1 前言
电路产业已成为国民经济发展的关键,而集成电路设计、制造和封装测试是集成电路产业发展的三大产业之柱。这已是各和业界的共识。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电能、机械能、光能和热能,影响其和成本,还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、和成本,微电子封装越来越受到人们的普遍重视,在和正处于蓬勃发展阶段。本文试图综述自二十世纪九十年代以来迅速发展的微电子封装,包括焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、圆片封装(WLP)、三维封装(3D)和系统封装(SIP)等项。介绍它们的发展状况和特点。同时,叙述了微电子三封装的概念。并对发展我国微电子封装提出了些思索和建议。本文试图综述自二十世纪九十年代以来迅速发展的微电子封装,包括焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、圆片封装(WLP)、三维封装(3D)和系统封装(SIP)等项。介绍它们的发展状况和特点。同时,叙述了微电子三封装的概念。并对发展我国微电子封装提出了些思索和建议。
2 微电子三封装
微电子封装,先我们要叙述下三封装的概念。般说来,微电子封装分为三。所谓封装就是在半导体圆片裂片以后,将个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来,并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB)和倒装芯片键合(FCB)连接起来,使之成为有实用功能的电子元器件或组件。封装包括单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类。三封装就是将二封装的产品通过选层、互连插座或柔电路板与母板连结起来,形成三维立体封装,构成完整的整机系统,这封装应包括连接器、迭层组装和柔电路板等相关材料、设计和组装。这也称系统封装。所谓微电子封装是个整体的概念,包括了从封装到三封装的内容。我们应该把现有的认识纳入微电子封装的轨道,这样既有利于我国微电子封装界与国外的交流,也有利于我国微电子封装自身的发展。
3 微电子封装
集成电路封装的历史,其发展主要划分为三个阶段。*阶段,在二十世纪七十年代之前,以插装型封装为主。包括zui初的金属圆形(TO型)封装,后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷-玻璃双列直插封装(CerDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)。尤其是PDIP,由于能、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。第二阶段,在二十世纪八十年代以后,以表面安装类型的四边引线封装为主。当时,表面安装被称作电子封装领域的场革命,得到迅猛发展。与之相适应,批适应表面安装的封装形式,如塑料有引线片式裁体(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)以及无引线四边扁平封装等封装形式应运而生,迅速发展。由于密度、引线节距小、成本低并适于表面安装,使PQFP成为这时期的主导产品。第三阶段,在二十世纪九十年代以后,以面阵列封装形式为主。薄膜多层基板MCM(MCM-D),塑料多层印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜基板MCM(MCM-C/D)。
3.1焊球阵列封装(BGA)
阵列封装(BGA)是上九十年代初发展起来的种封装。
BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,BGA的优点是I/O引脚数虽然增加了,但引脚间距并没有减小反而增加了,从而提了组装成品率;虽然它的功耗增加,但BGA能用可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善它的电热能;厚度和重量都较以前的封装有所减少;寄生参数减小,信号传输延迟小,使用频率大大提;组装可用共面焊接,。
这种BGA的突出的优点:①电能好:BGA用焊球代替引线,引出路径短,减少了引脚延迟、电阻、电容和电感;②封装密度;由于焊球是整个平面排列,因此对于同样面积,引脚数。例如边长为31mm的BGA,当焊球节距为1mm时有900只引脚,相比之下,边长为32mm,引脚节距为0.5mm的QFP只有208只引脚;③BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm,与现有的表面安装工艺和设备相容,安装可靠;④由于焊料熔化时的表面张力具有"自对准"效应,避免了传统封装引线变形的损失,大大提了组装成品率;⑤BGA引脚牢固,转运方便;⑥焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此,BGA得到爆炸的发展。BGA因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装(PBGA),陶瓷焊球阵列封装(CBGA),载带焊球阵列封装(TBGA),带散热器焊球阵列封装(EBGA),金属焊球阵列封装(MBGA),还有倒装芯片焊球阵列封装(FCBGA。PQFP可应用于表面安装,这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距达到0.5mm时,它的组装的复杂将会增加。在引线数大于200条以上和封装体尺寸过28mm见方的应用中,BGA封装取代PQFP是必然的。在以上几类BGA封装中,FCBGAzui有·希望成为发展zui快的BGA封装,我们不妨以它为例,叙述BGA的工艺和材料。FCBGA除了具有BGA的优点以外,还具有:①热能,芯片背面可安装散热器;②,由于芯片下填料的作用,使FCBGA抗疲劳寿命大大增强;③可返修强。
