電子封裝技術(shù)的發(fā)展

電子封裝技術(shù)的發(fā)展一、封裝技術(shù)的發(fā)展從80年代中后期，開始電子產(chǎn)品正朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展，這種市場需求對電路組裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，單位體積信息的提高（高密度）和單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）成為促進(jìn)微電子封裝技術(shù)發(fā)展的重要因素。1.1片式元件：小型化、高性能片式元件是應(yīng)用最早、產(chǎn)量最大的表面組裝元件。它主要有以厚薄膜工藝制造的片式電阻器和以多層厚膜共燒工藝制造的片式獨(dú)石電容器，這是開發(fā)和應(yīng)用最早和最廣泛的片式元件。隨著工業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場對電子設(shè)備小型化、高性能、高可靠性、安全性和電磁兼容性的需求，對電子電路性能不斷地提出新的要求，片式元件進(jìn)一步向小型化、多層化、大容量化、耐高壓、集成化和高性能化方向發(fā)展。在鋁電解電容和鉭電解電容片式化后，現(xiàn)在高Q值、耐高溫、低失真的高性能MLCC已投放市場；介質(zhì)厚度為10um的電容器已商品化，層數(shù)高達(dá)100層之多；出現(xiàn)了片式多層壓敏和熱敏電阻，片式多層電感器，片式多層扼流線圈，片式多層變壓器和各種片式多層復(fù)合元件；在小型化方面，規(guī)格尺寸從3216-2125-1608-1005發(fā)展，目前最新出現(xiàn)的是0603（長0.6mm，寬0.3mm），體積縮小為原來的0.88%。 集成化是片式元件未來的另一個(gè)發(fā)展趨勢，它能減少組裝焊點(diǎn)數(shù)目和提高組裝密度，集成化的元件可使Si效率（芯片面積/基板面積）達(dá)到80%以上，并能有效地提高電路性能。由于不在電路板上安裝大量的分立元件，從而可極大地解決焊點(diǎn)失效引起的問題。1.2芯片封裝技術(shù)：追隨IC的發(fā)展而發(fā)展數(shù)十年來，芯片圭寸裝技術(shù)一直追隨著IC的發(fā)展而發(fā)展，一代IC就有相應(yīng)一代的封裝技術(shù)相配合，而SMT的發(fā)展，更加促進(jìn)芯片封裝技術(shù)不斷達(dá)到新的水平。六七十年代的中、小規(guī)模IC，曾大量使用TO型封裝，后來又開發(fā)出DIP、PDIP，并成為這個(gè)時(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品形式。八十年代出現(xiàn)了SMT，相應(yīng)的IC封裝形式開發(fā)出適于表面貼裝短引線或無引線的LCCC、PLCC、SOP等結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)十多年研制開發(fā)的QFP不但解決了LSI的封裝問題，而且適于使用SMT在PCB或其他基板上表面貼裝，使QFP終于成為SMT主導(dǎo)電子產(chǎn)品并延續(xù)至今。為了適應(yīng)電路組裝密度的進(jìn)一步提高，QFP的引腳間距目前已從1.27mm發(fā)展到了0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I/O數(shù)不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產(chǎn)帶來了許多困難，導(dǎo)致成品率下降和組裝成本的提高。另一方面由于受器件引腳框架加工精度等制造技術(shù)的限制0.3mm已是QFP引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。于是一種先進(jìn)的芯片封裝BGA(BallGridArray)應(yīng)運(yùn)而生，BGA是球柵陣列的英文縮寫，它的I/O端子以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，引線間距大，引線長度短oBGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I/O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù)的高I/O數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。BGA的興起和發(fā)展盡管解決了QFP面臨的困難，但它仍然不能滿足電子產(chǎn)品向更加小型、更多功能、更高可靠性對電路組件的要求，也不能滿足硅集成技術(shù)發(fā)展對進(jìn)一步提高封裝效率和進(jìn)一步接近芯片本征傳輸速率的要求，所以更新的封裝CSP(ChipSizePackage)又出現(xiàn)了，它的英文含義是封裝尺寸與裸芯片相同或封裝尺寸比裸芯片稍大。日本電子工業(yè)協(xié)會對CSP規(guī)定是芯片面積與封裝尺寸面積之比大于80%oCSP與BGA結(jié)構(gòu)基本一樣，只是錫球直徑和球中心距縮小了、更薄了，這樣在相同封裝尺寸時(shí)可有更多的I/O數(shù)，使組裝密度進(jìn)一步提高，可以說CSP是縮小了的BGAoCSP之所以受到極大關(guān)注，是由于它提供了比BGA更高的組裝密度，而比采用倒裝片的板極組裝密度低。但是它的組裝工藝卻不像倒裝片那么復(fù)雜，沒有倒裝片的裸芯片處理問題，基本上與SMT的組裝工藝相一致，并且可以像SMT那樣進(jìn)行預(yù)測和返工。