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1、 21 世纪微电子技术的高速发展，随之带动的是一系列产业的发展。信息、能源、通讯各类新兴产业的发展离不开微电子技术。而微电子封装技术是微电子技术中最关键和核心的技术。微电子封装体(Package)和芯片Chip 或die)通过封装工艺(Packaging)组合成一个微电子器件Device),通常封装为芯片威管芯)提供电通路、散热通路、机械支撑、环境防护等，所以微电子封装是微电器件的2 个基本组成部分之器件的许多可靠性性能都是由封装的性能决定的3。致力于发展微电子封装技术的人们把目光投在以下4 个方面：极低的成本。薄、轻、便捷。极高的性能。各种不同的功能包括各类不同的半导体芯片11。1 微电子封
2、装技术的发展历程 微电子封装技术的发展经历了3 个阶段：第一阶段是20 世纪70 年代中期，由双直列封装技术(DIP)为代表的针脚插入型转变为四边引线扁平封装型(QPF),与DIP 相比,QFP 的封装尺寸大大减小，具有操作方便、可靠性高、适用于SMT 表面安装技术在PCB 上安装布线，由于封装外形尺寸小，寄生参数减小，特别适合高频应用2。第二阶段是20 世纪90 年代中期，以球栅阵列端子BGA 型封装为标志，随后又出现了各种封装体积更小的芯片尺寸封装(CSP)。与QPF 相比,BGA 引线短，散热好、电噪小且其封装面积更小、引脚数量更多、适合大规模生产。第三阶段是本世纪初，由于多芯片系统封装
3、SIP 出现，将封装引入了一个全新的时代。2 微电子封装的主流技术 目前的主流技术集中在BGA、CSP以及小节距的QPF等封装技术上，并向埋置型三维封装、有源基板型三维封装、叠层型三维封装即三维封装和系统封装的方向发展。2.1BGACSP 封装 球栅阵列封装BGA 在 GPU、主板芯片组等大规模集成电路封装有广泛应用。它的I/O 引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大,引线长度短，这样BGA 消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题4。BGA 技术包括很多种类如陶瓷封装 BGA(CBGA)、塑料封装BGA 仰 6 八)以及从丨6 八(86 八)。86 八具有下述
4、优点：I/O引线间距大(如 1.0mm,1.27mm),可容纳的I/O数目大，如 1.27mm间距的BGA在 25mm边长的面积上可容纳350个 I/O,而 0.5mm间距的QFP在 40mm边长的面积上只容纳304个 I/O。封装可靠性高,不会损坏引脚，焊点缺陷率低,焊点牢固气 管脚水平面同一性较QFP 容易保证，因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差,而且其引脚牢固运转方便。为了追求对电路组件更小型化、更多功能、更高可靠性的要求，CSP 作为BGA 同时代的产品应运而生。CSP 与 BGA 结构基本一样,只是锡球直径和球中心距缩小了，更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多
5、的丨/O 数，使组装密度进_步提高，可以说CSP 是缩小了的BGA。美国 JEDEC 给出的CSP 定义为：LSI 芯片封装面积小于或等于LSI 芯片面积120%。但是近几年来封装界的权威人士均把CSP 定义为焊球节距小于1mm 的封装,而大于1mm 的就看做是BGA。CSP 除了具有BGA 的优点以外，其更精细的封装还有很多独特的优点，其特殊的代表是WLCSP。通常,CSP 都是将圆片切割成单个芯片后再实施后道封装的，而 WLCSP 则不同,它的全部或大部分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分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP)。这样，它还具有独特
