為什么UCSP 外形用于管芯大小不同的多種器件？

在消費(fèi)類產(chǎn)品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，廠商開發(fā)了更小的封裝類型。實(shí)際上，封裝已經(jīng)成為新設(shè)計(jì)中選擇還是放棄某一器件的關(guān)鍵因素。本文首先定義了“倒裝芯片”和“晶片級(jí)封裝”兩個(gè)名詞，介紹晶片級(jí)封裝（WLP）技術(shù)的開發(fā)。然后，討論使用晶片級(jí)封裝器件的實(shí)際情況。討論主題包括：如何確定某一器件能否使用倒裝芯片 /UCSP?封裝；通過標(biāo)識(shí)識(shí)別倒裝芯片 /UCSP；晶片級(jí)封裝的可靠性；查找適用的可靠性信息。在本文總結(jié)部分，展望了今后的封裝技術(shù)發(fā)展，列出本應(yīng)用筆記的參考文獻(xiàn)以及本文沒有討論的某些主題和相關(guān)資料鏈接等。

引言

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了芯片中的晶體管數(shù)量和功能，這一集成規(guī)模在幾年前還無法想象。現(xiàn)在我們認(rèn)識(shí)到，如果沒有 IC 封裝技術(shù)同樣令人振奮的發(fā)展，也不可能實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在消費(fèi)類產(chǎn)品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，廠商開發(fā)了更小的封裝類型。最小的封裝當(dāng)然是芯片本身，圖 1 描述了 IC 從晶片到單個(gè)芯片的實(shí)現(xiàn)過程，圖 2 是一個(gè)實(shí)際的晶片級(jí)封裝（CSP）。

晶片級(jí)封裝的概念起源于 1990 年，在 1998 年定義的 CSP 分類中，晶片級(jí) CSP 是多種應(yīng)用的一種低成本選擇，這些應(yīng)用包括 EEPROM 等引腳數(shù)量較少的器件，以及 ASIC 和微處理器等。CSP 采用稱為晶片級(jí)封裝（WLP）的工藝進(jìn)行加工，WLP 的主要優(yōu)點(diǎn)是所有裝配和測(cè)試都在晶片上進(jìn)行。隨著晶片尺寸的增大、管芯的縮小，WLP 的成本不斷降低。作為最早采用該技術(shù)的公司，Dallas Semiconductor 在 1999 年便開始銷售晶片級(jí)封裝產(chǎn)品。

圖 1. 晶片級(jí)封裝（簡(jiǎn)圖）最終將每個(gè)芯片從處理過的晶片上分離出來。

圖 2. 12 焊球晶片級(jí)封裝，3 x 4 焊球，2 個(gè)空焊球位置

命名規(guī)則

業(yè)界在 WLP 的命名上還有分歧。CSP 晶片級(jí)技術(shù)非常獨(dú)特，封裝內(nèi)部并沒有采用鍵合方式。封裝芯片的命名也有分歧。常用名稱有：倒裝芯片（STMicroelectronics 和 Dallas Semiconductor?）、CSP、晶片級(jí)封裝、WLCSP、WL-CSP、MicroSMD （National Semiconductor）、UCSP （Maxim Integrated）、凸起管芯以及 MicroCSP （Analog Devices）等。

對(duì)于 Maxim?/Dallas Semiconductor，“倒裝芯片”和“晶片級(jí)封裝”最初是所有晶片級(jí)封裝的同義詞。過去幾年中，封裝有了進(jìn)一步的細(xì)分。在本文檔以及所有 Maxim 資料中，包括公司網(wǎng)站，“倒裝芯片”是指焊球具有任意形狀、可放在任何位置的晶片級(jí)封裝管芯（邊沿有空隙）。 “晶片級(jí)封裝”是指在間隔規(guī)定好的柵格上有焊球的晶片級(jí)封裝管芯。圖 3 解釋了這些不同，注意，并不是所有柵格位置都要有焊球。

圖 3 中的倒裝芯片尺寸反映了第一代 Dallas Semiconductor 的 WLP 產(chǎn)品；晶片級(jí)封裝尺寸來自各個(gè)供應(yīng)商，包括 Maxim。目前，Maxim 和 Dallas Semiconductor 推出的新型晶片級(jí)封裝產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸列在表 1 中。