正是由于這些無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，才使CSP得以迅速發(fā)展并進(jìn)入實(shí)用化階段。目前日本有多家公司生產(chǎn)CSP,而且正越來越多地應(yīng)用于移動電話、數(shù)碼錄像機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品上。從CSP近幾年的發(fā)展趨勢來看，CSP將取代QFP成為高I/O端子IC封裝的主流。為了最終接近IC本征傳輸速度，滿足更高密度、更高功能和高可靠性的電路組裝的要求，還必須發(fā)展裸芯片(Barechip)技術(shù)。裸芯片技術(shù)有兩種主要形式：一種是COB技術(shù)，另一種是倒裝片技術(shù)(Flipchip)。COB技術(shù)用COB技術(shù)封裝的裸芯片是芯片主體和I/O端子在晶體上方，在焊接時(shí)將此裸芯片用導(dǎo)電/導(dǎo)熱膠粘接在PCB上,凝固后，用Bonder機(jī)將金屬絲(Al或Au)在超聲、熱壓的作用下，分別連接在芯片的I/O端子焊區(qū)和PCB相對應(yīng)的焊盤上，測試合格后，再封上樹脂膠。與其它封裝技術(shù)相比，COB技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉；節(jié)約空間；工藝成熟。COB技術(shù)也存在不足，即需要另配焊接機(jī)及封裝機(jī)，有時(shí)速度跟不上；PCB貼片對環(huán)境要求更為嚴(yán)格；無法維修等。Flipchip技術(shù)Flipchip,又稱為倒裝片，與COB相比，芯片結(jié)構(gòu)和I/O端(錫球)方向朝下，由于I/O引出端分布于整個(gè)芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flipchip已達(dá)到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術(shù)的手段來加工，故是芯片封裝技術(shù)及高密度安裝的最終方向。90年代，該技術(shù)已在多種行業(yè)的電子產(chǎn)品中加以推廣，特別是用于便攜式的通信設(shè)備中。裸芯片技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的微電子封裝技術(shù)。隨著電子產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小，裸芯片的應(yīng)用將會越來越廣泛。從1997年以來裸芯片的年增長率已達(dá)到30%之多，發(fā)展較為迅速的裸芯片應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)的相關(guān)部件，如微處理器、高速內(nèi)存和硬盤驅(qū)動器等。除此之外，一些便攜式設(shè)備，如電話機(jī)和傳呼機(jī)，也可望于近期大量使用這一先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。最終所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品由于對高性能的要求和小型化的發(fā)展趨勢，也將大量使用裸芯片技術(shù)。元器件的縮小則可以大大推進(jìn)電子產(chǎn)品體積的縮小，以移動電話為例，90年代重220g,而現(xiàn)在最輕的已達(dá)57克，可以很容易地放進(jìn)上衣口袋里。1.3微組裝：新一代組裝技術(shù)微組裝技術(shù)是90年代以來在半導(dǎo)體集成電路技術(shù)、混合集成電路技術(shù)和表面組裝技術(shù)(SMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代電子組裝技術(shù)。微組裝技術(shù)是在高密度多層互連基板上，采用微焊接和封裝工藝組裝各種微型化片式元器件和半導(dǎo)體集成電路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三維立體機(jī)構(gòu)的高級微電子組件的技術(shù)。多芯片組件(MCM)就是當(dāng)前微組裝技術(shù)的代表產(chǎn)品。它將多個(gè)集成電路芯片和其他片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，然后封裝在外殼內(nèi)，是電路組件功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的基礎(chǔ)。MCM采用DCA(裸芯片直接安裝技術(shù))或CSP，使電路圖形線寬達(dá)到幾微米到幾十微米的等級。在MCM的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與外部電路連接的扁平引線，間距為0.5mm，把幾塊MCM借助SMT組裝在普通的PCB上就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)或系統(tǒng)的功能。當(dāng)前MCM已發(fā)展到疊裝的三維電子封裝(3D)，即在二維X、Y平面電子封裝(2D)MCM基礎(chǔ)上，向Z方向，即空間發(fā)展的高密度電子封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D，不但使電子產(chǎn)品密度更高，也使其功能更多，傳輸速度更快，性能更好，可靠性更好，而電子系統(tǒng)相對成本卻更低。對MCM發(fā)展影響最大的莫過于IC芯片。