組裝的作用和封裝技術(shù)的關(guān)系

1、組裝的作用和封裝技術(shù)的關(guān)系對(duì)于“組裝技術(shù)”，以往我們只是狹義地加以理解，認(rèn)為它是一種關(guān)于接合和裝配的生產(chǎn)技術(shù)。但是，當(dāng)我們對(duì)產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展方向有了深入的了解后，應(yīng)該把“組裝技術(shù)”提到一個(gè)新的高度加以認(rèn)識(shí)，因?yàn)樗呀?jīng)成為實(shí)現(xiàn)高度多樣化的電子信息產(chǎn)品的關(guān)鍵性技術(shù)。關(guān)于組裝技術(shù)的未來(lái)作用，可以歸納為如下幾類(lèi)：1、使元器件/IC正常工作，充分發(fā)揮它們的功能；2、保證所有部件之間的信息正常交換，以便實(shí)現(xiàn)作為功能部件的效能；3、把多個(gè)功能部件之間有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)作為系統(tǒng)設(shè)備的功能；4、系統(tǒng)和使用系統(tǒng)的人之間的信號(hào)交換，也就是說(shuō)建立合適的人機(jī)接口；5、作為商品，利用組裝增添誘人的魅力，從而提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。上

2、述的1、2兩項(xiàng)，與以往的認(rèn)識(shí)沒(méi)有什么不同；然而，另外3項(xiàng)的作用，作為今后組裝技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)，必須引起我們的重視。為了把這種組裝技術(shù)分解成為要素技術(shù)加以掌握，利用“組裝層級(jí)”的概念是有益的。組裝層級(jí)表示的是用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的LSI器件、封裝、模塊和系統(tǒng)等的實(shí)際層次和該層次的技術(shù)領(lǐng)域。組裝層級(jí)和半導(dǎo)體封裝技術(shù)的關(guān)系，請(qǐng)參閱圖1所示。通常，把組裝層級(jí)用級(jí)別數(shù)字加以表示。圖1：組裝層級(jí)和半導(dǎo)體封裝技術(shù)的關(guān)系半導(dǎo)體封裝技術(shù)包括組裝層級(jí)的級(jí)別1和級(jí)別2；其中，級(jí)別1是指在LSI器件上形成再布線層或外部引腳，如形成面焊盤(pán)和LSI內(nèi)部門(mén)電路的I/O端連接再布線等技術(shù)領(lǐng)域。級(jí)別2是指LSI器件的封裝級(jí)，如像內(nèi)置

3、互連基板，LSI的接合以及密封等技術(shù)領(lǐng)域，其主要是承擔(dān)上述的1、2兩項(xiàng)的作用。隨著電子信息產(chǎn)品的高速、多功能化和輕便小型化的發(fā)展，35項(xiàng)的作用變得愈來(lái)愈重要。封裝技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向?yàn)榱藵M(mǎn)足電子信息產(chǎn)品的功能要求，就要充分發(fā)揮出半導(dǎo)體器件的性能。不難想象，半導(dǎo)體封裝技術(shù)所起的作用將與日俱增，因此，半導(dǎo)體封裝形式發(fā)展迅速（詳見(jiàn)圖2所示）。如像以往是利用QFP或TSOP等外圍引腳型封裝形式；現(xiàn)在則是以BGA等焊球引腳封裝形式為主流；MCP和SIP將在今后日益普及起來(lái)。圖2  LSI封裝形式的發(fā)展半導(dǎo)體封裝所承擔(dān)的基本功能，可以簡(jiǎn)單地概括為如下4個(gè)方面： A、芯片保護(hù)功能； B、實(shí)現(xiàn)電功能

4、； C、提高處理性能和組裝接口的標(biāo)準(zhǔn)化； D、冷卻散熱功能。上述幾個(gè)方面今后也不會(huì)改變，但是所要求的具體內(nèi)容將會(huì)發(fā)生變化。一方面要滿(mǎn)足這些要求，更重要的是優(yōu)化出滿(mǎn)意的性能/價(jià)格比。芯片保護(hù)隨著LSI封裝的薄小輕便化，密封水平從嚴(yán)密的氣密型向簡(jiǎn)易的樹(shù)脂型發(fā)展。封裝尺寸小型、薄型和多級(jí)層疊結(jié)構(gòu)化的進(jìn)展，導(dǎo)致在封裝領(lǐng)域里出現(xiàn)許多重要研究課題，諸如，芯片保護(hù)、保持可靠性，進(jìn)而減少電路板組裝后的應(yīng)力乃至確保接合可靠性等。實(shí)現(xiàn)電功能    隨著LSI電路芯片的功耗增加和電路高速化，正確的信號(hào)波形輸入/輸出、穩(wěn)定的電源火線和地線系統(tǒng)以及降低電磁干擾的重要性與日俱增，特別是降低電

