先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

摘 要：先進(jìn)封裝技術(shù)不斷發(fā)展變化以適應(yīng)各種半導(dǎo)體新工藝和材料的要求和挑戰(zhàn)。在半導(dǎo)體封裝外部形式變遷的基礎(chǔ)上，著重闡述了半導(dǎo)體后端工序的關(guān)鍵一封裝內(nèi)部連接方式的發(fā)展趨勢(shì)。分析了半導(dǎo)體前端制造工藝的發(fā)展在封裝技術(shù)卜的反映。提出了目前和可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)引線鍵合作為半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接的主流方式與高性能儷成本的倒裝芯片長(zhǎng)期共存，共同和硅片鍵合應(yīng)用在SiP、MCM、3D等新型封裝當(dāng)中的預(yù)測(cè)。

1 半導(dǎo)體封裝外部形式的變遷

半導(dǎo)體前端制造工藝不斷縮小的線寬、更高的集成密度、更大的硅片尺寸在后端封裝上體現(xiàn)為封裝的輸入／輸出數(shù)目不斷增加，體積逐漸縮小和同一封裝內(nèi)的芯片數(shù)目持續(xù)增長(zhǎng)。半導(dǎo)體的封裝形式經(jīng)歷了從初期雙列直插式(DIP：Dual In-line Package)到四邊扁平封裝(QFP：Quad Flat Package)，再到針格陣列(PGA：Pin Grid Array)、球格陣列(BGA：Ball Grid Array)和盤(pán)格陣列(LGA：Land Grid Array)，直至各種形式的芯片尺寸封裝(CSP：Chip Scale／Size Package)和硅片級(jí)封裝(WLP：Wafer Level Package)的發(fā)展過(guò)程(見(jiàn)圖1)。在這一發(fā)展過(guò)程中，半導(dǎo)體封裝的輸入／輸出由最初的沿封裝兩邊的線性排列擴(kuò)展為沿四邊的排列，再進(jìn)一步發(fā)展到封裝的整個(gè)表面內(nèi)的二維陣列。 封裝作為保證集成電路最終電氣、光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著芯片輸入／輸出密度不斷加大、速度不斷加快的趨勢(shì)，技術(shù)難度不斷提高，在半導(dǎo)體制造成本中所占的比例逐漸增加，已經(jīng)成為制約半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。

2 半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接方式的發(fā)展趨勢(shì)

半導(dǎo)體封裝內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部的電氣連接、確保芯片和外界之問(wèn)的輸入／輸出暢通的重要作用，足整個(gè)后端封裝過(guò)程中的關(guān)鍵。封裝的內(nèi)部連接方式主要包括傳統(tǒng)的引線鍵合(Wire Bonding)以及新必的倒裝芯片(F1ip Chip)和硅片鍵合(Wafer Bonding)。

2．1 引線鍵合

引線鍵合以金屬引線的兩端分別與芯片和管腳鍵合而形成電氣連接(見(jiàn)圖2)。引線鍵合從最初應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有50年的歷史，是最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的封裝內(nèi)部連接方式。

2．2 倒裝芯片

倒裝芯片在芯片表面預(yù)先放置焊球(Bump)，翻轉(zhuǎn)后面對(duì)面和封裝焊接在一起(見(jiàn)圖3)。倒裝芯片代表著封裝輸入／輸出數(shù)目不斷增加，內(nèi)部連接性能要求越來(lái)越高的形勢(shì)下，電氣連接由引線向焊球發(fā)展的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)在封裝以外的其它應(yīng)用層次上(例如印刷線路板和芯片)也得到了充分的反映。