因?yàn)镸CM高成品率要求各類IC芯片都是良好的芯片(KGD)，而裸芯片無論是生產(chǎn)廠家還是使用者都難以全面測試?yán)匣Y選，給組裝MCM帶來了不確定因素。CSP的出現(xiàn)解決了KGD問題，CSP不但具有裸芯片的優(yōu)點(diǎn)，還可像普通芯片一樣進(jìn)行測試?yán)匣Y選，使MCM的成品率才有保證，大大促進(jìn)了MCM的發(fā)展和推廣應(yīng)用。二、封裝技術(shù)封的種類自二十世紀(jì)幾十年代以來迅速發(fā)展的新型微電子封裝技術(shù)，包括寒秋陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、原片級封裝(WLP)、三位封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項(xiàng)技術(shù)。2.1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。這種BGA的突出的優(yōu)點(diǎn)：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(gè)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(shí)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(shí)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(yùn)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(diǎn)。但是當(dāng)PQFP的引線節(jié)距達(dá)到0.5mm時(shí)，它的組裝技術(shù)的復(fù)雜性將會增加。所以PQFP一般用于較低引線數(shù)(208條)和較小的封裝休尺寸(28mm見方)。因此，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(diǎn)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(qiáng);③可返修性強(qiáng)。 FCBGA所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括芯片凸點(diǎn)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(diǎn)材料：Au、PbSn和AuSn等；凸點(diǎn)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。 2.2芯片尺寸封裝(CSP) 芯片尺寸封裝(CSP)和BGA是同一時(shí)代的產(chǎn)物，是整機(jī)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(rèn)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(diǎn)：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保三、國內(nèi)外比較我國封裝技術(shù)與國外封裝技術(shù)的差距所在封裝技術(shù)人才嚴(yán)重短缺、缺少制程式改善工具的培訓(xùn)及持續(xù)提高培訓(xùn)的經(jīng)費(fèi)及手段。先進(jìn)的封裝設(shè)備、封裝材料及其產(chǎn)業(yè)鏈滯后，配套不拿且質(zhì)量不穩(wěn)定。封裝技術(shù)研發(fā)能力不足，生產(chǎn)工藝程序設(shè)計(jì)不周傘，可操作性差，執(zhí)行能力弱。封裝設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)能力欠偉，缺少有經(jīng)驗(yàn)的維修工程師，且可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全，失效分析(FA)能力不足。國內(nèi)封裝企業(yè)除個(gè)別企業(yè)外，普遍規(guī)模較小，從事低端產(chǎn)品生產(chǎn)的居多，可持續(xù)發(fā)展能力低，缺乏向高檔發(fā)展的技術(shù)和資金。(6)缺少團(tuán)隊(duì)精神，缺乏流程整合、持續(xù)改善、精細(xì)管理的精神，缺少現(xiàn)代企業(yè)管理的機(jī)制和理念。先進(jìn)封裝在推動更高性能、更低功耗、更低成本和更小形狀因子的產(chǎn)品上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在芯片-封裝協(xié)同設(shè)計(jì)以及為滿足各種可靠性要求而使用具成本效益的材料和工藝方面，還存在很多挑戰(zhàn)。為滿足當(dāng)前需求并使設(shè)備具備高產(chǎn)量大產(chǎn)能的能力，業(yè)界還需要在技術(shù)和制造方面進(jìn)行眾多的創(chuàng)新研究。在能量效率、醫(yī)療護(hù)理、公共安全和更多領(lǐng)域，都需要?jiǎng)?chuàng)新的封裝解決方案。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。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(jìn)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。微電子封裝必須與時(shí)俱進(jìn)才能發(fā)展。國際微電子封裝的歷史證明了這一點(diǎn)。我國微電子封裝如何與時(shí)俱進(jìn)?