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(shù)。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(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。 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：一種是在各類基板內(nèi)或多層布線介質(zhì)層中"埋置"R、C或IC等元器件，最上層再貼裝SMC和SMD來(lái)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，最上層再貼裝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(gè)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。在這些3D封裝類型中，發(fā)展最快的是疊層裸芯片封裝。原因有兩個(gè)。一是巨大的手機(jī)和其它消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，要求在增加功能的同時(shí)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(guò)改進(jìn)很快能批量生產(chǎn)并投入市場(chǎng)。據(jù)Prismarks預(yù)測(cè)，世界的手機(jī)銷售量將從2001年的393M增加到2006年的785M～1140M。年增長(zhǎng)率達(dá)到15～24%。因此在這個(gè)基礎(chǔ)上估計(jì)，疊層裸芯片封裝從目前到2006年將以50～60%的速度增長(zhǎng)。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(shì)示于表3。

　　疊層裸芯片封裝有兩種疊層方式，一種是金字塔式，從底層向上裸芯片尺寸越來(lái)越小;另一種是懸梁式，疊層的芯片尺寸一樣大。應(yīng)用于手機(jī)的初期，疊層裸芯片封裝主要是把FlashMemory和SRAM疊在一起，目前已能把FlashMemory、DRAM、邏輯IC和模擬IC等疊在一起。疊層裸芯片封裝所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個(gè)。①圓片減薄技術(shù)，由于手機(jī)等產(chǎn)品要求封裝厚度越來(lái)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)械研磨減薄一般在150μm左右。而用等離子刻蝕方法可達(dá)到100μm，對(duì)于75-50μm的減薄正在研發(fā)中;②低弧度鍵合，因?yàn)樾酒穸刃∮?50μm，所以鍵合弧度高必須小于150μm。目前采用25μm金絲的正常鍵合弧高為125μm，而用反向引線鍵合優(yōu)化工藝后可以達(dá)到75μm以下的弧高。與此同時(shí)，反向引線鍵合技術(shù)要增加一個(gè)打彎工藝以保證不同鍵合層的間隙;③懸梁上的引線鍵合技術(shù)，懸梁越長(zhǎng)，鍵合時(shí)芯片變形越大，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝;④圓片凸點(diǎn)制作技術(shù);⑤鍵合引線無(wú)擺動(dòng)(NOSWEEP)模塑技術(shù)。由于鍵合引線密度更高，長(zhǎng)度更長(zhǎng)，形狀更復(fù)雜，增加了短路的可能性。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的轉(zhuǎn)移速度有助于減小鍵合引線的擺動(dòng)。目前已發(fā)明了鍵合引線無(wú)擺動(dòng)(NOSWEEP)模塑技術(shù)。

　　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(gè)途徑。一種是系統(tǒng)級(jí)芯片(Systemon Chip)，簡(jiǎn)稱SOC。即在單一的芯片上實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)系統(tǒng)的功能;另一種是系統(tǒng)級(jí)封裝(SysteminPackage)，簡(jiǎn)稱SIP。即通過(guò)封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的功能。從學(xué)術(shù)上講，這是兩條技術(shù)路線，就象單片集成電路和混合集成電路一樣，各有各的優(yōu)勢(shì)，各有各的應(yīng)用市場(chǎng)。在技術(shù)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(zhǎng)的高性能產(chǎn)品，而SIP主要用于應(yīng)用周期較短的消費(fèi)類產(chǎn)品。

　　SIP是使用成熟的組裝和互連技術(shù)，把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無(wú)源元件如電容、電感等集成到一個(gè)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(chǎng)的周期短;③無(wú)論設(shè)計(jì)和工藝，有較大的靈活性;④把不同類型的電路和元件集成在一起，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院PRC研究開(kāi)發(fā)的單級(jí)集成模塊(SingleIntegrated Module)簡(jiǎn)稱SLIM，就是SIP的典型代表，該項(xiàng)目完成后，在封裝效率、性能和可靠性方面提高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還是一種新技術(shù)，目前尚不成熟，但仍然是一個(gè)有發(fā)展前景的技術(shù)，尤其在中國(guó)，可能是一個(gè)發(fā)展整機(jī)系統(tǒng)的捷徑。

　　4 思考和建議

　　面對(duì)世界蓬勃發(fā)展的微電子封裝形勢(shì)，分析我國(guó)目前的現(xiàn)狀，我們必須深思一些問(wèn)題。

　　(1)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)展的核心技術(shù)，是電子行業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)之一，誰(shuí)掌握了它，誰(shuí)就將掌握電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的未來(lái)。

　　(2)微電子封裝必須與時(shí)俱進(jìn)才能發(fā)展。國(guó)際微電子封裝的歷史證明了這一點(diǎn)。我國(guó)微電子封裝如何與時(shí)俱進(jìn)?當(dāng)務(wù)之急是研究我國(guó)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(guó)微電子封裝的科研生產(chǎn)體系。三是積極倡導(dǎo)和大力發(fā)展屬于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)。否則，我們將越跟蹤越落后。在這一點(diǎn)上，我們可以很好地借鑒韓國(guó)和臺(tái)灣的經(jīng)驗(yàn)。

　　(3)高度重視微電子三級(jí)封裝的垂直集成。我們應(yīng)該以電子系統(tǒng)為龍頭，牽動(dòng)一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)封裝，方能占領(lǐng)市場(chǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益，不斷發(fā)展。我們?cè)h把手機(jī)和雷達(dá)作為技術(shù)平臺(tái)發(fā)展我國(guó)的微電子封裝，就是出于這種考慮。

　　(4)高度重視不同領(lǐng)域和技術(shù)的交叉及融合。不同材料的交叉和融合產(chǎn)生新的材料;不同技術(shù)交叉和融合產(chǎn)生新的技術(shù);不同領(lǐng)域的交叉和融合產(chǎn)生新的領(lǐng)域。我們國(guó)家已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，在電子學(xué)會(huì)，已經(jīng)有不少分會(huì)和機(jī)構(gòu)。技術(shù)領(lǐng)域已涉及電子電路、電子封裝、表面貼裝、電子裝聯(lián)、電子材料、電子專用設(shè)備、電子焊接和電子電鍍等。過(guò)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(huì)各分會(huì)的作用，積極組織這種技術(shù)交流。

　　(5)我們的觀念、技術(shù)和管理必須與國(guó)際接軌，走國(guó)際合作之路，把我們民族的精華與精彩的世界溶為一體，共同發(fā)展。