微電子封裝有哪些技術(shù)和歷史？

1 前言

電路產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵，而集成電路設(shè)計、制造和封裝測試是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大產(chǎn)業(yè)之柱。這已是各級領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)界的共識。微電子封裝不但直接影響著集成電路本身的電性能、機械性能、光性能和熱性能，影響其可靠性和成本，還在很大程度上決定著電子整機系統(tǒng)的小型化、多功能化、可靠性和成本，微電子封裝越來越受到人們的普遍重視，在國際和國內(nèi)正處于蓬勃發(fā)展階段。本文試圖綜述自二十世紀九十年代以來迅速發(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）、圓片級封裝（WLP）、三維封裝（3D）和系統(tǒng)封裝（SIP）等項技術(shù)。介紹它們的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)特點。同時，敘述了微電子三級封裝的概念。并對發(fā)展我國新型微電子封裝技術(shù)提出了一些思索和建議。本文試圖綜述自二十世紀九十年代以來迅速發(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）、圓片級封裝（WLP）、三維封裝（3D）和系統(tǒng)封裝（SIP）等項技術(shù)。介紹它們的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)特點。同時，敘述了微電子三級封裝的概念。并對發(fā)展我國新型微電子封裝技術(shù)提出了一些思索和建議。

2 微電子三級封裝

微電子封裝，首先我們要敘述一下三級封裝的概念。一般說來，微電子封裝分為三級。所謂一級封裝就是在半導(dǎo)體圓片裂片以后，將一個或多個集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合（WB）、載帶自動鍵合（TAB）和倒裝芯片鍵合（FCB）連接起來，使之成為有實用功能的電子元器件或組件。一級封裝包括單芯片組件（SCM）和多芯片組件（MCM）兩大類。三級封裝就是將二級封裝的產(chǎn)品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連結(jié)起來，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機系統(tǒng)，這一級封裝應(yīng)包括連接器、迭層組裝和柔性電路板等相關(guān)材料、設(shè)計和組裝技術(shù)。這一級也稱系統(tǒng)級封裝。所謂微電子封裝是個整體的概念，包括了從一極封裝到三極封裝的全部技術(shù)內(nèi)容。我們應(yīng)該把現(xiàn)有的認識納入國際微電子封裝的軌道，這樣既有利于我國微電子封裝界與國外的技術(shù)交流，也有利于我國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)展主要劃分為三個階段。第一階段，在二十世紀七十年代之前，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，表面安裝技術(shù)被稱作電子封裝領(lǐng)域的一場革命，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）以及無引線四邊扁平封裝等封裝形式應(yīng)運而生，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成為這一時期的主導(dǎo)產(chǎn)品。第三階段，在二十世紀九十年代以后，以面陣列封裝形式為主。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）。

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)展起來的一種新型封裝。

BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，BGA技術(shù)的優(yōu)點是I/O引腳數(shù)雖然增加了，但引腳間距并沒有減小反而增加了，從而提高了組裝成品率；雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能；厚度和重量都較以前的封裝技術(shù)有所減少；寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；組裝可用共面焊接，可靠性高。

這種BGA的突出的優(yōu)點：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；由于焊球是整個平面排列，因此對于同樣面積，引腳數(shù)更高。例如邊長為31mm的BGA，當(dāng)焊球節(jié)距為1mm時有900只引腳，相比之下，邊長為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由于焊料熔化時的表面張力具有“自對準(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。但是當(dāng)PQFP的引線節(jié)距達到0.5mm時，它的組裝技術(shù)的復(fù)雜性將會增加。在引線數(shù)大于200條以上和封裝體尺寸超過28mm見方的應(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；③可返修性強。

因為表面組裝板上已經(jīng)裝有其他元器件，因此必須采用BGA專用小模板，模板厚度與開口尺寸要根據(jù)球徑和球距確定，印刷完畢后必須檢查印刷質(zhì)量，如不合格，必須將PCB清洗干凈并涼干后重新印刷。對于球距為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的焊盤上涂刷膏狀助焊劑。需要拆元件的PCB放到焊爐里，按下再流焊鍵，等機器按設(shè)定的程式走完，在溫度最高時按下進出鍵，用真空吸筆取下要拆下的元件，PCB板冷卻即可。