倒裝：卷片的凸點(diǎn)(焊球)一般用半導(dǎo)體前端工藝的光刻及蒸發(fā)、電鍍或絲網(wǎng)印刷的方式生成[1]。為了防止焊球金屬(多為鉛錫合金)對(duì)芯片電路的擴(kuò)散，需要在產(chǎn)生凸點(diǎn)前在芯片表面制作球下金屬層(UBM)進(jìn)行隔離。圖4顯示了倒裝芯片凸點(diǎn)制作的典型過(guò)程。首先用濺射生成UBM用的金屬層，然后通過(guò)光刻、刻蝕去除多余的材料在凸點(diǎn)位置形成UBM。其后在UBM之上用蒸發(fā)、電鍍或絲網(wǎng)印刷附著焊料，最后通過(guò)同流形成凸點(diǎn)。

凸點(diǎn)生成也可以采用引線鍵合機(jī)在硅片上直接附著金球的方式來(lái)完成(見(jiàn)圖5)。普通引線鍵合工藝會(huì)在凸點(diǎn)頂部留下一段線尾，需要壓平以便于后續(xù)的倒裝焊。以金球作為凸點(diǎn)的芯片可以采用絕緣膠、各向異性導(dǎo)電膠(沿受壓方向產(chǎn)生導(dǎo)電路徑)、熱壓或熱超聲的方式與封裝連接[2]?；谝€鍵合工藝的硅片凸點(diǎn)生成具有無(wú)需光刻掩模、UBM預(yù)制及焊錫／焊料(無(wú)鉛污染)，導(dǎo)電性好，工藝簡(jiǎn)便靈活的優(yōu)勢(shì)。

2．3 硅片鍵合

集成電路不斷增長(zhǎng)的運(yùn)行速度要求盡量縮短封裝中芯片問(wèn)的連接距離，持續(xù)縮小的封裝尺寸促使芯片三維重疊結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，生產(chǎn)效率的提高需要把單個(gè)芯片的連接上藝擴(kuò)展到整個(gè)硅片卜進(jìn)行。硅片鍵合工藝把多層圓片上下相連同時(shí)形成電氣和機(jī)械連接以滿足這些要求。硅片在鍵合前經(jīng)過(guò)減薄處理以便有效地利用厚度空間。圖6是通過(guò)硅片鍵合上下連接在一起的i層硅片的剖面圖[3]。

常規(guī)的硅片鍵合方式包括擴(kuò)散、共晶、陽(yáng)極電解和中問(wèn)層粘合。另外也存在常溫、無(wú)電壓的鍵合方式。

3 半導(dǎo)體前端制造工藝對(duì)封裝技術(shù)的影響

半導(dǎo)體前端制造工藝的發(fā)展總是直接迅速地反應(yīng)在后端生產(chǎn)技術(shù)上。圖7顯示了引線鍵合及倒裝芯片的焊盤(pán)間距隨半導(dǎo)體集成電路線寬的變化趨勢(shì)[4]。集成電路的線寬將由目前的O．09μm不斷縮小，在2008年達(dá)到0．057μm，直至2018年的0．018μm。與此相應(yīng)，引線鍵合的焊盤(pán)間距將在同一段時(shí)問(wèn)內(nèi)從35μm減小到20μm而倒裝芯片的焊盤(pán)問(wèn)距也由150μm減小到70μm。焊盤(pán)間距隨著前端線寬不斷減小是半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接方式的重要發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，作為芯片到上一級(jí)(封裝或印刷線路板)的連接方式，封裝內(nèi)部連接方式受連接對(duì)象物理尺寸的限制，其焊盤(pán)問(wèn)距不象前端線寬一樣持續(xù)縮小，而是存達(dá)到一定的臨界值后不再顯著變化。這又是封裝技術(shù)不同于前端工藝的重要特性。

4 各種半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接方式的相互關(guān)系

引線鍵合與倒裝芯片作為目前半導(dǎo)體封裝內(nèi)部?jī)煞N代表性的連接方式，關(guān)于各自的發(fā)展趨勢(shì)以及相互問(wèn)的關(guān)系長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)產(chǎn)生了大量的討論和預(yù)測(cè)。

