先进芯片封装技术

关键词：芯片；封装；BGA；CSP；COB；Flip Chip；MCM

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A

1细间距领域当前的技术水平为了满足高密度组装的需求，80年代中后期以来，IC封装就向着高度集成化、高性能化、多引线和细间距化方向发展，导致多引线窄间距QFP的发展，0．5mm的间距通常被认为是"引脚式"IC的最高水平。引脚间距0．5mm、尺寸为31mm×31mm的QFP208已成为众所周知的元件封装形式。间距相同，尺寸为42mm×42mm的高引脚数的QFP304虽也有相当的知名度，但前景不容乐观。引脚共面性，加上温度下降到低于焊料凝固点时PCB的翘曲，都会造成断连故障率的上升。封装尺寸越大，对SMD贴片机的旋转精度的要求也越高。目前QFP的引脚间距已发展到了0．3mm，由于引脚间距不断缩小，I／O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另一方面，由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0．3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。为了解决QFP所面临的困难，各种新型封装纷纷出现。

2新型芯片封装技术介绍

2．1BGA技术

毫无疑问，在SMT的发展历史上，还没有任何新的封装形式能象BGA这样引人注目的。它的研究始于60年代，而它的实用化是在1989年以后。自从Motorola和Citizen Watch公司开发了塑料封装后，才促进了BGA的发展和应用，并于1991年开发了塑料BGA(PBGA)，用于无线电收发报机、微机、ROM和SRAM中，1993年PBGA投放市场，开始进入实用阶段，1995年开始广泛采用。现在不仅在美国，而且在欧洲、日本和亚洲等地区和国家出现了许多PBGA的封装组装厂，批量生产PBGA，主要在便携通信产品、远程通信设备、计算机系统和工作站中广泛采用。

2．1．1 BGA的主要优点①I／O引脚以锡球状按阵列形式分布在封装下面。引脚数与整体尺寸的比例得以优化，间距也比QFP的大，这样，尺寸为31mm×31mm的BGA，焊点间距为1．5mm时有400只引脚，焊点间距为lmm时有900只引脚。而同样31mm×31mm、间距为0．5mm的QFP208仅有208只引脚。②不必处理金丝细间距引脚。任何弯曲(歪斜)的引脚都不再存在。这基本上解决了共面性的问题，不过，在某些情况下，由于塑料BGA发生下翘(因冷却后模块的收缩所致)，此问题尚未根除。③BGA的坚固性可大大降低焊接故障率。根据制造商的不同，BGA的焊接故障率最多可以比QFP低10倍。④很强的自调节效应。因焊料的表面张力获得很强的自调节效应。自调节效应及较大的球脚和PCB焊盘，降低了精度要求。⑤因为减少了分布电感和电容，故获得更好的高频高速电气性能。

2．1．2 BGA也存在缺点①能用X光或超声原理进行检查。②要获得满意的内侧加热，需要延长再流焊时间或升高再流焊温度。③BGA的最大难题之一是热循环的稳定性。④塑料BGA(PBGA)较容易发生吸湿效应，有关在打开"干包装"之后的允许存放时间以及湿度和温度要求，必须遵守相关的制造商专用条款，PBGA在正常大气条件下存放太久后，最好要烘干(低温干燥处理)。⑤具有高球脚数的BGA或许对PCB有更高的要求，因而会增加PCB的成本。⑥难于返工(修补)，尤其在拆卸后再使用以热风清理BGA比较困难。在BGA的诸多优点中，最主要的是它采用了面阵列端子封装，使它与QFP相比，在相同端子情况下，增加了端子间距(1.00mm、1.27mm和1．5mm)，大大改善了组装性能，才使它得以发展和推广应用。但是，PBGA一直存在着一些问题，如塑料封装易吸湿；基板易翘曲；所有类型的BGA焊后检测和返修困难；从而使它在苛刻环境中使用存在可靠性问题。这些问题现在已经得到一定程度的解决，比如，CBGA(陶瓷BGA)解决了吸湿问题；TBGA(载带BGA)不但解决了吸湿问题，而且是成本更低的BGA封装，也是高I／O端子数和高性能芯片的封装。由于研究开发了多种类型的BGA，不断克服了技术上存在的问题，使它在1998年开始广泛采用，在低于200I／O端子的应用中，QFP处于支配地位，而在200I／O端子以上的封装中，将采用多种类型的BGA，到21世纪初，BGA的年度增长率将超过25％，这样，在21世纪，BGA将成为电路组件的主流基础结构。

