Технология PCB - Внедрение и анализ новой технологии микроэлектронной упаковки

1 введение

Схемная промышленность стала ключом к развитию национальной экономики, а интегральные схемы проектировать, производство, упаковка и тестирование являются тремя столпами индустрии интегральных схем. Это мнение и установлено на всех местах. Микроэлектронный корпус не только напрямую влияет на электрическую, механическую, оптическую, тепловую характеристику самой интегральной схемы, но и влияет на его надежность и стоимость. Это также определяет миниатюрность, многофункциональность,надежность и стоимость, microelectronic packaging is getting more and more attention from people, and it is in a stage of vigorous development both at home and abroad. в данной статье делается попытка напомнить о стремительном развитии новых технологий микроэлектронной упаковки с 90 - х годов, including ball array packaging (BGA), chip size packaging (CSP), wafer level packaging (WLP), three-dimensional packaging (3D) and System packaging (SIP) and other technologies. Introduce their development status and technical characteristics. одновременно, the concept of microelectronics three-level packaging is described. и высказал ряд соображений и предложений в отношении развития новых технологий микроэлектронной упаковки в нашей стране. This article attempts to review the rapid development of new microelectronic packaging technologies since the 1990s, including ball array packaging (BGA), chip size packaging (CSP), wafer level packaging (WLP), three-dimensional packaging (3D) and System packaging (SIP) and other technologies. Introduce their development status and technical characteristics. одновременно, the concept of microelectronics three-level packaging is described. And put forward some thoughts and suggestions for the development of my country's new microelectronic packaging technology.

2 Microelectronics three-level packaging

For микроэлектронная упаковка, Мы должны сначала описать концепцию упаковки уровня 3. Generally speaking, микроэлектронная упаковка разделена на три уровня. The so-called first-level packaging is to encapsulate one or more integrated circuit chips in a suitable packaging form after the semiconductor wafer is split, and use wire bonding (WB) and carrier tape for the welding area of the chip есть external pins of the package. Automatic bonding (TAB) and flip chip bonding (FCB) are connected to make them become electronic components or assemblies with practical functions. The first-level package includes two categories: single-chip module (SCM) and multi-chip module (MCM). The third-level packaging is to connect the second-level packaged products with the motherboard through layer selection, соединять розетки или гибкие платы, образуя трехмерный пакет, образуя полную систему. This level of packaging should include connectors and laminates Assembling and flexible circuit boards and other related materials, проектировать сборочная техника. This level is also called system-in-package. так называемая микроэлектронная упаковка - это целая концепция, including all technical content from one-pole packaging to three-pole packaging. Мы должны интегрировать наши знания в международную систему микроэлектроники., which will not only benefit the technical exchanges between my country's microelectronic packaging industry and foreign countries, и развитие самой микроэлектронной упаковки в нашей стране.

- 3... New microelectronic packaging technology

The history of integrated circuit packaging is divided into three stages. этап I, before the 1970s, упаковка в коробку. Including the original metal circular (TO type) package, later ceramic dual in-line package (CDIP), ceramic-glass dual in-line package (CerDIP) and plastic dual in-line package (PDIP). особенно, PDIP с отличными характеристиками стал основным продуктом, низкозатратное и крупномасштабное производство. In the second stage, После 80 - х годов хх века, the surface mount type four-side lead package was the main one. тогда, the surface mount technology was called a revolution in the field of electronic packaging, и быстро развивается. Correspondingly, многие виды упаковки, подходящие для технологии упаковки поверхности, such as plastic leaded chip package (PLCC), plastic quad flat package (PQFP), plastic small outline package (PSOP), четырехплоскостная упаковка без свинца, сорт. формирование и быстрое развитие упаковки. из - за высокой плотности, small lead pitch, низкая стоимость, пригодность для монтажа поверхности, PQFP became the leading product in this period. Этап III, after the 1990s, в основном в виде плоской решетки. Thin film multilayer substrate MCM (MCM-D), plastic multilayer printed circuit board MCM (MCM-L) and thick film substrate MCM (MCM-C/D).

