芯片尺寸封裝技術解析

所謂芯片尺寸封裝就是CSP (Chip Size Package或Chip Scale Package)。JEDEC(美國EIA協(xié)會聯(lián)合電子器件工程委員會)的JSTK一012標準規(guī)定，LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯片面積的120%的產(chǎn)品稱之為CSP。CSP技術的出現(xiàn)確保VLSI在高性能、高可靠性的前提下實現(xiàn)芯片的最小尺寸封裝(接近裸芯片的尺寸)，而相對成本卻更低，因此符合電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展潮流，是極具市場競爭力的高密度封裝形式。本文從CSP的特點、類別和制作上藝以及生產(chǎn)和研發(fā)等幾個方面詳細論述這種先進的封裝技術，并提出幾點建議。

CSP的特點

CSP實際上是在BGA封裝小型化過程中形成的，所以有人也將CSP稱之為μBGA(微型球柵陣列，現(xiàn)在僅將它劃為CSP的一種形式)，因此它自然地具有BGA封裝技術的許多優(yōu)點。

1.封裝尺寸小

CSP是目前體積最小的VLSI封裝之一。一般，CSP封裝面積不到0．5 mm，而間距是QFP的1／10，BGA的1／3～l／10。

2.可容納引腳的數(shù)最多

在各種相同尺寸的芯片封裝中，CSP可容納的引腳數(shù)最多，適宜進行多引腳數(shù)封裝，甚至可以應用在I／0數(shù)超過2000的高性能芯片上。例如，引腳間距為0．5 mm，封裝尺寸為40 mm×40 mm的QFP，引腳數(shù)最多為304根，若要增加引腳數(shù)，只能減小引腳間距，但在傳統(tǒng)工藝條件下，OFP難以突破0．3 mm的技術極限；與CSP相提并論的是BGA封裝，它的引腳數(shù)可達600～1000根，但值得重視的是，在引腳數(shù)相同的情況下，CSP的組裝遠比BGA容易。

3 .電性能優(yōu)良

CSP的內(nèi)部布線長度(僅為0．8～1．O mm)比QFP或BGA的布線長度短得多，寄生引線電容、引線電阻及引線電感均很小，從而使信號傳輸延遲大為縮短。

CSP的存取時間比QFP或BGA短1／5～1／6左右，同時CSP的抗噪能力強，開關噪聲只有DIP(雙列直插式封裝)的1／2。這些主要電學性能指標已經(jīng)接近裸芯片的水平，在時鐘頻率己超過雙G的高速通信領域，LSI芯片的CSP將是十分理想的選擇。

4 .測試、篩選、老化操作容易實現(xiàn)

MCM技術是當今最高效、最先進的高密度封裝之一，其技術核心是采用裸芯片安裝，優(yōu)點是無內(nèi)部芯片封裝延遲及大幅度提高了組件封裝密度，因此未來市場令人樂觀。但它的裸芯片測試、篩選、老化問題至今尚未解決，合格裸芯片的獲得比較困難，導致成品率相當?shù)?，制造成本很高；而CSP則可進行全面老化、篩選、測試，并且操作、修整方便，能獲得真正的KGD芯片，在目前情況下用CSP替代裸：芯片安裝勢在必行。

5 .散熱性能優(yōu)良

CSP封裝通過焊球與PCB連接，由于接觸面積大，所以芯片在運行時所產(chǎn)生的熱量可以很容易地傳導到PCB上并散發(fā)出去；而傳統(tǒng)的TSOP(薄型小外形封裝)方式中，芯片是通過引腳焊在PCB上，焊點和PCB板的接觸面積小，使芯片向PCB板散熱相對困難。測試結果表明，通過傳導方式的散熱量可占到80％以上。同時，CSP芯片正面向下安裝，可以從背面散熱，且散熱效果良好。例如松下電子開發(fā)的10 mm×10mm CSP的熱阻為35℃／W，而TSOP、QFP的熱阻則可達40℃／W。若通過散熱片強制冷卻，CSP的熱阻可降低到4．2℃／W，而QFP的則為11．8℃／W。

6. 封裝內(nèi)無需填料

大多數(shù)CSP封裝中凸點和熱塑性粘合劑的彈性很好，不會因晶片與基底熱膨脹系數(shù)不同而造成應力，因此也就不必在底部填料，省去了填料時間和填料費用，這在傳統(tǒng)的SMT封裝中是不可能的。

7 .制造工藝、設備的兼容性好

CSP與現(xiàn)有的SMT工藝和基礎設備的兼容性好，而且它的引腳間距完全符合當前使用的SMT標準(0．5～1 mm)，無需對PCB進行專門設計，而且組裝容易，因此完全可以利用現(xiàn)有的半導體工藝設備、組裝技術組織生產(chǎn)。

CSP的分類

目前全球有50多家IC廠商生產(chǎn)各種結構的CSP產(chǎn)品。根據(jù)目前各廠商的開發(fā)情況，可將CSP封裝分為下列主要類別：

1.柔性基板封裝CSP

柔性基板封裝CSP是由日本的NEC公司利用TAB技術研制開發(fā)出來的一種窄間距的BGA，因此也可以稱之為FPBGA。這類CSP封裝的基本結構如圖1所示，截面結構如圖2所示。主要由IC芯片、載帶(柔性體)、粘接層、凸點(銅／鎳)等構成。載帶是用聚酰亞胺和制箔組成。采用共晶焊料(63%Sn一37%Pb)作外部互連電極材料。