5、源地線上的電感、直流電阻以及寄生電容尤為重要。關(guān)于信號(hào)布線，力求增加輸入/輸出端數(shù)目、減少布線長(zhǎng)度、尋求阻抗匹配和削減LCR的離散。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，LSI電路設(shè)計(jì)和相關(guān)聯(lián)的封裝設(shè)計(jì)以及電路板設(shè)計(jì)，都愈來(lái)愈重要起來(lái)。提高處理性能和組裝接口標(biāo)準(zhǔn)化已成為主流的焊球引腳封裝形式，其材料和結(jié)構(gòu)等將會(huì)復(fù)雜和多樣化，僅是依靠以往的技術(shù)是絕對(duì)不行的。例如，對(duì)于焊球焊接后的檢測(cè)技術(shù)，電路板組裝后的結(jié)合部分檢查和薄型封裝的處理等都成為有待研究的課題。今后，焊球引腳封裝形式的間距、尺寸、材料等的電路板組裝和接口的標(biāo)準(zhǔn)化，都成為重要因素。冷卻散熱功能作為今后的發(fā)展方向，在面向大多數(shù)產(chǎn)品的LSI電路芯片里，電力消耗有

6、所增長(zhǎng)。當(dāng)LSI的功耗約在23W以上時(shí)，在封裝上安裝散熱片或者散熱器，冷卻散熱功能成為應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化的領(lǐng)域。若LSI的功耗在510W以上時(shí)，則必須強(qiáng)制冷卻；一旦LSI功耗在50W到100W以上時(shí)，空氣冷卻技術(shù)已到了極限。針對(duì)這樣的發(fā)展動(dòng)向，冷卻散熱是必須研究的項(xiàng)目。主要封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)電子信息產(chǎn)品的規(guī)?；蚬δ苁切涡紊?，它們所使用的LSI功能和集成度也都不一樣，LSI引腳數(shù)目也因用LSI的產(chǎn)品而不盡相同。今后的LSI電路的引腳數(shù)目逐漸增長(zhǎng)，詳見(jiàn)圖3所示。圖3  LSI封裝引腳數(shù)目變化預(yù)測(cè)從圖3可知，LSI的集成度（門(mén)電路個(gè)數(shù)）增加，相應(yīng)地LSI引腳數(shù)也將增加。邏輯部件里的門(mén)電路數(shù)和I/

7、O端個(gè)數(shù)的關(guān)系，遵循Roent法則，可用P=KG墓叵凳獎(jiǎng)硎盡詒澩鍤街?，P是連接到邏輯部件上的外部信號(hào)線數(shù)目，G表示邏輯部件里的門(mén)電路個(gè)數(shù)，K是比例系數(shù)，荝oent常數(shù)。通過(guò)改變常數(shù)值，包括存儲(chǔ)器電路在內(nèi)的各種LSI電路，都可用P=KG表達(dá)式。LSI引腳數(shù)目是確定封裝形式和組裝方式的重要因素之一。作為今后主要的半導(dǎo)體封裝形式，分3種加以考察，詳見(jiàn)圖4所示。也就是說(shuō)，超小型封裝、超多引腳封裝和多芯片封裝MCP共計(jì)3種封裝形式。所討論的發(fā)展趨勢(shì)也是圍繞著這3種封裝形式展開(kāi)的。圖4  主要封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)超小型封裝關(guān)于超小型封裝的形式，對(duì)象產(chǎn)品、技術(shù)動(dòng)向和研究課題分別如表1所示。作為封裝對(duì)

8、象的LSI是存儲(chǔ)器、消費(fèi)電子產(chǎn)品和便攜式產(chǎn)品用LSI。對(duì)于存儲(chǔ)器LSI的封裝，今后幾乎是向100引腳以下的封裝形式發(fā)展。消費(fèi)電子產(chǎn)品用LSI，向單片系統(tǒng)（System On a chip）方向邁進(jìn)，其引腳數(shù)目幾乎是維持在200300左右。便攜式產(chǎn)品用LSI，為提高性能向多引腳封裝形式發(fā)展，為了小型化，引腳數(shù)目也受到了限制。雙方制衡的結(jié)果是其引腳數(shù)目不可能大幅度增加；可以預(yù)測(cè)，引腳數(shù)目為300左右的LSI將成為主流封裝形式。表1  超小型封裝領(lǐng)域存儲(chǔ)器芯為了實(shí)現(xiàn)低成本競(jìng)爭(zhēng)，反復(fù)壓縮芯片面積，對(duì)于批量生產(chǎn)的存儲(chǔ)器芯片，其面積一般控制在100mm2以下。在引腳數(shù)目40以下的領(lǐng)域里，即使是T

9、SOP型封裝，尺寸也不比芯片尺寸大很多，使用BGA型封裝顯不出優(yōu)勢(shì)來(lái)。但是，若是對(duì)于引腳數(shù)目在40以上的產(chǎn)品，為了實(shí)現(xiàn)芯片尺寸封裝，作為BGA型封裝是有利的。對(duì)于邏輯電路芯片，引腳數(shù)目在100300之間時(shí)，利用QFP型封裝已經(jīng)是很大的，所以必須采用BGA封裝形式。特別是一旦引腳數(shù)達(dá)到300以上時(shí)，即使是0.80.5mm的引腳間距，同芯片尺寸相比，封裝尺寸仍然是相當(dāng)大的。因此，今后引腳的間距一定會(huì)向細(xì)間距方向發(fā)展，特別是在CSP領(lǐng)域里，預(yù)計(jì)將要使用0.4mm0.3mm的間距，詳情如圖5所示。圖5  LSI封裝外部引腳間距變化預(yù)測(cè)為了同時(shí)適應(yīng)多引腳數(shù)和小型化需求，從能夠得到更多引腳的方面