2．2 CSP技术BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难，但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求，所以80年代末和90年代初以来，国外就开始开发一种接近芯片尺寸的超小型封装，叫芯片尺寸封装，也就是CSP。CSP的含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80％。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的I／O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。

2．2．1 CSP的典型结构如下裸芯片与基板的连接方式：倒装片、线焊或载带自动焊。常用的基板材料：陶瓷、环氧玻璃、聚酰亚胺。锡球直径：0．2mm~0．5mm球中心距：0．5mm~1．0mm

2．2．2 CSP的主要特点①组装面积小，约为相同引脚数QFPl／4。②高度小，可达1mm。③易于贴装，贴装公差≤±0．3mm(球中心距为0．8mm和lmm时)。

④电性能好、阻抗低、干扰小、噪声低、屏蔽效果好。⑤高导热性。CSP比QFP和BGA提供了更短的互连，改善了电气性能和热性能，提高了可靠性，所以使它得以迅速推广应用，1997年开始进入实用化的初级阶段，并将逐渐成为高I／O端子数IC封装的主流。在日本主要用于超高密度和超小型化的消费类电子产品领域，包括移动电话、调制解调器、便携式电脑、PDA、超小型录像机、数码相机等产品；在美国主要用于高档电子产品领域的多芯片组件(MCM)中，作为直接芯片组装的KGD(确认好的器件)的替代品，以及存贮器件，特别是UO端子数在2000以上的高性能电子产品中。

2．3 COB技术COB裸芯片技术在今后几年内仍占主导地位(与TAB／TCP及Flip Chip相比)。例如，欧洲汽车工业正越来越大量地将COB用于机罩下的混合电路应用中。芯片被置于PCB上的导热(和／或导电)粘合剂上，其结构为焊盘朝上。此操作称为芯片连接。在粘合剂凝固后，使用IC制造中常用的焊线机把芯片焊盘连接起来。

2．3．1 线连接Chip 晶片中取出芯片，将其倒转并放置在小Waffle Pack(2"× 2")中，其结构为锡球朝下。IBM大型计算机的应用在很大程度上推动Flip Chip技术的发展。自六十年代末以来，IBM已在陶瓷印刷板上处理了数以百万的Flip Chip。七十年代初，美国汽车工业也开始大规模在陶瓷上使用Flip Chip。在八十年代，Flip Chip也开始被日本大公司如日立、日电和富士通所使用。IBM的锡处理技术(其专利保证于1984年到期)，是基于焊接材料的蒸发以及将平面焊料堆着变为球形的再流焊操作。IBM将此技术称为C4(Controlled Collapse Chip Connection)。不过，C4一般是用来指Flip连接到PCB板的过程，在此过程中的再流焊期间，PCB板上的芯片高度有限度下降。

2．4．1主要优点①由于引脚(锡球)分布于整个芯片表面，在封装密度和处理速度(性能)方面，Flip Chip技术已达顶峰。②与标准的SMT关系密切，可大大节约成本。③在不远的将来，锡焊Flip Chip应明显比相应的封装IC更受欢迎，这也使低成本更有意义。在选择印制板材料时，必须特别注意芯片和印制板的热膨胀系数的差别。芯片越大，温度变化时对互连的长期可靠性的影响就越大。理想的印刷材料包括不同的陶瓷如氧化铝、氮化铝或膨胀系数差异较小的玻璃陶瓷。