圖 3. 圖中顯示了晶片級(jí)封裝和倒裝芯片封裝的典型尺寸以及區(qū)別。

Maxim 和 Dallas Semiconductor UCSP （晶片級(jí)封裝）的標(biāo)稱尺寸 7

晶片級(jí)封裝（WLP）技術(shù)

提供 WLP 器件的供應(yīng)商要么有自己的 WLP 生產(chǎn)線，要么外包封裝工藝。各種各樣的生產(chǎn)工藝必須能夠滿足用戶的要求，以確保最終產(chǎn)品的可靠性。Wafer-Level Packaging Has Arrived 8、The Wafer-Level Packaging Evolution9、WLCSP Technology Direction 10 等文章生動(dòng)地介紹了 WLP 的過去和未來。美國亞利桑那州鳳凰城的 FCI、美國北卡羅萊納州的 Unitive?建立了 WLP 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品名為 UltraCSP （FCI）和 Xtreme （Unitive）。Amkor 在并購了 Unitive 后，為全世界半導(dǎo)體行業(yè)提供 WLP 服務(wù) 11。

在電路 / 配線板上將芯片和走線連接在一起的焊球最初采用了錫鉛共晶*合金（Sn63Pb37）。為了減少電子產(chǎn)品中的有害物質(zhì)（RoHS），半導(dǎo)體行業(yè)不得不采用替代材料，例如無鉛焊球（Sn96.5Ag3Cu0.5）或者高鉛焊球（Pb95Sn5）。每種合金都有自己的熔點(diǎn)，因此，在元件組裝回流焊工藝中，溫度曲線比較特殊（在特定溫度上保持一段時(shí)間）。

集成電路的目的在于提供系統(tǒng)需要的全部電子功能，并能夠裝配到特定封裝中。芯片上的鍵合焊盤通過線鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設(shè)計(jì)規(guī)則要求鍵合焊盤位于芯片周界上。為避免同一芯片出現(xiàn)兩種設(shè)計(jì)（一種是普通封裝，一種是 CSP），需要重新分配層來連接焊球和鍵合焊盤。

確定倒裝芯片 /UCSP 的可行性，符合無鉛要求

Maxim/Dallas Semiconductor 只有一小部分器件采用了倒裝芯片或 UCSP。識(shí)別封裝最簡(jiǎn)單的方法是利用公司網(wǎng)站上的器件快速瀏覽網(wǎng)頁。進(jìn)行型號(hào)搜索后，會(huì)顯示數(shù)據(jù)資料的快速瀏覽頁，它包括器件的簡(jiǎn)要說明、關(guān)鍵特性、封裝選擇以及應(yīng)用筆記的 URL 和詳細(xì)信息的鏈接（例如，可靠性報(bào)告、評(píng)估套件）等。在快速瀏覽頁的右上角可以找到型號(hào)的數(shù)據(jù)資料，如果多個(gè)型號(hào)使用同一份數(shù)據(jù)資料，型號(hào)表上有下拉框選擇特定的型號(hào)。點(diǎn)擊 Go，打開一個(gè)窗口，顯示定購型號(hào)、封裝說明、封裝外形的 URL、溫度范圍以及封裝是否無鉛等。查找 FCHIP 或 UCSP，Dallas Semiconductor 器件的倒裝芯片 /UCSP 標(biāo)識(shí)符是“X”。Maxim UCSP 一般使用后綴“B”，隨后是型號(hào)的數(shù)字部分 12。型號(hào)表中的封裝外形總是含有定位標(biāo)識(shí)，由于 UCSP 外形用于管芯大小不同的多種器件，因此，沒有包括焊球的電配置參數(shù)，這些信息在器件的數(shù)據(jù)資料中提供。而倒裝芯片外形只用于特定芯片，因此，其外形一般包括電配置參數(shù)。

倒裝芯片 /UCSP 頂標(biāo)（器件標(biāo)識(shí)）

與塑料封裝常用的方式不同，大部分倒裝芯片和 UCSP 沒有給標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)方式留有足夠的空間。最小的 UCSP （4 個(gè)焊球）只有足夠的定位標(biāo)識(shí)和兩行 6 字符代碼的空間。定位標(biāo)識(shí)還表明封裝是“標(biāo)準(zhǔn)”（共晶焊球）、高鉛（#）還是無鉛（+），見圖 4。

