探討新型微電子封裝技術(shù)

　1 前言

　　本文試圖綜述自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)迅速發(fā)展的新型微電子封裝技術(shù)，包括焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、圓片級(jí)封裝(WLP)、三維封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項(xiàng)技術(shù)。介紹它們的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，敘述了微電子三級(jí)封裝的概念。并對(duì)發(fā)展我國(guó)新型微電子封裝技術(shù)提出了一些思索和建議。

　　2 微電子三級(jí)封裝

　　微電子封裝，首先我們要敘述一下三級(jí)封裝的概念。一般說(shuō)來(lái)，微電子封裝分為三級(jí)。所謂一級(jí)封裝就是在半導(dǎo)體圓片裂片以后，將一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來(lái)，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(dòng)鍵合(TAB)和倒裝芯片鍵合(FCB)連接起來(lái)，使之成為有實(shí)用功能的電子元器件或組件。一級(jí)封裝包括單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)兩大類。應(yīng)該說(shuō)，一級(jí)封裝包含了從圓片裂片到電路測(cè)試的整個(gè)工藝過(guò)程，即我們常說(shuō)的后道封裝，還要包含單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)的設(shè)計(jì)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(nèi)容。這一級(jí)也稱芯片級(jí)封裝。二級(jí)封裝就是將一級(jí)微電子封裝產(chǎn)品連同無(wú)源元件一同安裝到印制板或其它基板上，成為部件或整機(jī)。這一級(jí)所采用的安裝技術(shù)包括通孔安裝技術(shù)(THT)、表面安裝技術(shù)(SMT)和芯片直接安裝技術(shù)(DCA)。二級(jí)封裝還應(yīng)該包括雙層、多層印制板、柔性電路板和各種基板的材料、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)。這一級(jí)也稱板級(jí)封裝。三級(jí)封裝就是將二級(jí)封裝的產(chǎn)品通過(guò)選層、互連插座或柔性電路板與母板連結(jié)起來(lái)，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機(jī)系統(tǒng)，這一級(jí)封裝應(yīng)包括連接器、迭層組裝和柔性電路板等相關(guān)材料、設(shè)計(jì)和組裝技術(shù)。這一級(jí)也稱系統(tǒng)級(jí)封裝。所謂微電子封裝是個(gè)整體的概念，包括了從一極封裝到三極封裝的全部技術(shù)內(nèi)容。在國(guó)際上，微電子封裝是一個(gè)很廣泛的概念，包含組裝和封裝的多項(xiàng)內(nèi)容。微電子封裝所包含的范圍應(yīng)包括單芯片封裝(SCP)設(shè)計(jì)和制造、多芯片封裝(MCM)設(shè)計(jì)和制造、芯片后封裝工藝、各種封裝基板設(shè)計(jì)和制造、芯片互連與組裝、封裝總體電性能、機(jī)械性能、熱性能和可靠性設(shè)計(jì)、封裝材料、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項(xiàng)內(nèi)容。有人說(shuō)，微電子封裝就是封裝外殼;又有人說(shuō)微電子封裝不過(guò)是無(wú)源元件，不可能是有源;還有人說(shuō)，微電子封裝不過(guò)是個(gè)包封體，可有可無(wú)，等等。這些看法都是片面的，不正確的。我們應(yīng)該把現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)納入國(guó)際微電子封裝的軌道，這樣既有利于我國(guó)微電子封裝界與國(guó)外的技術(shù)交流，也有利于我國(guó)微電子封裝自身的發(fā)展。

　　3 新型微電子封裝技術(shù)

　　集成電路封裝的歷史，其發(fā)展主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段。第一階段，在二十世紀(jì)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(lái)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(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(shí)，表面安裝技術(shù)被稱作電子封裝領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，得到迅猛發(fā)展。與之相適應(yīng)，一批適應(yīng)表面安裝技術(shù)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(wú)引線四邊扁平封裝等封裝形式應(yīng)運(yùn)而生，迅速發(fā)展。由于密度高、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝，使PQFP成為這一時(shí)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。二十世紀(jì)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(chǎn)品。后來(lái)又開(kāi)發(fā)出了各種封裝體積更小的CSP。也就是在同一時(shí)期，多芯片組件(MCM)蓬勃發(fā)展起來(lái)，也被稱為電子封裝的一場(chǎng)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(shí)，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(lái)。本文就把在二十世紀(jì)九十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的封裝稱為新型微電子封裝。下面就對(duì)BGA、CSP、3D和SIP分別進(jìn)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(lái)的一種新型封裝。

這種BGA的突出的優(yōu)點(diǎn)：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(gè)平面排列，因此對(duì)于同樣面積，引腳數(shù)更高。例如邊長(zhǎng)為31mm的BGA，當(dāng)焊球節(jié)距為1mm時(shí)有900只引腳，相比之下，邊長(zhǎng)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)備完全相容，安裝更可靠;④由于焊料熔化時(shí)的表面張力具有自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)，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(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(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(shí)，它的組裝技術(shù)的復(fù)雜性將會(huì)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(jiàn)方)。因此，在引線數(shù)大于200條以上和封裝體尺寸超過(guò)28mm見(jiàn)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)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(shù)和材料。FCBGA除了具有BGA的所有優(yōu)點(diǎn)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(qiáng);③可返修性強(qiáng)。

　　FCBGA所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括芯片凸點(diǎn)制作技術(shù)、倒裝芯片焊接技術(shù)、多層印制板制作技術(shù)(包括多層陶瓷基板和BT樹(shù)脂基板)、芯片底部填充技術(shù)、焊球附接技術(shù)、散熱板附接技術(shù)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(wú)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(shù)脂基板;底部填充材料：液態(tài)樹(shù)脂;導(dǎo)熱膠：硅樹(shù)脂;散熱板：銅。目前，國(guó)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(shí)代的產(chǎn)物，是整機(jī)小型化、便攜化的結(jié)果。美國(guó)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(quán)威人士認(rèn)為，焊球節(jié)距大于等于lmm的為BGA，小于lmm的為CSP。由于CSP具有更突出的優(yōu)點(diǎn)：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保護(hù)裸芯片;③電、熱性優(yōu)良;④封裝密度高;⑤便于測(cè)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(zhǎng)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(diǎn)芯片載體(BCC)、QFN型CSP、芯片迭層型CSP和圓片級(jí)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(gè)IC芯片后再實(shí)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(dú)立器件。所以這種封裝也稱作圓片級(jí)封裝(WLP) 。因此，除了CSP的共同優(yōu)點(diǎn)外，它還具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①封裝加工效率高，可以多個(gè)圓片同時(shí)加工;②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)制作兩個(gè)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(cè)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。WLCSP的不足是目前引腳數(shù)較低，還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵技術(shù)除了前工序所必須的金屬淀積技術(shù)、光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)等以外，還包括重新布線(RDL)技術(shù)和凸點(diǎn)制作技術(shù)。通常芯片上的引出端焊盤(pán)是排到在管芯周邊的方形鋁層，為了使WLP適應(yīng)了SMT二級(jí)封裝較寬的焊盤(pán)節(jié)距，需將這些焊盤(pán)重新分布，使這些焊盤(pán)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(shù)。另外將方形鋁焊盤(pán)改為易于與焊料粘接的圓形銅焊盤(pán)，重新布線中濺射的凸點(diǎn)下金屬(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu應(yīng)有足夠的厚度(如數(shù)百微米)，以便使焊料凸點(diǎn)連接時(shí)有足夠的強(qiáng)度，也可以用電鍍加厚Cu層。焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)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(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。