其主要特點是結構簡單，可靠性高，安裝方便，可利用傳統(tǒng)的TAB(Tape Automated Bonding)焊接機進行焊接。

2.剛性基板CSP

剛性基板CSP是由日本的Toshiba公司開發(fā)的一種陶瓷基板超薄型封裝，因此又可稱之為陶瓷基板薄形封裝CSTP（Ceramic Substrate Thin Package)。其基本結構見圖3。它主要由芯片、氧化鋁(Al2O3)基板、銅(Au)凸點和樹脂構成。通過倒裝焊、樹脂填充和打印3個步驟完成。它的封裝效率(芯片與基板面積之比)可達到75％，是相同尺寸的TQFP的2．5倍。

3.引線框架式CSP

引線框架式CSP是由日本的Fujitsu公司研制開發(fā)的一種芯片上引線的封裝形式，因此也被稱之為LOC(Lead On Chip)形CSP。通常情況下分為Tape-LOC型和MF- LOC型（Mul-ti-frame-LOC)兩種形式，其基本結構如圖4所示。

由圖可知，這兩種形式的LOC形CSP都是將LSI芯片安裝在引線框架上，芯片面朝下，芯片下面的引線框架仍然作為外引腳暴露在封裝結構的外面。因此，不需要制作工藝復雜的焊料凸點，可實現(xiàn)芯片與外部的互連，并且其內(nèi)部布線很短，僅為0．1 mm左右。

4.焊區(qū)陣列CSP

焊區(qū)陣列CSP是由日本的Panasonic公司研制開發(fā)的一種新型封裝形式，也被稱之為LGA(Land Grid Array)型CSP，主要由LSI芯片、陶瓷載體、填充用環(huán)氧樹脂和導電粘結劑等組成。這種封裝的制作工藝是先用金絲打球法在芯片的焊接區(qū)上形成Au凸點，然后在倒裝焊時，在基板的焊區(qū)上印制導電膠，之后對事先做好的凸點加壓，同時固化導電膠，這就完成了芯片與基板的連接。導電膠由Pd-Ag與特殊的環(huán)氧樹脂組成，固化后保持一定彈性，因此，即使承受一定的應力，也不易受損。表1示出了其材料結構與一些基本參數(shù)。

5.微小模塑型CSP

微小模塑型CSP是由日本三菱電機公司研制開發(fā)出來的一種新型封裝形式。它主要由IC芯片、模塑的樹脂和凸點等構成。芯片上的焊區(qū)通過在芯片上的金屬布線與凸點實現(xiàn)互連，整個芯片澆鑄在樹脂上，只留下外部觸點。這種結構可實現(xiàn)很高的引腳數(shù)，有利于提高芯片的電學性能、減少封裝尺寸、提高可靠性，完全可以滿足儲存器、高頻器件和邏輯器件的高I／O數(shù)需求。同時由于它無引線框架和焊絲等，體積特別小，提高了封裝效率。基本結構如圖5所示，凸點斷面圖形如圖6所示。

微小模塑型CSP的制作工藝：首先在LSI芯片上制作連接焊區(qū)和外引腳的金屬布線圖形，制出Pb-Sn焊料浸潤性良好的底層金屬，制出聚酰亞胺緩沖層，在聚酰亞胺開口區(qū)域采用蒸發(fā)光刻方法形成Pb-Sn層；然后，將上述經(jīng)過再布線的芯片到裝焊在易于移植金凸點的框架上，使之于芯片焊區(qū)一一對應，加熱加壓，Pb-Sn熔化后就使框架上的金屬凸點(一般為Cu)移植到芯片上；最后，模塑封裝，脫模去除毛刺，形成外電極焊球。(6)圓片級CSP。圓片級CSP封裝(Wafer一Level Package)由ChipScale公司開發(fā)的此類封裝見圖5。它是在圓片前道工序完成后，直接對圓片利用半導體工藝進行后續(xù)組件封裝，利用劃片槽構造周邊互連，再切割分離成單個器件。WLP主要包括兩項關鍵技術即再分布技術和凸焊點制作技術。它有以下特點：①相當于裸片大小的小型組件(在最后工序切割分片)；②以圓片為單位的加工成本(圓片成本率同步成本)；③加工精度高(由于圓片的平坦性、精度的穩(wěn)定性)。圓片級CSP的局部結構示意圖如圖7所示。

與其他各類CSP相比，圓片級CSP只是在IC工藝線上增加了重布線和凸點制作兩部分，并使用了兩層BCB和PI作為介質(zhì)和保護層，所使用的工藝仍是傳統(tǒng)的金屬淀積、光刻、蝕刻技術，最后也無需模塑或底部下填充其他材料。圓片級CSP從晶圓片開始到做出器件，整個工藝流程一起完成，并可利用現(xiàn)有的標準SMT設備，生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)的組織可以做到最優(yōu)化；硅加工工藝和封裝測試可以在硅片生產(chǎn)線上進行而不必把晶圓送到別的地方去進行封裝測試；測試可以在切割CSP封裝產(chǎn)品之前一次完成，因而節(jié)省了測試的開支?？傊?，WLP成為未來CSP的主流已是大勢所驅(qū)。

除以上列舉的幾類封裝結構外，還有許多符合CSP定義的封裝結構形式這里就不再贅述。

審核編輯：湯梓紅