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,。