1 前言

　　電路產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jì)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?fàn)顩r和特點(diǎn),。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(jì)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?fàn)顩r和特點(diǎn)。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(dǎo)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(shí)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(jī)系統(tǒng),，這封裝應(yīng)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(yīng)該把現(xiàn)有的認(rèn)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(jì)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(jì)八十年代以后,，以表面安裝類型的四邊引線封裝為主。當(dāng)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(yīng),，批適應(yīng)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(yīng)運(yùn)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(dǎo)產(chǎn)品,。第三階段,，在二十世紀(jì)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(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面,，BGA的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)：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(dāng)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(zhǔn)"效應(yīng),，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(yùn)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(yīng)用于表面安裝,，這是它的主要優(yōu)點(diǎn),。但是當(dāng)PQFP的引線節(jié)距達(dá)到0.5mm時，它的組裝的復(fù)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(yīng)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(diǎn)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(qiáng),；③可返修強(qiáng),。

　　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(jī)器按設(shè)定的程式走完,，在溫度zui時按下進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)材料：Au,、PbSn和AuSn等,；凸點(diǎn)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(jī)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(rèn)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(diǎn)：①近似芯片尺寸的小型封裝；②保護(hù)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)外,，它還具有的優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn),，即輕,、薄、短,、?。虎叟c前工序相比,，只是增加了引腳重新布線（RDL）和凸點(diǎn)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(dǎo)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(diǎn)和PCB板的接觸面積較大，所以內(nèi)存芯片在運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量可以很地傳導(dǎo)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(fù)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(yīng)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(jī),；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(dá)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)制作可采用電鍍法,、化學(xué)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(diǎn)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(dāng)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jī)和其它消費(fèi)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(jìn)很快能批量生產(chǎn)并投入市場,。據(jù)Prismarks預(yù)測，的手機(jī)銷售量將從2001年的393M增加到2006年的785M～1140M,。年增長率達(dá)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小,；另種是懸梁式,，疊層的芯片尺寸樣大。應(yīng)用于手機(jī)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(jī)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(jī)械研磨,、化學(xué)刻蝕或ADP（Atmosphere DownstreamPlasma）。機(jī)械研磨減薄般在150μm左右,。而用等離子刻蝕方法可達(dá)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(diǎn)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(fù)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(shí)現(xiàn)電子整機(jī)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(shí)現(xiàn)電子整機(jī)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(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的功能,。從學(xué)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(yīng)用市場,。在上和應(yīng)用上都是相互補(bǔ)充的關(guān)系,，作者認(rèn)為,，SOC應(yīng)主要用于應(yīng)用周期較長的產(chǎn)品，而SIP主要用于應(yīng)用周期較短的消費(fèi)類產(chǎn)品,。

　　SIP 的個重要特點(diǎn)是它不定義要建立的會話的類型,，而只定義應(yīng)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(yīng)用和服務(wù)中,，包括交互式游戲、音樂和視頻點(diǎn)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(jī)樣重用 MIME 類型描述,，因此與會話相關(guān)的應(yīng)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(kuò)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(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的功能,。主要的優(yōu)點(diǎn)包括：①采用現(xiàn)有商用元器件,，制造成本較低；②產(chǎn)品進(jìn)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(shí)現(xiàn),。美國佐治亞理工學(xué)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(yù)期達(dá)到的目標(biāo)包括布線密度達(dá)到6000cm/cm2;熱密度達(dá)到100W/cm2;元件密度達(dá)到5000/cm2;I/O密度達(dá)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(jī)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,。

　　（2）微電子封裝必須與時俱進(jìn)才能發(fā)展,。微電子封裝的歷史證明了這點(diǎn),。我國微電子封裝如何與時俱進(jìn)？當(dāng)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(dǎo)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(diǎn)上,，我們可以很好地借鑒韓國和中國臺灣的經(jīng)驗,。

　　（3）度重視微電子三封裝的垂直集成,。我們應(yīng)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(jì)效益,，不斷發(fā)展。我們曾倡議把手機(jī)和作為平臺發(fā)展我國的微電子封裝,，就是出于這種考慮,。

　　（4）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(yīng)該充分發(fā)揮電子學(xué)會各分會的作用,，積組織這種交流。

　?。?）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。