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(diǎn)上，我們可以很好地借鑒韓國和臺灣的經(jīng)驗(yàn)。 (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(jì)效益，不斷發(fā)展。我們曾倡議把手機(jī)和雷達(dá)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。我們國家已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，在電子學(xué)會，已經(jīng)有不少分會和機(jī)構(gòu)。技術(shù)領(lǐng)域已涉及電子電路、電子封裝、表面貼裝、電子裝聯(lián)、電子材料、電子專用設(shè)備、電子焊接和電子電鍍等。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。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(gè)或多個(gè)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(shí)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。應(yīng)該說，一級封裝包含了從圓片裂片到電路測試的整個(gè)工藝過程，即我們常說的后道封裝，還要包含單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)的設(shè)計(jì)和制作，以及各種封裝材料如引線鍵合絲、引線框架、裝片膠和環(huán)氧模塑料等內(nèi)容。這一級也稱芯片級封裝。二級封裝就是將一級微電子封裝產(chǎn)品連同無源元件一同安裝到印制板或其它基板上，成為部件或整機(jī)。這一級所采用的安裝技術(shù)包括通孔安裝技術(shù)(THT)、表面安裝技術(shù)(SMT)和芯片直接安裝技術(shù)(DCA)。二級封裝還應(yīng)該包括雙層、多層印制板、柔性電路板和各種基板的材料、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)。這一級也稱板級封裝。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(jī)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(jì)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(gè)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。在國際上，微電子封裝是一個(gè)很廣泛的概念，包含組裝和封裝的多項(xiàng)內(nèi)容。微電子封裝所包含的范圍應(yīng)包括單芯片封裝(SCP)設(shè)計(jì)和制造、多芯片封裝(MCM)設(shè)計(jì)和制造、芯片后封裝工藝、各種封裝基板設(shè)計(jì)和制造、芯片互連與組裝、封裝總體電性能、機(jī)械性能、熱性能和可靠性設(shè)計(jì)、封裝材料、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項(xiàng)內(nèi)容。有人說，微電子封裝就是封裝外殼;又有人說微電子封裝不過是無源元件，不可能是有源;還有人說，微電子封裝不過是個(gè)包封體，可有可無，等等。這些看法都是片面的，不正確的。我們應(yīng)該把現(xiàn)有的認(rèn)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?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段。第一階段，在二十世紀(jì)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(jì)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(shí)，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(yùn)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(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品。第三階段，在二十世紀(jì)九十年代以后，以面陣列封裝形式為主。二十世紀(jì)九十年代初，集成電路發(fā)展到了超大規(guī)模階段，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度發(fā)展，因此集成電路封裝從四邊引線型向平面陣列型發(fā)展，發(fā)明了焊球陣列封裝(BGA),并很快成為主流產(chǎn)品。后來又開發(fā)出了各種封裝體積更小的CSP。也就是在同一時(shí)期，多芯片組件(MCM)蓬勃發(fā)展起來，也被稱為電子封裝的一場革命。因基板材料的不同分為多層陶瓷基板MCM(MCM-C)。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)。與此同時(shí)，由于電路密度和功能的需要，3D封裝和系統(tǒng)封裝(SIP)也迅速發(fā)展起來。本文就把在二十世紀(jì)九十年代以來發(fā)展起來的封裝稱為新型微電子封裝。下面就對BGA、CSP、3D和SIP分別進(jìn)行敘述。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。