提經(jīng)濟效益,,不斷發(fā)展,。我們曾倡議把手機和作為平臺發(fā)展我國的微電子封裝,就是出于這種考慮,。

 ?。?)度重視不同領(lǐng)域和的交叉及融合。不同材料的交叉和融合產(chǎn)生新的材料,;不同交叉和融合產(chǎn)生新的,;不同領(lǐng)域的交叉和融合產(chǎn)生新的領(lǐng)域。過去,,同行業(yè)交流很多,,但不同行業(yè)交流不夠。我們應該充分發(fā)揮電子學會各分會的作用,,積組織這種交流,。

  (5)我們的觀念,、和管理必須與接軌,,走合作之路,,把我們民族的精華與精彩的溶為體,共同發(fā)展,。
 
 

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