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1、1、乙 a刖B本文试图综述自二十世纪九十年代以来迅速开展的新型微电子封装技术，包括焊球阵 列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、圆片级封装(WLP)、三维封装(3D)和系统封装(SIP)等 项技术。介绍它们的开展状况和技术特点。同时，表达了微电子三级封装的概念。并对发 展我国新型微电子封装技术提出了一些思索和建议。2微电子三级封装微电子封装，首先我们要表达一下三级封装的概念。一般说来，微电子封装分为三级。 所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后，将一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)
2、连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片 组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类。应该说，一级封装包含了从圆片裂片到电路测试 的整个工艺过程，即我们常说的后道封装，还耍包含单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM) 的设计和制作，以及各种封装材料如引线键合丝、引线框架、装片胶和环氧模塑料等内容。 这一级也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装到印 制板或其它基板上，成为部件或整机。这一级所采用的安装技术包括通孔安装技术(THT)、 外表安装技术(SMT)和芯片直接安装技术(DCA)。二级封装还应该包括双层、多层印制板、 柔性电路板和各种
3、基板的材料、设计和制作技术。这一级也称板级封装。三级封装就是将 二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性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，这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材料、设 计和组装技术。这一级也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从一极 封装到三极封装的全部技术内容。在国际上，微电子封装是一个很广泛的概念，包含组装 和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCP)设计和制造、多芯片 封装(MCM)设计和制造、芯片后封装工艺、各种封装基板设计和制造、芯片互连与组装、 封装总体电性能、机械性能、热性能和可靠性设计、
4、封装材料、封装工模夹具以及绿色封 装等多项内容。有人说，微电子封装就是封装外壳;又有人说微电子封装不过是无源元件， 不可能是有源;还有人说，微电子封装不过是个包封体，可有可无，等等。这些看法都是片 面的，不正确的。我们应该把现有的认识纳入国际微电子封装的轨道，这样既有利于我国 微电子封装界与国外的技术交流，也有利于我国微电子封装自身的开展。3新型微电子封装技术集成电路封装的历史，其开展主要划分为三个阶段。第一阶段，在二十世纪七十年代 之前，以插装型封装为主。包括最初的金属圆形(丁。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
5、)。尤其是PDIP,由于 性能优良、本钱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, 以外表安装类型的四边引线封装为主。当时，外表安装技术被称作电子封装领域的一场革 命，得到迅猛开展。与之相适应，一批适应外表安装技术的封装形式，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，迅速开展。由于密度高、引线节距小、本钱低并适于外表安装, 使PQFP成为这一时期的主导产品。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。二十世纪九十年代初，集成电路开展到了超大规模阶段，要求集成电
6、路封装向 更高密度和更高速度开展，因此集成电路封装从四边引线型向平面阵列型开展，创造了焊 球阵列封装(BGA),并很快成为主流产品。后来又开发出了各种封装体积更小的CSP。也 就是在同一时期，多芯片组件(MCM)蓬勃开展起来，也被称为电子封装的一场革命。因基 板材料的不同分为多层陶瓷基板MCM(MCM-C)。薄膜多层基板MCM(MCM-D),塑料多层 印制板MCM(MCML)和厚薄膜基板MCM(MCM-C/D)。与此同时，由于电路密度和功能的需 要，3D封装和系统封装(SIP)也迅速开展起来。本文就把在二十世纪九十年代以来开展起 来的封装称为新型微电子封装。下面就对BGA、CSP、3D和SIP
7、分别进行表达。3.1焊球阵列封装(BGA)阵列封装(BGA)是世界上九十年代初开展起来的一种新型封装。这种BGA的突出的优点：电性能更好：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;封装密度更高;由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积, 引脚数更高。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只弓I脚;BGA的节距为1.5mm、1.27mm 1.0mm、0.8mm 0.65mm和0.5mm,与现有的外表安装工艺和设备完全相容, 安装更可靠;由于焊料熔化时的外表张力具有自对准效应，防止
8、了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率;BGA引脚牢固，转运方便;焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA得到爆炸性的开展。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 阵歹U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 可应用于外表安装，这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距到达0.5mm时，它的组 装技术的复杂性将会增加。所以PQFP一般用于较低引线数(208条)和较小的封装休尺寸 (28mm见方)。因此，在引线数大于200条以上
9、和封装体尺寸超过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，FCBGA最有,希望成为开展最快 的BGA封装，我们不妨以它为例，表达BGA的工艺技术和材料。FCBGA除了具有BGA的所有优点以外，还具有：热性能优良，芯片反面可安装散热器;可靠性高，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲劳寿命大大增强;可返修性强。FCBGA所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术、倒装芯片焊接技术、多层印制板制 作技术(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充技术、焊球附接技术、散热板附 接技术等。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
10、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：高温共烧陶瓷基板(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，国际上FCBGA的典型系列示于表 lo3.2芯片尺寸封装(CSP)芯片尺寸封装(CSP)和BGA是同一时代的产物，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120%的封装称为 CSPo由于许多CSP采用BGA的形式，所以最近两年封装界权威人士认为，焊球节距大于等于1mm的为BGA,
11、小于1mm的为CSP。由于CSP具有更突出的优点：近似芯片尺寸 的超小型封装;保护裸芯片;电、热性优良;封装密度高;便于测试和老化;便于焊 接、安装和修整更换。因此，九十年代中期得到大跨度的开展，每年增长一倍左右。由于 CSP正在处于蓬勃开展阶段，因此，它的种类有限多。如刚性基板CSP、柔性基板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和圆片级CSP(WLCSP)等。CSP的引脚节距一般在1.0mm以下， 有 LOmm、0.8mm 0.65mm 0.5mm 0.4mm 0,3mm 和 0.25mm 等。表
12、 2 示出了 CSP 系列。一般地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那么不同, 它的全部或大局部工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成 别离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP) o因此，除了 CSP的共同优点外, 它还具有独特的优点：封装加工效率高，可以多个圆片同时加工;具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小;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，其余全部是传统工艺;减少了传统封装中的屡次测试。因此世界上各大型IC封 装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的缺乏是目前引脚
13、数较低，还 没有标准化和本钱较高。图4示出了 WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流 程。WLCSP所涉及的关键技术除了前工序所必须的金属淀积技术、光刻技术、蚀刻技术等 以外，还包括重新布线(RDL)技术和凸点制作技术。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二级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) 技术。另外将方形铝焊盘改为易于与焊料粘接的圆形铜焊盘，重新布线中溅射的凸点下金 属(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu应有足够的厚度(如数百微米)，以便使焊料凸点连接时有足够 的强度，也可以用电镀加厚Cu层。焊料凸点制作技术可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、 置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法最为广泛，其次是焊膏印刷法。重新布线中UBM材 料为Al/Niv/Cu. Tl/Cu/Ni或Ti/W/AUo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。