6、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和凸点制作2 个工序，其余全部是传统工艺。减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型封装公司纷纷投人这类WLCSP 的研究、开发和生产。WLCSP 的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高6。2.23D 封装 SIP 有多种定义和解释，其中一说是多芯片堆叠的3D 封装内系统集成，在芯片的正方向堆叠2 片以上互连的裸芯片的封装。SIP 是强调封装内包含了某种系统的功能封装,3D 封装仅强调在芯片方向上的多芯片堆叠，如今3D 封装已从芯片堆叠发展到封装堆叠,扩大了3D
7、 封装的内涵7。3D 封装的形式有很多种，主要可分为填埋型、有源基板型和叠层型等3 类。填埋型三维立体封装出现上世纪80 年代，它是将元器件填埋在基板多层布线内或填埋、制作在基板内部，它不但能灵活方便地制作成填埋型，而且还可以作为1C 芯片后布线互连技术，使填埋的压焊点与多层布线互连起来。这就可以大大减少焊接点,提高电子部件封装的可靠性。有源基板型是用硅圆片集技术，做基板时先采用一般半导体1C,制作方法作一次元器件集成化,形成有源基板,然后再实施多层布线，顶层再安装各种其他1C 芯片或元器件，实现3D 封装。叠层型三维立体封装是将LSI、VLSU2D-MCM,甚至WSI或者已封装的器件,无间隙
8、的层层叠装互连而成。这类叠层型是应用最为广泛的种，其工艺技术不但应用了许多成熟的组装互连技术，还发展了垂直互连技术，使叠层型封装成为发展势头最迅猛发展速度最快的3D 封装。但有源基板型 3D 封装却是人们一直力求实现的封装。伴随着手机的大量使用，手机的功能越来越强大，既要实现轻、薄、小又要功能强大，这其中离不开的就是叠层型的3D 封装。目前有许多种基于堆叠方法的3D 封装，主要包括:硅片与硅片的堆叠W2W)、芯片与硅片的堆叠D2W)以及芯片与芯片的堆叠D2D)。归纳起来其主要堆叠方式可以通过2 种方法实现:封装内的裸片堆叠和封装堆叠，封装堆叠又可分为封装内的封装堆叠和封装间的封装堆叠。裸片堆叠
9、的封装主要有2 种,一是MCP,二是SC-SP。MCP 涵盖SCSP,SCSP 是 MCP 的延伸。SCSP 的芯片尺寸比MCP 有更严格的规定，通常MCP 是多个存储器芯片的堆叠，而SCSP 是多个存储器和逻辑器件芯片的堆叠。裸片堆叠的关键技术是：圆片的减薄技术，目前一般综合采用研磨、深反应离子刻蚀法和化学机械拋光法等工艺，通常减薄到小于50m,为确保电路的性能和芯片的可靠性，业内人士认为晶圆减薄的极限为20m 左右。低弧度键合技术。因为芯片厚度小于150m,所以键合弧度必须小于这个值。目前采用的 25m金丝的正常键合弧高为125m,而用反向引线键合优化工艺可以达到75m 以下的弧高。与此同
10、时，反向引线键合工艺增加_个打弯工艺以保证不同键合层的间隙。封装堆叠又称封装内的封装堆叠，它有2 种形式：是PIP。PIP 是一种在BAP(基础装配封装)上部堆叠经过完全测试的内部堆叠模块，以形成单CSP 解决方案的3D 封装。二是POP。它是一种板安装过程中的3D 封装，在其内部，经过完整测试的封装如单芯片FBGA(窄节距网格焊球阵列)或堆叠芯片FBGA 被堆叠到另外一片单芯片FBGA 典型的存储器芯片)或堆叠芯片FBGA 典型的基带或模拟芯片)的上部。封装堆叠的优点是：能堆叠来自不同供应商的混合集成电路技术的芯片,允许在堆叠之前进行预烧和检测。封装堆叠包括翻转一个已经检测过的封装，并堆叠到
11、个基底封装上面，后续的互连可以采用线焊工艺。2.3SIP 系统封装 系统级封装(systeminpackage,SIP)是指将不同种类的元件，通过不同种技术，混载于同_封装体内，由此构成系统集成封装形式。我们经常混淆2 个概念系统封装SIP 和系统级芯片SOC。迄今为止，在 1C 芯片领域,SOC 系统级芯片是最高级的芯片;在 1C 封装领域,SIP 系统级封装是最高级的封装。SIP 涵盖SOC,SOC 简化SIPSOC,与 SIP 是极为相似的，两者均希望将_个包含逻辑组件、内存组件，甚至包含被动组件的系统，整合在_个单位中。然而就发展的方向来说,两者却是大大的不同：SOC 是站在设计的角度
