新型微電子封裝技術探討

　1 前言

　　本文試圖綜述自二十世紀九十年代以來迅速發(fā)展的新型微電子封裝技術，包括焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、圓片級封裝(WLP)、三維封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項技術。介紹它們的發(fā)展狀況和技術特點。同時，敘述了微電子三級封裝的概念。并對發(fā)展我國新型微電子封裝技術提出了一些思索和建議。

　　2 微電子三級封裝

　　微電子封裝，首先我們要敘述一下三級封裝的概念。一般說來，微電子封裝分為三級。所謂一級封裝就是在半導體圓片裂片以后，將一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。一級封裝包括單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)兩大類。應該說，一級封裝包含了從圓片裂片到電路測試的整個工藝過程，即我們常說的后道封裝，還要包含單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)的設計和制作，以及各種封裝材料如引線鍵合絲、引線框架、裝片膠和環(huán)氧模塑料等內容。這一級也稱芯片級封裝。二級封裝就是將一級微電子封裝產品連同無源元件一同安裝到印制板或其它基板上，成為部件或整機。這一級所采用的安裝技術包括通孔安裝技術(THT)、表面安裝技術(SMT)和芯片直接安裝技術(DCA)。二級封裝還應該包括雙層、多層印制板、柔性電路板和各種基板的材料、設計和制作技術。這一級也稱板級封裝。三級封裝就是將二級封裝的產品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連結起來，形成三維立體封裝，構成完整的整機系統(tǒng)，這一級封裝應包括連接器、迭層組裝和柔性電路板等相關材料、設計和組裝技術。這一級也稱系統(tǒng)級封裝。所謂微電子封裝是個整體的概念，包括了從一極封裝到三極封裝的全部技術內容。在國際上，微電子封裝是一個很廣泛的概念，包含組裝和封裝的多項內容。微電子封裝所包含的范圍應包括單芯片封裝(SCP)設計和制造、多芯片封裝(MCM)設計和制造、芯片后封裝工藝、各種封裝基板設計和制造、芯片互連與組裝、封裝總體電性能、機械性能、熱性能和可靠性設計、封裝材料、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項內容。有人說，微電子封裝就是封裝外殼;又有人說微電子封裝不過是無源元件，不可能是有源;還有人說，微電子封裝不過是個包封體，可有可無，等等。這些看法都是片面的，不正確的。我們應該把現(xiàn)有的認識納入國際微電子封裝的軌道，這樣既有利于我國微電子封裝界與國外的技術交流，也有利于我國微電子封裝自身的發(fā)展。

　　3 新型微電子封裝技術

　　集成電路封裝的歷史，其發(fā)展主要劃分為三個階段。第一階段，在二十世紀七十年代之前，以插裝型封裝為主。包括最初的金屬圓形(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，由于性能優(yōu)良、成本低廉又能批量生產而成為主流產品。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，表面安裝技術被稱作電子封裝領域的一場革命，得到迅猛發(fā)展。與之相適應，一批適應表面安裝技術的封裝形式，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。由于密度高、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝，使PQFP成為這一時期的主導產品。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。二十世紀九十年代初，集成電路發(fā)展到了超大規(guī)模階段，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度發(fā)展，因此集成電路封裝從四邊引線型向平面陣列型發(fā)展，發(fā)明了焊球陣列封裝(BGA)，并很快成為主流產品。后來又開發(fā)出了各種封裝體積更小的CSP。也就是在同一時期，多芯片組件(MCM)蓬勃發(fā)展起來，也被稱為電子封裝的一場革命。因基板材料的不同分為多層陶瓷基板MCM(MCM-C)。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)。與此同時，由于電路密度和功能的需要，3D封裝和系統(tǒng)封裝(SIP)也迅速發(fā)展起來。本文就把在二十世紀九十年代以來發(fā)展起來的封裝稱為新型微電子封裝。下面就對BGA、CSP、3D和SIP分別進行敘述。

　　3.1焊球陣列封裝(BGA)

　　陣列封裝(BGA)是世界上九十年代初發(fā)展起來的一種新型封裝。

這種BGA的突出的優(yōu)點：①電性能更好：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封裝密度更高;由于焊球是整個平面排列，因此對于同樣面積，引腳數(shù)更高。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備完全相容，安裝更可靠;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，大大提高了組裝成品率;⑤BGA引腳牢固，轉運方便;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得到爆炸性的發(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，它的組裝技術的復雜性將會增加。所以PQFP一般用于較低引線數(shù)(208條)和較小的封裝休尺寸(28mm見方)。因此，在引線數(shù)大于200條以上和封裝體尺寸超過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)CBGA最有·希望成為發(fā)展最快的BGA封裝，我們不妨以它為例，敘述BGA的工藝技術和材料。FCBGA除了具有BGA的所有優(yōu)點以外，還具有：①熱性能優(yōu)良，芯片背面可安裝散熱器;②可靠性高，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲勞壽命大大增強;③可返修性強。

　　FCBGA所涉及的關鍵技術包括芯片凸點制作技術、倒裝芯片焊接技術、多層印制板制作技術(包括多層陶瓷基板和BT樹脂基板)、芯片底部填充技術、焊球附接技術、散熱板附接技術等。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：高溫共燒陶瓷基板(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，國際上FCBGA的典型系列示于表1。

　　3.2 芯片尺寸封裝(CSP)

　　芯片尺寸封裝(CSP)和BGA是同一時代的產物，是整機小型化、便攜化的結果。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120%的封裝稱為CSP。由于許多CSP采用BGA的形式，所以最近兩年封裝界權威人士認為，焊球節(jié)距大于等于lmm的為BGA，小于lmm的為CSP。由于CSP具有更突出的優(yōu)點：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保護裸芯片;③電、熱性優(yōu)良;④封裝密度高;⑤便于測試和老化;⑥便于焊接、安裝和修整更換。因此，九十年代中期得到大跨度的發(fā)展，每年增長一倍左右。由于CSP正在處于蓬勃發(fā)展階段，因此，它的種類有限多。如剛性基板CSP、柔性基板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和圓片級CSP(WLCSP)等。CSP的引腳節(jié)距一般在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。

　　一般地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，它的全部或大部分工藝步驟是在已完成前工序的硅圓片上完成的，最后將圓片直接切割成分離的獨立器件。所以這種封裝也稱作圓片級封裝(WLP) 。因此，除了CSP的共同優(yōu)點外，它還具有獨特的優(yōu)點：①封裝加工效率高，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、小;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，其余全部是傳統(tǒng)工藝;④減少了傳統(tǒng)封裝中的多次測試。因此世界上各大型IC封裝公司紛紛投入這類WLCSP的研究、開發(fā)和生產。WLCSP的不足是目前引腳數(shù)較低，還沒有標準化和成本較高。圖4示出了WLCSP的外形圖。圖5示出了這種WLCSP的工藝流程。

　　WLCSP所涉及的關鍵技術除了前工序所必須的金屬淀積技術、光刻技術、蝕刻技術等以外，還包括重新布線(RDL)技術和凸點制作技術。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二級封裝較寬的焊盤節(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)技術。另外將方形鋁焊盤改為易于與焊料粘接的圓形銅焊盤，重新布線中濺射的凸點下金屬(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu應有足夠的厚度(如數(shù)百微米)，以便使焊料凸點連接時有足夠的強度，也可以用電鍍加厚Cu層。焊料凸點制作技術可采用電鍍法、化學鍍法、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍法最為廣泛，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。