毋庸置疑，倒裝芯片代表著電氣連接由引線向焊球發(fā)展的總趨勢(shì)。倒裝芯片方法形成的電氣連接路徑最短，相應(yīng)的電阻、電感都較小，適合高性能集成電路的封裝。然而倒裝芯片和引線鍵合的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的前者在短時(shí)間內(nèi)迅速全面取代后者。半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)關(guān)于引線鍵合技術(shù)不久即將過(guò)時(shí)并被淘汰的預(yù)測(cè)已經(jīng)存在十多年了，而引線鍵合至今不僅沒(méi)有消失，還依然作為主導(dǎo)的半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接方式活躍在低端到高端的各種封裝形式中并不斷向前發(fā)展。引線鍵合以上藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主導(dǎo)地位，目前所有封裝管腳的90％以上采用引線鍵合連接。圖8給出了由引線鍵合和倒裝芯片完成的內(nèi)連數(shù)的預(yù)測(cè)。可以看出倒裝芯片的增長(zhǎng)速度雖然較快，但直至2011年引線鍵合仍然占主導(dǎo)地位。無(wú)論是封裝行業(yè)多年的事實(shí)還是權(quán)威的預(yù)測(cè)都表明，引線鍵合在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)(目前到2020年)仍將是半導(dǎo)體封裝尤其是低端封裝內(nèi)部連接的主流方式。如前所述，基于引線鍵合工藝的硅片凸點(diǎn)生成可以完成倒裝芯片的關(guān)鍵步驟并且具有相塒于常規(guī)工藝的諸多優(yōu)勢(shì)，這是引線鍵合長(zhǎng)久生命力和向新興連接方式延伸的巨大潛力的有力例證。倒裝芯片發(fā)展迅猛但仍受到成本和可靠性等因素的限制，無(wú)法存大范圍內(nèi)取代引線鍵合向成為主流的封裝內(nèi)部連接方式。它將作為高性能/高成本的內(nèi)部連接方式和引線鍵合長(zhǎng)期共存，共同應(yīng)用在各種新型封裝當(dāng)中。引線鍵合與倒裝芯片都將按照自身的規(guī)律不斷發(fā)展下去。

封裝中系統(tǒng)(SiP)是近年來(lái)半導(dǎo)體封裝的重要趨勢(shì)，代表著未來(lái)的發(fā)展方向。封裝中系統(tǒng)在一個(gè)封裝中集成多個(gè)形式各異、相對(duì)獨(dú)立義緊密相連的模塊以實(shí)現(xiàn)完整強(qiáng)大的功能，具有較短的開(kāi)發(fā)周期和極大的靈活性。圖9顯示了一個(gè)SiP封裝中引線鍵合、倒裝芯片和硅片鍵合各有所用，共同存在的情況。這三種封裝內(nèi)部連接方式將一起長(zhǎng)期被應(yīng)用在未來(lái)的半導(dǎo)體封裝當(dāng)中。

5 結(jié)論

隨著集成電路的發(fā)展，封裝內(nèi)部連接方式呈現(xiàn)出引線向焊球和硅片無(wú)焊球連接等非引線方式以縮短電氣連接路徑并縮小封裝尺寸的總趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的引線鍵合之外發(fā)展了倒裝芯片連接和硅片鍵合工藝。引線鍵合在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍將是半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接的主流方式。倒裝芯片將作為高性能/高成本的內(nèi)部連接方式迅速發(fā)展并和引線鍵合長(zhǎng)期共存，共同和硅片鍵合應(yīng)用在SiP、MCM、3D等新型封裝當(dāng)中。

半導(dǎo)體前端工藝向封裝的延伸(倒裝芯片凸點(diǎn)生成)和封裝技術(shù)向前端工藝的擴(kuò)展(基于引線鍵合的硅片凸點(diǎn)生成)以及封裝工藝由單個(gè)芯片向整個(gè)硅片的過(guò)渡(硅片鍵合)使封裝、芯片和硅片之間的界限目趨模糊，封裝已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)品本質(zhì)和有機(jī)的組成部份。