這種BGA的突出的優(yōu)點(diǎn)：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(gè)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(shí)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(shí)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(yùn)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(diǎn)。但是當(dāng)PQFP的引線節(jié)距達(dá)到0.5mm時(shí)，它的組裝技術(shù)的復(fù)雜性將會增加。所以PQFP一般用于較低引線數(shù)(208條)和較小的封裝休尺寸(28mm見方)。因此，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(diǎn)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(qiáng);③可返修性強(qiáng)。FCBGA所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括芯片凸點(diǎn)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(diǎn)材料：Au、PbSn和AuSn等；凸點(diǎn)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)芯片尺寸封裝(CSP)和BGA是同一時(shí)代的產(chǎn)物，是整機(jī)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(rèn)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(diǎn)：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保護(hù)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(diǎn)芯片載體(BCC)、QFN型CSP、芯片迭層型CSP和圓片級CSP(WLCSP)等OCSP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(gè)IC芯片后再實(shí)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(dú)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(diǎn)外，它還具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①封裝加工效率高，可以多個(gè)圓片同時(shí)加工;②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)制作兩個(gè)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。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(diǎn)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)。另外將方形鋁焊盤改為易于與焊料粘接的圓形銅焊盤，重新布線中濺射的凸點(diǎn)下金屬(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu應(yīng)有足夠的厚度(如數(shù)百微米)，以便使焊料凸點(diǎn)連接時(shí)有足夠的強(qiáng)度，也可以用電鍍加厚Cu層。焊料凸點(diǎn)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、Tl/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(diǎn)材料有Au、PbSn、AuSn、In等。電子產(chǎn)品正朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展，這種市場需求對電路組裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，單位體積信息的提高（高密度）和單位時(shí)間處理速度的提高（高速化）成為促進(jìn)微電子封裝技術(shù)發(fā)展的重要因素。片式元件：小型化、高性能片式元件是應(yīng)用最早、產(chǎn)量最大的表面組裝元件。它主要有以厚薄膜工藝制造的片式電阻器和以多層厚膜共燒工藝制造的片式獨(dú)石電容器，這是開發(fā)和應(yīng)用最早和最廣泛的片式元件。隨著工業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場對電子設(shè)備小型化、高性能、高可靠性、安全性和電磁兼容性的需求，對電子電路性能不斷地提出新的要求，片式元件進(jìn)一步向小型化、多層化、大容量化、耐高壓、集成化和高性能化方向發(fā)展。在鋁電解電容和鉭電解電容片式化后，現(xiàn)在高Q值、耐高溫、低失真的高性能MLCC已投放市場；介質(zhì)厚度為10um的電容器已商品化，層數(shù)高達(dá)100層之多；出現(xiàn)了片式多層壓敏和熱敏電阻，片式多層電感器，片式多層扼流線圈，片式多層變壓器和各種片式多層復(fù)合元件；在小型化方面，規(guī)格尺寸從3216-2125-1608-1005發(fā)展，目前最新出現(xiàn)的是0603（長0.6mm，寬0.3mm），體積縮小為原來的0.88%。