12、出发，目的在于将一个系统所需的组件整合到一块芯片上，而 SIP 则是由封装的立场出发,将不同功能的芯片整合于一个电子构造体中。SIP 系统级封装不仅是1 种封装，它代表的是1 种先进的系统化设计的思想，它是研究人员创意的平台，它所涉及到芯片、系统、材料、封装等诸多层面问题,涵盖十分广泛，是_个较宽泛的指称，所以从不同角度研究和理解SIP 的内涵是十分必要的，这里列举了当前的一部分SIP 技术的内涵概念：SIP 通过各功能芯片的裸管芯及分立元器件在同一衬底的集成，实现整个系统功能，是一种可实现系统级芯片集成的半导体技术。当SOC 的特征尺寸更小以后，将模拟、射频和数字功能整合到一起的难度随之增大
13、,有一种可选择的解决方案是将多个不同的裸芯片封装成一体，从而产生了系统级封装(SIP)。SIP 为一个封装内集成了各种完成系统功能的电路芯片，是缩小芯片线宽之外的另一种提高集成度的方法,而与之相比可大大降低成本和节省时间。SIP 的技术要素是封装载体和组装工艺，它与传统封装结构不同之处是与系统集成有关的 2 个步骤:系统模块的划分与设计,实现系统组合的载体。传统封装中的载体卸基板)只能起互连作用，而SIP 的载体包括电路单元，属于系统的组成部分。模块的划分指从电子设备中分离出_块功能模块,既利于后续整机集成又便于SIP 封装。以蓝牙模块为例，其核心是一块基带处理器，它的一端与系统CPU 接口,
14、另一端与物理层硬件接口綢制解调、发送与接收、天线等)10。组合的载体包括高密度多层封装基板和多层薄膜技术等先进技术。而在芯片组装方面，板上芯片COB)和片上芯片(COC)是目前的主流技术。COB 是针对器件与有机基板或陶瓷基板间的互连技术。现有的技术包括引线键合和倒装芯片。COC 是 _种在单封装体中堆叠多芯片的结构，即叠层芯片封装技术。SIP 技术现在广泛应用于3 个方面：_是在RF/无线电方面。例如全部功能的单芯片或多芯片SIP 将 RF 基带功能线路及快闪式存储器芯片都封装在一个模块内。二是在传感器方面。以硅为基础的传感器技术发展迅速，应用范围广泛。三是在网络和计算机技术方面。3 微电子
15、封装技术未来发展面临的问题与挑战 毫无疑问,3D封装和SIP系统封装是当前以至于以后很长_段时间内微电子封装技术的发展方向。微晶片的减薄化是SIP 增长面对的重要技术挑战。现在用于生产200mm 和 300mm 微晶片的焊接设备可处理厚度为50m 的晶片，因此允许更密集地堆叠芯片。如果更薄,对于自动设备来说将产生问题：晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。此外,从微晶片到微晶片的电子“穿孔”效应将损毁芯片的性能9。但是我们应该看到SIP巨大的市场前景,AlliedBusinessIntelligence 统计，仅 RF 蜂窝市场的销售额就从2003 年的18 亿美元飆升至2007 年的27.5 亿美
16、元。由堆叠BGA 封装以及有源和无源组件构成的近十亿SIP 于 2003年上市，包括功率放大器、天线转换开关、发送器和前端模块。而近几年来SIP 大发展更是迅速，德国银行、瑞士信贷第一波士顿和美国著名的研究组织“商业情报联盟”的联合调研表明,RF、数字、蓝牙、电源和汽车应用等市场已经被SIP 技术占领110。在我国SIP 技术也有很好的发展，如江苏长电科技股份有限公司开发的整体U 盘的SIP 封装技术,SIP 系统级封装的U盘是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，与传统U盘相比，有着轻薄短小、容量大且可靠性高的特点13。未来,我们也将看到更多SIP 技术的产品出现在我们周围。4 结语 无论是3D 封装技术，还是系统级的封装技术SIP,都是基于更小体积、更多功能、更好稳定性的前提下发展而来的。特别是SIP 不仅提出了系统级封装的概念，更是一种创意的封装思想，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，引出了许多的创意火花，丰富着微电子封装技术，也较好地解决了S0C 中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰EMI、芯片体积、开发成本等问题,SIP 封装集成能最大程度上优化系统性能,避免重复封装，缩短开发周期，降低成本并提高集成度,掌握这项新技术是进入主流封装领域的关键。毋庸置疑，未来的微电子封装产业将会迎来一个异彩纷呈的、多种技术并行的新时代。