圖 4. 倒裝芯片和 UCSP 標(biāo)識(shí)模板

可以在快速瀏覽頁的更多信息部分了解 UCSP 的頂標(biāo)代碼。某些情況下，數(shù)據(jù)資料中也有這些信息。對(duì)于反向查找，例如，從頂標(biāo)確定器件的封裝，可以使用網(wǎng)站上的頂標(biāo)代碼功能或下載完整的頂標(biāo)表 13，利用搜索功能識(shí)別相應(yīng)器件。頂標(biāo)代碼用于包含 12 個(gè)焊球的 UCSP。更大的 UCSP 有足夠的空間打上全部型號(hào)以及日期代碼等詳細(xì)信息。表 2 所示為 Maxim 器件使用的商標(biāo)。

典型的 Maxim UCSP 商標(biāo)

商標(biāo)類型也適用于 Dallas Semiconductor 的倒裝芯片和 UCSP。激光標(biāo)識(shí)非常小，需要放大鏡才能看清楚。Dallas Semiconductor 的倒裝芯片對(duì)最小器件采用類似方法，2 位器件代碼（也稱為系列碼）之后是管芯的版本號(hào)，這一方法不需要交叉參考列表。

典型的 Dallas Semiconductor 的倒裝芯片和 UCSP 商標(biāo)

晶片級(jí)封裝器件的可靠性

晶片級(jí)封裝（倒裝芯片和 UCSP）代表一種獨(dú)特的封裝外形，它和利用傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性測(cè)試的封裝產(chǎn)品有所不同。封裝的可靠性主要和用戶的裝配方法、電路板材料以及使用環(huán)境有關(guān)。用戶在考慮使用 WLP 型號(hào)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮這些問題。必須進(jìn)行工作壽命測(cè)試和抗潮濕性能測(cè)試，這些性能主要由晶片制造工藝決定。

機(jī)械壓力性能對(duì) WLP 而言是較大的問題，倒裝芯片和 UCSP 直接焊接后，與用戶的 PCB 連接，從而緩解了封裝產(chǎn)品鉛結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力。因此，必須考慮焊接觸點(diǎn)的完整性。Dallas Semiconductor 的晶片級(jí)封裝裝配指南 14 提供電路板布板考慮、裝配工藝流程、焊接層絲網(wǎng)印刷、元件布局、回流焊溫度曲線要求、環(huán)氧封裝以及視覺檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等方面的詳細(xì)信息。應(yīng)用筆記 189115 給出了 Maxim 測(cè)試計(jì)劃及測(cè)試數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。通過器件快速瀏覽中的“技術(shù)文檔”標(biāo)簽頁可以獲取可靠性相關(guān)的信息。如果沒有找到倒裝芯片、UCSP 或 WLP 等封裝版本的信息，請(qǐng)通過支持中心申請(qǐng)相關(guān)報(bào)告。

結(jié)論

目前的倒裝芯片和 CSP 還是新技術(shù)，處于發(fā)展階段。正在改進(jìn)的措施將采用背面疊片覆層技術(shù)（BSL），保護(hù)管芯的無源側(cè)不受光和機(jī)械沖擊的影響，提高激光標(biāo)識(shí)在光照下的可讀性。除了 BSL，還會(huì)有更小的管芯厚度，保持裝配總高度不變。Maxim UCSP 尺寸（參見表 1）說明了 2007 年 2 月產(chǎn)品的封裝狀況。依照業(yè)界一般的發(fā)展趨勢(shì)，這些尺寸有可能進(jìn)一步減小。因此，設(shè)計(jì)人員在完成電路板布板之前，應(yīng)該從各自的封裝外形上確定設(shè)計(jì)的封裝尺寸，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。此外，了解焊球管芯 WLP 合金的組成也很重要，特別是器件沒有聲明或標(biāo)記為無鉛產(chǎn)品時(shí)。帶有高鉛焊球（Pb95Sn5）的某些器件通過了無鉛電路板裝配回流焊工藝測(cè)試，不會(huì)顯著影響其可靠性 16， 17。采用共晶 SnPb 焊球的器件需要同類共晶 SnPb 焊接面，因此，不能用于無鉛裝配環(huán)境。
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