集成化是片式元件未來的另一個(gè)發(fā)展趨勢，它能減少組裝焊點(diǎn)數(shù)目和提高組裝密度，集成化的元件可使Si效率（芯片面積/基板面積）達(dá)到80%以上，并能有效地提高電路性能。由于不在電路板上安裝大量的分立元件，從而可極大地解決焊點(diǎn)失效引起的問題。芯片圭寸裝技術(shù)：追隨IC的發(fā)展而發(fā)展數(shù)十年來，芯片圭寸裝技術(shù)一直追隨著IC的發(fā)展而發(fā)展，一代IC就有相應(yīng)一代的封裝技術(shù)相配合，而SMT的發(fā)展，更加促進(jìn)芯片封裝技術(shù)不斷達(dá)到新的水平。六七十年代的中、小規(guī)模IC,曾大量使用TO型封裝，后來又開發(fā)出DIP、PDIP，并成為這個(gè)時(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品形式。八十年代出現(xiàn)了SMT，相應(yīng)的IC封裝形式開發(fā)出適于表面貼裝短引線或無引線的LCCC、PLCC、SOP等結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)十多年研制開發(fā)的QFP不但解決了LSI的封裝問題，而且適于使用SMT在PCB或其他基板上表面貼裝，使QFP終于成為SMT主導(dǎo)電子產(chǎn)品并延續(xù)至今。為了適應(yīng)電路組裝密度的進(jìn)一步提高，QFP的引腳間距目前已從1.27mm發(fā)展到了0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I/O數(shù)不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產(chǎn)帶來了許多困難，導(dǎo)致成品率下降和組裝成本的提高。另一方面由于受器件引腳框架加工精度等制造技術(shù)的限制0.3mm已是QFP引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。于是一種先進(jìn)的芯片封裝BGA(BallGridArray)應(yīng)運(yùn)而生，BGA是球柵陣列的英文縮寫，它的I/O端子以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，引線間距大，引線長度短。BGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I/O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù)的高I/O數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。BGA的興起和發(fā)展盡管解決了QFP面臨的困難，但它仍然不能滿足電子產(chǎn)品向更加小型、更多功能、更高可靠性對電路組件的要求，也不能滿足硅集成技術(shù)發(fā)展對進(jìn)一步提高封裝效率和進(jìn)一步接近芯片本征傳輸速率的要求，所以更新的封裝CSP(ChipSizePackage)又出現(xiàn)了，它的英文含義是封裝尺寸與裸芯片相同或封裝尺寸比裸芯片稍大。日本電子工業(yè)協(xié)會對CSP規(guī)定是芯片面積與封裝尺寸面積之比大于80%。CSP與BGA結(jié)構(gòu)基本一樣，只是錫球直徑和球中心距縮小了、更薄了，這樣在相同封裝尺寸時(shí)可有更多的I/O數(shù)，使組裝密度進(jìn)一步提高，可以說CSP是縮小了的BGA。CSP之所以受到極大關(guān)注，是由于它提供了比BGA更高的組裝密度，而比采用倒裝片的板極組裝密度低。但是它的組裝工藝卻不像倒裝片那么復(fù)雜，沒有倒裝片的裸芯片處理問題，基本上與SMT的組裝工藝相一致，并且可以像SMT那樣進(jìn)行預(yù)測和返工。正是由于這些無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，才使CSP得以迅速發(fā)展并進(jìn)入實(shí)用化階段。目前日本有多家公司生產(chǎn)CSP，而且正越來越多地應(yīng)用于移動電話、數(shù)碼錄像機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品上。從CSP近幾年的發(fā)展趨勢來看，CSP將取代QFP成為高I/O端子IC封裝的主流。為了最終接近IC本征傳輸速度，滿足更高密度、更高功能和高可靠性的電路組裝的要求，還必須發(fā)展裸芯片(Barechip)技術(shù)。從1997年以來裸芯片的年增長率已達(dá)到30%之多，發(fā)展較為迅速的裸芯片應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)的相關(guān)部件，如微處理器、高速內(nèi)存和硬盤驅(qū)動器等。除此之外，一些便攜式設(shè)備，如電話機(jī)和傳呼機(jī)，也可望于近期大量使用這一先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。最終所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品由于對高性能的要求和小型化的發(fā)展趨勢，也將大量使用裸芯片技術(shù)。表2是引腳數(shù)都為160的QFP、CSP、Barechip在外形、尺寸上的比較。從表中可以看出若以0.65mmQFP(160pin)面積為1,則同樣引腳CSP，其占用面積為0.17，而采用Barechip其占用面積僅為0.12。元器件的縮小