FCBGA所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括芯片凸點制作技術(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。凸點材料：Au、PbSn和AuSn等；凸點下金屬化材料：Al/Niv/Cu、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料：PbSn焊料、無鉛焊料；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樹脂基板；底部填充材料：液態(tài)樹脂；導(dǎo)熱膠：硅樹脂；散熱板：銅。目前，國際上FCBGA的典型系列示于表1。

3.2 芯片尺寸封裝（CSP）

CSP（Chip Scale Package）封裝，是芯片級封裝的意思。CSP封裝最新一代的內(nèi)存芯片封裝技術(shù)，其技術(shù)性能又有了新的提升。CSP封CSP封裝裝可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14，已經(jīng)相當(dāng)接近1:1的理想情況，絕對尺寸也僅有32平方毫米，約為普通的BGA的1/3，僅僅相當(dāng)于TSOP內(nèi)存芯片面積的1/6。與BGA封裝相比，同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高三倍。

芯片尺寸封裝（CSP）和BGA是同一時代的產(chǎn)物，是整機小型化、便攜化的結(jié)果。美國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：①近似芯片尺寸的超小型封裝；②保護裸芯片；③電、熱性優(yōu)良；④封裝密度高；⑤便于測試和老化；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、凸點芯片載體（BCC）、QFN型CSP、芯片迭層型CSP和圓片級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IC芯片后再實施后道封裝的，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立器件。所以這種封裝也稱作圓片級封裝（WLP） 。因此，除了CSP的共同優(yōu)點外，它還具有獨特的優(yōu)點：①封裝加工效率高，可以多個圓片同時加工；②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點，即輕、薄、短、小；③與前工序相比，只是增加了引腳重新布線（RDL）和凸點制作兩個工序，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、開發(fā)和生產(chǎn)。WLCSP的不足是目前引腳數(shù)較低，還沒有標(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。

CSP封裝內(nèi)存芯片的中心引腳形式有效地縮短了信號的傳導(dǎo)距離，其衰減隨之減少，芯片的抗干擾、抗噪性能也能得到大幅提升，這也使得CSP的存取時間比BGA改善15%-20%。在CSP的封裝方式中，內(nèi)存顆粒是通過一個個錫球焊接在PCB板上，由于焊點和PCB板的接觸面積較大，所以內(nèi)存芯片在運行中所產(chǎn)生的熱量可以很容易地傳導(dǎo)到PCB板上并散發(fā)出去。CSP封裝可以從背面散熱，且熱效率良好，CSP的熱阻為35℃/W，而TSOP熱阻40℃/W。

CSP技術(shù)是在電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代時提出來的，它的目的是在使用大芯片（芯片功能更多，性能更好，芯片更復(fù)雜）替代以前的小芯片時，其封裝體占用印刷板的面積保持不變或更小。正是由于CSP產(chǎn)品的封裝體小、薄，因此它的手持式移動電子設(shè)備中迅速獲得了應(yīng)用。在1996年8月，日本Sharp公司就開始了批量生產(chǎn)CSP產(chǎn)品；在1996年9月，日本索尼公司開始用日本TI和NEC公司提供的CSP產(chǎn)品組裝攝像機；在1997年，美國也開始生產(chǎn)CSP產(chǎn)品。世界上有幾十家公司可以提供CSP產(chǎn)品，各類CSP產(chǎn)品品種多達一百種以上。［

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)。焊料凸點制作技術(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來實現(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，把多個裸芯片、封裝芯片、多芯片組件甚至圓片進行疊層互連，構(gòu)成立體封裝，這種結(jié)構(gòu)稱作疊層型3D封裝。原因有兩個。一是巨大的手機和其它消費類產(chǎn)品市場的驅(qū)動，要求在增加功能的同時減薄封裝厚度。二是它所用的工藝基本上與傳統(tǒng)的工藝相容，經(jīng)過改進很快能批量生產(chǎn)并投入市場。據(jù)Prismarks預(yù)測，世界的手機銷售量將從2001年的393M增加到2006年的785M～1140M。年增長率達到15～24%。因此在這個基礎(chǔ)上估計，疊層裸芯片封裝從目前到2006年將以50～60%的速度增長。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越??；另一種是懸梁式，疊層的芯片尺寸一樣大。應(yīng)用于手機的初期，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。①圓片減薄技術(shù)，由于手機等產(chǎn)品要求封裝厚度越來越薄，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械研磨、化學(xué)刻蝕或ADP（Atmosphere DownstreamPlasma）。機械研磨減薄一般在150μm左右。而用等離子刻蝕方法可達到100μm，對于75-50μm的減薄正在研發(fā)中；②低弧度鍵合，因為芯片厚度小于150μm，所以鍵合弧度高必須小于150μm。與此同時，反向引線鍵合技術(shù)要增加一個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，鍵合時芯片變形越大，必須優(yōu)化設(shè)計和工藝；④圓片凸點制作技術(shù)；⑤鍵合引線無擺動（NOSWEEP）模塑技術(shù)。由于鍵合引線密度更高，長度更長，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。目前已發(fā)明了鍵合引線無擺動（NOSWEEP）模塑技術(shù)。