3.13D package

There are three main types of 3D packaging, скрытый 3D - пакет. There are currently three main ways: one is to "embed" R, компоненты C или IC в различных базовых или многослойных диэлектриках, Затем установить SMC и SMD на верхнем этаже, чтобы осуществить трехмерный пакет, this structure is called embedded 3D packaging; the second is to implement multi-layer wiring on the active substrate after silicon wafer scale integration (WSl), затем сборка верхнего слоя SMC и SMD в трехмерный пакет. This structure is called an active substrate type 3D package; the third type is based on the 2D package by stacking multiple bare chips, пакетный чип, multi-chip components and even wafа. соединение для формирования трехмерной герметизации. This structure is called a stacked 3D package. В этих 3D типах упаковки, the fastest growing is stacked bare chip packaging. есть две причины. First, большой рынок мобильных телефонов и других потребительских товаров требует, чтобы увеличение функции при одновременном снижении толщины упаковки. The second is that the process it uses is basically compatible with the traditional process, Она может быть изготовлена серийно, усовершенствована и вскоре выпущена на рынок. According to Prismarks forecast, объем продаж мобильных телефонов в мире увеличится с 393 миллионов в 2001 году до 785 - 1144 миллионов в 2006 году. Ежегодный прирост составил 15 - 24%. поэтому, По оценкам, с настоящего времени и до 2006 года упаковка голых чипов будет расти на 50 - 60%.. Figure 6 shows the appearance of the stacked bare chip package. текущий уровень и тенденции в этой области показаны в таблице 3..

укладка голых кристаллов в две упаковки. О is the pyramid type, размер голых чипов с нижнего слоя становится все меньше; другой - консольный, where the size of the stacked chip is the same. начальная стадия применения мобильного телефона, stacked bare chip packaging was mainly to stack FlashMemory and SRAM together. сейчас, FlashMemory, драм, логическая ИС, and analog IC can be stacked together. упаковка голых чипов включает следующие основные технологии:. ‘  Wafer thinning technology, Потому что мобильные телефоны и другие продукты нужно упаковывать, the current packaging thickness is required to be below 1.2 мм или 1 мм.0mm. количество пакетных чипов продолжает расти, Поэтому чип должен быть тонким. The methods of wafer thinning include mechanical grinding, chemical etching or ADP (Atmosphere Downstream Plasma). Mechanical grinding thinning is generally about 150μm. плазменное травление может достичь 100, and the thinning of 75-50μm is under development; ‘¡Low arc bonding, Потому что толщина стружки меньше 150, высокая дуга должна быть меньше 150. сейчас, 25.00, нормальная высота зигзага 125.0, but after the reverse wire bonding optimization process, высота дуги до 75 × четверть м или меньше. At the same time, the reverse wire bonding technology needs to add a bending process to ensure the gap between the different bonding layers; ‘¢The wire bonding technology on the cantilever beam, удлинение консольной балки, the greater the chip deformation during bonding, and the проектировать and optimization must be optimized. Process; ‘£ Wafer bump production technology; ‘¤ No-swing (NOSWEEP) molding technology for bonding wires. Due to the higher bonding wire density, длинная длина и более сложные формы, the possibility of короткий circuits is increased. использование низковязкостных мод пластмасс и снижение скорости перехода модели поможет уменьшить колебания линии связи. сейчас, the bonding wire no-swing (NOSWEEP) molding technology has been invented.

3.2 Ball Array Package (BGA)

В начале 90 - х годов прошлого века во всем мире была разработана новая система упаковки (BGA).

я/O terminals of the BGA package are distributed under the package in the form of circular or columnar solder joints. Хотя преимущество технологии BGA заключается в том, что/O pins has increased, расстояние между штифтами не уменьшается, а увеличивается.. Improves the assembly yield; although its power consumption increases, BGA можно сварить с помощью управляемого складного кристалла, может повысить его электротермические свойства; по сравнению с предыдущими технологиями упаковки, толщина и вес уменьшились; уменьшение паразитных параметров, The signal transmission delay is small, значительно повысить частота использования; стыковая сварка, and the reliability is high.

это главное преимущество BGA: лучшее электрическое свойство: BGA использует мяч, а не провод, путь к короткому наведению, reducing pin delay, сопротивляться, capacitance and inductance; ‘¡The packaging density is higher; because the solder balls are arranged on the entire plane , Поэтому для одного и того же района, выше количество ссылок. For example, когда расстояние между паяльными шариками составляет 1 мм, граница 31 мм имеет 900 штырей BGA. In contrast, длина края 32 мм, расстояние между штифтом 0.5 мм has only 208 pins; ‘¢BGA section The distances are 1.5 мм, 1.27 мм, 1.0mm, 0.8 мм, 0.65mm and 0.5mm, which are fully compatible with the existing surface mounting technology and equipment, and the installation is more reliable; ‘£The surface tension when the solder melts is "self-aligned" "Effect, avoiding the loss of traditional package lead deformation, greatly improving the assembly yield; ‘¤BGA pins are firm and easy to transfer; ‘¥The solder ball lead form is also suitable for multi-chip components and system packaging. Therefore, BGA has been explosively developed. BGA due to different substrate materials include plastic ball array package (PBGA), ceramic ball array package (CBGA), carrier tape ball array package (TBGA), heat sink ball array package (EBGA), metal ball array Package (MBGA), as well as Flip Chip Ball Array Package (FCBGA. PQFP can be applied to surface mounting, which is its main advantage. но при достижении отметки 0.5mm, its assembly technology is complicated Will increase. В случае если количество проводов превышает 200 и размер упаковки превышает 28 кв.мм, упаковка в BGA является неизбежным выбором замены PQFP. Among the above types of BGA packages, FCBGA has the most hope to become the fastest growing BGA package , Let™s take it as an example to describe the process technology and materials of BGA. In addition to all the advantages of BGA, FCBGA also has: ‘ Excellent thermal performance, and a heat sink can be installed on the back of the chip; ‘¡High reliability, Поскольку под чипом имеется наполнитель, функция FCBGA значительно повысила утомительную жизнь FCBGA; У него сильная способность к работе.