2．4．2 Flip Chip和PCB之间的连接可以采取各种处理形式①普通再流焊技术(只对粗间距而言)，该技术在美国汽车工业中已运用了很久。②传统的C4处理(Controlled Collapse Chip Connection)，通常以高熔点锡铅合金97Pb3Sn(熔点为320℃)焊接Flip Chip。因此，该技术主要用在只有C4FlipChip的陶瓷印制板上。在处理过程中必须加人助焊剂。除原在的还原功能外，助焊剂也用作固定媒质。随后，在强制对流炉中再流焊。③Direct Chip Attach(DCA)这类处理也称作FCOB(Flip Chipon Board)，主要用于有机印制板上带有高熔点锡球(97Pb3Sn)的Flip Chip。由于高熔点锡球不能再流焊，故要求以低熔点锡前沿焊料预涂PCB焊盘，当今的混装技术(SMD+Flip Chip)对焊点间距为0．3mm或更小的焊剂印刷的可靠性还无法保证。就焊点疲劳性而言，这类Php Chip中处理具有一定优势。未降低的高度间距能更好的消除焊点应力。在当前的某些应用中，将熔点为189℃的60Sn40Pb锡球用于FR4印制板。在这种情况下，印制板焊盘上便不需要多余的焊料堆着(降低PCB成本)，化学镍金涂层具有令人满意的效果，可推荐作此用途。当使用FR4或类似的印制板材料时，底层填料对确保可靠性绝对必要。进行点注时，环氧树脂底层填充材料被涂在Flip Chip的单侧或双侧，它们通过毛细管作用在几分钟内便完全渗入芯片与印制板之间的间隙。DCA对贴片技术和贴片精度有很高的要求，特别是当焊点直径(小到0．1mm)和焊点间距(小到0．2mm)较小时。机械冲击应力使机械对中无法接受。轮廓对中适合于汽车工业中使用多类Flip Chip，这些Flip Chip已可以在市场上买到。这些Flip Chip的最终细焊点间距在0．5mm之内，不过切割公差(平均约为0.025mm)可能会对贴片质量产生不利影响。④使用导电粘合剂连结，在印制板焊盘上涂敷导电粘合剂、贴片、然后对导电粘合剂进行热熔处理。将来，如果由于环保问题禁止在电子生产中使用铅，这种技术必会受到重视。与再流焊相比、当热熔时，其较低的热应力系数使其在各方面保持优势。⑤使用异向传导粘合剂连接，涂敷传导粘合剂材料(如胶片)、然后运用附加压力加温度进行贴片。这种处理方法只能用于LCD的Flip Chip。在粘合剂热熔或再流焊时，LCD决不会受温度应力的影响。

2.4.3 Flip Chip技术的缺点①只能以X光或超声原理进行检查。②PCB板和贴片断连技术非常复杂。③附加的底层填料(如果要求的话)步骤要求增加设备和相当长的热熔时间。④锡焊料和经测试的Flip Chip的供应情况仍无法令人满意。

2．5 MCM技术为了适应目前电路组装高密度要求，微电子封装技术的发展正日新月异，各种新技术、新工艺层出不穷。最新出现的CSP(芯片尺寸封装)更是使裸芯片尺寸与封装尺寸基本相近，这样在相同封装尺寸时可有更多的I／O数，使电路组装密度大幅度提高。但是人们在应用中也发现，无论采用何种封装技术后的裸芯片，在封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些。于是人们对传统的混合集成电路(HIC)进行彻底的改变，提出了多芯片组件(MCM)这种先进的封装模式。MCM是90年代以来发展较快的一种先进混合集成电路，它把几块IC芯片或CSP组装在一块电路板上，构成功能电路板，就是多芯片组件，它是电路组件功能实现系统级的基础。MCM最初还保留了HIC的一些特点，它的所有元件都布置在一个平面上，我们称之为二维MCM(2-D MCM)，不过，它的基板内互连线的布置已经是三维的。它与HIC相比有如下优点：①更高的组装密度和更优良的性能；②更大的集成规模；③更多的I／O端；④从功能上看，MCM是一种具有系统功能的高级混合集成组件；但是，随着微电子技术的进一步发展，芯片集成度的大幅度提高，对封装的要求也越来越严格，2-DMCM已不能满足要求，在很多方面甚至成为混合集成电路继续发展的障碍。为了改变这种状况，三维的多芯片组件(3-D MCM)就应运而生。3-DMCM是指元器件除了在x-y平面上展开以外，还在垂直方向(z方向)上排列，这样元器件就布置成了多层。最后所有元器件以叠层的方式被封装在一起。这样，既增加了组装密度，又缩短了芯片之间互连线长度，从而减小信号传输的延迟时间。

与2-DMCM相比，3-DMCM具有以下优越性：

①重量更轻，体积更小；

②更高的组装效率，更高的可靠性；

③缩短信号延迟时间；

④降低功耗；

⑤减小信号噪声；

⑥提高信号处理速度；

由于MCM的先进性，促使整机在小型化、多功能化、高可靠、高性能方面有了很大进展，发展势头迅猛，目前已经成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中，今后将用于工作站、个人计算机、医用电子设备和汽车电子设备等领域。

3结束语就性能、封装密度及成本节省潜力而言，各种(上接第35页)面阵列封装，如BGA／CSP、Flip Chip等的发展前景极为乐观。可以预见，将来随着技术的飞速发展，各种新的封装技术将会不断出现，从而促进SMT向更高水平发展。