3.4系統(tǒng)封裝（SIP）

實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能，通常有兩個途徑。一種是系統(tǒng)級芯片（Systemon Chip），簡稱SOC。即在單一的芯片上實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能；另一種是系統(tǒng)級封裝（SysteminPackage），簡稱SIP。即通過封裝來實現(xiàn)整機系統(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，各有各的應(yīng)用市場。在技術(shù)上和應(yīng)用上都是相互補充的關(guān)系，作者認為，SOC應(yīng)主要用于應(yīng)用周期較長的高性能產(chǎn)品，而SIP主要用于應(yīng)用周期較短的消費類產(chǎn)品。

SIP 的一個重要特點是它不定義要建立的會話的類型，而只定義應(yīng)該如何管理會話。有了這種靈活性，也就意味著SIP可以用于眾多應(yīng)用和服務(wù)中，包括交互式游戲、音樂和視頻點播以及語音、視頻和 Web 會議。SIP消息是基于文本的，因而易于讀取和調(diào)試。新服務(wù)的編程更加簡單，對于設(shè)計人員而言更加直觀。SIP如同電子郵件客戶機一樣重用 MIME 類型描述，因此與會話相關(guān)的應(yīng)用程序可以自動啟動。SIP 重用幾個現(xiàn)有的比較成熟的 Internet 服務(wù)和協(xié)議，如 DNS、RTP、RSVP 等。

SIP 較為靈活，可擴展，而且是開放的。它激發(fā)了 Internet 以及固定和移動 IP 網(wǎng)絡(luò)推出新一代服務(wù)的威力。SIP 能夠在多臺 PC 和電話上完成網(wǎng)絡(luò)消息，模擬 Internet 建立會話。

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器件以及各類無源元件如電容、電感等集成到一個封裝體內(nèi)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。主要的優(yōu)點包括：①采用現(xiàn)有商用元器件，制造成本較低；②產(chǎn)品進入市場的周期短；③無論設(shè)計和工藝，有較大的靈活性；④把不同類型的電路和元件集成在一起，相對容易實現(xiàn)。美國佐治亞理工學(xué)院PRC研究開發(fā)的單級集成模塊（SingleIntegrated Module）簡稱SLIM，就是SIP的典型代表，該項目完成后，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)期達到的目標(biāo)包括布線密度達到6000cm/cm2;熱密度達到100W/cm2;元件密度達到5000/cm2;I/O密度達到3000/cm2。

盡管SIP還是一種新技術(shù)，目前尚不成熟，但仍然是一個有發(fā)展前景的技術(shù)，尤其在中國，可能是一個發(fā)展整機系統(tǒng)的捷徑。

4 思考和建議

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

（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)先進制造技術(shù)之一，誰掌握了它，誰就將掌握電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的未來。

（2）微電子封裝必須與時俱進才能發(fā)展。國際微電子封裝的歷史證明了這一點。我國微電子封裝如何與時俱進？當(dāng)務(wù)之急是研究我國微電子封裝的發(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)展屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)。否則，我們將越跟蹤越落后。在這一點上，我們可以很好地借鑒韓國和***的經(jīng)驗。

（3）高度重視微電子三級封裝的垂直集成。我們應(yīng)該以電子系統(tǒng)為龍頭，牽動一級、二級和三級封裝，方能占領(lǐng)市場，提高經(jīng)濟效益，不斷發(fā)展。我們曾倡議把手機和雷達作為技術(shù)平臺發(fā)展我國的微電子封裝，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。過去，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)會各分會的作用，積極組織這種技術(shù)交流。

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