因为表面组装板上已经装有其他元器件,因此必须采用BGA小模板,模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定,印刷完毕后必须检查印刷质量,如不合格,必须将PCB清洗干净并凉干后重新印刷。对于球距为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的焊盘上涂刷膏状助焊剂。需要拆元件的PCB放到焊炉里,按下再流焊键,等机器按设定的程式走完,在温度zui时按下进出键,用真空吸笔取下要拆下的元件,PCB板冷却即可。
FCBGA所涉及的关键包括芯片凸点制作、倒装芯片焊接、多层印制板制作(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充、焊球附接、散热板附接等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料:Au、PbSn和AuSn等;凸点下金属化材料:Al/Niv/Cu、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料:PbSn焊料、无铅焊料;多层基板材料:温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)、BT树脂基板;底部填充材料:液态树脂;导热胶:硅树脂;散热板:铜。目前,上FCBGA的系列示于表1。
3.2 芯片尺寸封装(CSP)
CSP(Chip Scale Package)封装,是芯片封装的意思。CSP封装代的内存芯片封装,其能又有了新的提升。CSP封CSP封装装可以让芯片面积与封装面积之比过1:1.14,已经相当接近1:1的理想情况,尺寸也有32平方毫米,约为普通的BGA的1/3,相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比,同等空间下CSP封装可以将存储容量提三倍。
芯片尺寸封装(CSP)和BGA是同时代的产物,是整机小型化、便携化的结果。美国JEDEC给CSP的定义是:LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积12的封装称为CSP。由于许多CSP采用BGA的形式,所以zui近两年封装界人士认为,焊球节距大于等于lmm的为BGA,小于lmm的为CSP。由于CSP具有突出的优点:①近似芯片尺寸的小型封装;②保护裸芯片;③电、热;④封装密度;⑤便于测试和老化;⑥便于焊接、安装和修整换。因此,九十年代中期得到大跨度的发展,每年增长倍左右。由于CSP正在处于蓬勃发展阶段,因此,它的种类有限多。如刚基板CSP、柔基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片CSP(WLCSP)等。CSP的引脚节距般在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,都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的,而WLCSP则不同,它的或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的,zui后将圆片直接切割成分离的立器件。所以这种封装也称作圆片封装(WLP) 。因此,除了CSP的共同优点外,它还具有的优点:①封装加工效率,可以多个圆片同时加工;②具有倒装芯片封装的优点,即轻、薄、短、小;③与前工序相比,只是增加了引脚重新布线(RDL)和凸点制作两个工序,其余是传统工艺;④减少了传统封装中的多次测试。因此上各大型IC封装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低,还没有化和成本较。图4示出了WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流程。
CSP封装内存芯片的中心引脚形式地缩短了信号的传导距离,其衰减随之减少,芯片的、抗噪能也能得到大幅提升,这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%-2。在CSP的封装方式中,内存颗粒是通过个个锡球焊接在PCB板上,由于焊点和PCB板的接触面积较大,所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很地传导到PCB板上并散发出去。CSP封装可以从背面散热,且热效率良好,CSP的热阻为35℃/W,而TSOP热阻40℃/W。
CSP是在电子产品的新换代时提出来的,它的目的是在使用大芯片(芯片功能多,能好,芯片复杂)替代以前的小芯片时,其封装体占用印刷板的面积保持不变或小。正是由于CSP产品的封装体小、薄,因此它的手持式移动电子设备中迅速获得了应用。在1996年8月,日本Sharp公司就开始了批量生产CSP产品;在1996年9月,日本索尼公司开始用日本TI和NEC公司提供的CSP产品组装摄像机;在1997年,美国也开始生产CSP产品。上有几十家公司可以提供CSP产品,CSP产品品种多达百种以上。[
WLCSP所涉及的关键除了前工序所必须的金属淀积、光刻、蚀刻等以外,还包括重新布线(RDL)和凸点制作。通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层,为了使WLP适应了SMT二封装较宽的焊盘节距,需将这些焊盘重新分布,使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布,这就需要重新布线(RDL)。焊料凸点制作可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法,其次是焊膏印刷法。重新布线中UBM材料为Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。所用的介质材料为光敏BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)凸点材料有Au、PbSn、AuSn、In等。 3.3 3D封装