10、考慮，選用焊球引腳封裝形式是有利的。但是，從把焊球安裝到基板上的觀點(diǎn)考慮，焊球引腳封裝形式將帶來(lái)諸多問(wèn)題，如基板布線困難，迫使基板多層化等。超多引腳封裝    關(guān)于超多引腳封裝形式、對(duì)象產(chǎn)品、技術(shù)動(dòng)向和課題的概要情況，分別如表2所示。OA機(jī)器（中規(guī)模系統(tǒng)）用LSI封裝，雖然已超過(guò)500個(gè)引腳，但是，由于要提高數(shù)據(jù)處理能力（帶寬）不得不增加信號(hào)引腳，用于屏蔽干擾和饋電的電源地線的引腳也持續(xù)增長(zhǎng)，可以預(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)，封裝引腳數(shù)目達(dá)到1000以上將是主流封裝形式。高性能機(jī)器（高檔系統(tǒng)）用LSI，因?yàn)樾阅芫邆渥罡邇?yōu)先權(quán)，預(yù)計(jì)封裝的引腳數(shù)目將達(dá)到3000到10000之間

11、。表2  超多引腳封裝領(lǐng)域超多引腳封裝之所以選擇BGA封裝結(jié)構(gòu)，不僅是適應(yīng)多引腳而且也是為了適應(yīng)高功耗和高速度要求。今后不僅是高檔系統(tǒng)，即使是在OA機(jī)器里，LSI電路之間的信號(hào)傳送頻率也將跨入GH2區(qū)域（參閱圖6）。因此，布線電阻在高頻電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓降問(wèn)題或布線的傳播延遲等問(wèn)題，都顯現(xiàn)了出來(lái)。圖6  LSI芯片之間信號(hào)傳送頻率變化預(yù)測(cè)當(dāng)進(jìn)行具體分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，供電電源低的情況下，LSI功耗很大（每W消耗的電流很大），由于布線精細(xì)化導(dǎo)致封裝內(nèi)布線電阻增大，同步信號(hào)數(shù)量增大和高速度（SSO噪聲干擾），電源/地線寄生電感問(wèn)題，器件內(nèi)外布線延遲和干擾等諸多問(wèn)題都有待研究。作為對(duì)策，必

12、須竭力縮短器件內(nèi)部和封裝內(nèi)的電源/地線和信號(hào)布線長(zhǎng)度，F(xiàn)C BGA封裝最適宜。LSI的I/O部分設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)，都必須在3維解析的基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)。多芯片封裝關(guān)于多芯片封裝形式，對(duì)象產(chǎn)品、技術(shù)動(dòng)向和課題，參見(jiàn)表3所示。作為便攜式產(chǎn)品，如移動(dòng)電話(huà)手機(jī)，對(duì)采用多芯片封裝（MCP）或堆層封裝結(jié)構(gòu)非常積極。對(duì)于堆層CSP來(lái)說(shuō)，早在1998年時(shí)就出現(xiàn)了兩芯片堆疊的CSP，緊接著于1999年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了商品化。2000年以后，在移動(dòng)電話(huà)或信息通信終端里正式開(kāi)始應(yīng)用，2001年時(shí)已有4芯片堆疊的產(chǎn)品上市。芯片的接合方法，雖說(shuō)引線鍵合是主流工藝，但是FC技術(shù)也剛開(kāi)始實(shí)用化，可以預(yù)測(cè)今后這兩種技術(shù)混用的情況將會(huì)增加。堆層的CSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了降低組裝面積和輕便化的目標(biāo)；而在功能方面，實(shí)現(xiàn)新一代大容量復(fù)合存儲(chǔ)器，或把控制用LSI、快閃存儲(chǔ)器和SRAM在單個(gè)封裝里構(gòu)成高功能系統(tǒng)LSI也是可能的?？梢灶A(yù)計(jì)，今后作為混合裝配不同種類(lèi)器件的SIP將會(huì)實(shí)用化。開(kāi)發(fā)用于SIP的基本技術(shù)如下： 構(gòu)筑SIP的設(shè)計(jì)/模擬環(huán)境 （A.平面圖；B.信號(hào)完整性；C.熱設(shè)計(jì)等）； SIP結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)（A.精細(xì)多層布線技術(shù)；B.精細(xì)多引腳接合技術(shù)；C.芯片再布線、超薄形研磨芯片/粘合技術(shù)等）； 檢測(cè)技術(shù)（A.簡(jiǎn)易測(cè)試技術(shù)；b.裸芯片檢測(cè)技術(shù)；C.可靠性研究等）。人們殷切地期望上述的各項(xiàng)