3D封装主要有三种类型,即埋置型3D封装,当前主要有三种途径:种是在基板内或多层布线介质层中"埋置"R、C或IC等元器件,zui上层再贴装SMC和SMD来实现立体封装,这种结构称为埋置型3D封装;第二种是在硅圆片规模集成(WSl)后的有源基板上再实行多层布线,zui上层再贴装SMC和SMD,从而构成立体封装,这种结构称为有源基板型3D封装;第三种是在2D封装的基础上,把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连,构成立体封装,这种结构称作叠层型3D封装。原因有两个。是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动,要求在增加功能的同时减薄封装厚度。二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容,经过改进很快能批量生产并投入市场。据Prismarks预测,的手机销售量将从2001年的393M增加到2006年的785M~1140M。年增长率达到15~24%。因此在这个基础上估计,叠层裸芯片封装从目前到2006年将以50~6的速度增长。图6示出了叠层裸芯片封装的外形。它的目前水平和发展趋势示于表3。
叠层裸芯片封装有两种叠层方式,种是金字塔式,从底层向上裸芯片尺寸越来越小;另种是悬梁式,叠层的芯片尺寸样大。应用于手机的初期,叠层裸芯片封装主要是把FlashMemory和SRAM叠在起,目前已能把FlashMemory、DRAM、逻辑IC和模拟IC等叠在起。叠层裸芯片封装所涉及的关键有如下几个。①圆片减薄,由于手机等产品要求封装厚度越来越薄,目前封装厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm。而叠层芯片数又不断增加,因此要求芯片必须减薄。圆片减薄的方法有机械研磨、化学刻蚀或ADP(Atmosphere DownstreamPlasma)。机械研磨减薄般在150μm左右。而用等离子刻蚀方法可达到100μm,对于75-50μm的减薄正在研发中;②低弧度键合,因为芯片厚度小于150μm,所以键合弧度必须小于150μm。与此同时,反向引线键合要增加个打弯工艺以不同键合层的间隙;③悬梁上的引线键合,悬梁越长,键合时芯片变形越大,必须优化设计和工艺;④圆片凸点制作;⑤键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑。由于键合引线密度,长度长,形状复杂,增加了短路的可能。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的转移速度减小键合引线的摆动。目前已发明了键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑。
3.4系统封装(SIP)
实现电子整机系统的功能,通常有两个途径。种是系统芯片(Systemon Chip),简称SOC。即在单的芯片上实现电子整机系统的功能;另种是系统封装(SysteminPackage),简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲,这是两条路线,就象单片集成电路和混合集成电路样,各有各的优势,各有各的应用市场。在上和应用上都是相互补充的关系,作者认为,SOC应主要用于应用周期较长的产品,而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品。
SIP 的个重要特点是它不定义要建立的会话的类型,而只定义应该如何管理会话。有了这种灵活,也就意味着SIP可以用于众多应用和服务中,包括交互式游戏、音乐和视频点播以及语音、视频和 Web 会议。SIP消息是基于文本的,因而易于读取和调试。新服务的编程加简单,对于设计人员而言加直观。SIP如同电子邮件客户机样重用 MIME 类型描述,因此与会话相关的应用程序可以自动启动。SIP 重用几个现有的比较成熟的 Internet 服务和协议,如 DNS、RTP、RSVP 等。
SIP 较为灵活,可扩展,而且是开放的。它激发了 Internet 以及固定和移动 IP 网络推出服务的威力。SIP 能够在多台 PC 和上完成网络消息,模拟 Internet 建立会话。
SIP是使用成熟的组装和互连,把集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及无源元件如电容、电感等集成到个封装体内,实现整机系统的功能。主要的优点包括:①采用现有商用元器件,制造成本较低;②产品进入市场的周期短;③无论设计和工艺,有较大的灵活;④把不同类型的电路和元件集成在起,相对实现。美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单集成模块(SingleIntegrated Module)简称SLIM,就是SIP的,该项目完成后,在封装效率、能和方面提10倍,尺寸和成本较大下降。到2010年预期达到的目标包括布线密度达到6000cm/cm2;热密度达到100W/cm2;元件密度达到5000/cm2;I/O密度达到3000/cm2。
尽管SIP还是种新,目前尚不成熟,但仍然是个有发展前景的,尤其在中国,可能是个发展整机系统的捷径。
4 思考和建议
面对蓬勃发展的微电子封装形势,分析我国目前的现状,我们必须深思些问题。
(1)微电子封装与电子产品密不可分,已经成为制约电子产品乃至系统发展的核心,是电子行业制造,谁掌握了它,谁就将掌握电子产品和系统的未来。
(2)微电子封装必须与时俱进才能发展。微电子封装的历史证明了这点。我国微电子封装如何与时俱进?当务之急是研究我国微电子封装的发展战略,制订发展规划。二是优化我国微电子封装的科研生产体系。三是积倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创。否则,我们将越跟踪越落后。在这点上,我们可以很好地借鉴韩国和中国台湾的经验。
(3)度重视微电子三封装的垂直集成。我们应该以电子系统为,牵动、二和三封装,方能占领市场,提经济效益,不断发展。我们曾倡议把手机和作为平台发展我国的微电子封装,就是出于这种考虑。
(4)度重视不同领域和的交叉及融合。不同材料的交叉和融合产生新的材料;不同交叉和融合产生新的;不同领域的交叉和融合产生新的领域。过去,同行业交流很多,但不同行业交流不够。我们应该充分发挥电子学会各分会的作用,积组织这种交流。
(5)我们的观念、和管理必须与接轨,走合作之路,把我们民族的精华与精彩的溶为体,共同发展。
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