поскольку другие компоненты уже установлены на поверхности сборочной доски, необходимо использовать небольшой шаблон BGA. толщина опалубки и размер отверстия должны определяться по диаметру и расстоянию шаров. после печати необходимо проверить качество печати. если не подходит, необходимо очистить PCB. очистка после сушки и перепечатка. для CSP с расстоянием шара менее 0,4 мм не требуется оловянная паста, поэтому нет необходимости обрабатывать опалубку для обратного выполнения работ, пластырь непосредственно используется для сварки в PCB. необходимо удалить PCB в сварной печи, нажать кнопку обратного потока, ждать, пока машина будет завершена в соответствии с установленной программой, когда максимальная температура нажата на кнопку ввода и вывода, с помощью вакуумного присоска будет удален элемент, PCB пластины охлаждения.

The key technologies involved in FCBGA include chip bump manufacturing technology, flip chip bonding technology, multilayer printed board manufacturing technology (including multilayer ceramic substrates and BT resin substrates), техника наполнения кристалла, solder ball attachment technology, and heat dissipation Board attachment technology, etc. The packaging materials it involves mainly include the following categories. неровный материал: ау, PbSn and Ausn, etc.; underbump metallization materials: Al/никельv/медь, Ti/Ni/медь or Ti/W/Au; soldering materials: PbSn solder, lead-free solder; multilayer substrate materials : High temperature co-fired ceramic substrate (HTCC), low temperature co-fired ceramic substrate (LTCC), BT resin substrate; underfill material: liquid resin; thermal conductive glue: silicone resin; heat sink: copper.

3.3 Chip Size Package (CSP)

CSP (Chip Scale Package) package means chip scale package. технологии герметизации кристаллов последнего поколения для упаковки CSP повысили их технические характеристики. CSP package CSP package can make the ratio of chip area to package area exceed 1:1.14, which is quite close to the ideal situation of 1:1. The absolute size is only 32 square millimeters, which is about 1/3 of the ordinary BGA, Это единственный эквивалент. It is 1/6 of the TSOP memory chip area. Compared with the BGA package, упаковка CSP может увеличить объём памяти в три раза.

пакеты размером чипа (CSP) и BGA являются продуктами того же времени и являются результатом миниатюризации и портативности целой машины. в Соединенных Штатах JEDEC определяет CSP как: менее или равна 120% площади кристалла LSI, известного как CSP. с учетом того, что многие CSP используют BGA в качестве формы BGA, авторитетные специалисты в упаковочной промышленности считают, что расстояние между паяльными шариками в BGA больше или равно 1 мм, а расстояние между сварными шариками в CSP меньше 1 мм. Потому что у CSP есть более явные преимущества: сверхбольшой пакет, приблизительный размер чипа; - защита голых чипов; Отличные электрические и тепловые характеристики; - высокая плотность упаковки; - легкость испытания и старения; - легкость сварки, монтажа, ремонта и замены. Таким образом, в середине 90 - х годов произошло значительное увеличение темпов роста, которые примерно удвоились в год. Поскольку CSP находится на этапе бурного развития, его тип ограничен. например, жесткая базовая плата CSP, гибкая базовая плата CSP, рамочный интерфейс CSP, микромодульная форма CSP, наземный массив CSP, микро - BGA, вектор выпуклых чипов (BCC), тип QFN CSP, кристалл - штабель CSP и круглый уровень CSP (WLCSP) и т.д. В таблице 2 показана серия CSP.

Generally, CSP разрезает вафли на отдельные чипы IC, а затем упаковывает их сзади, WLCSP отличается. All or most of its process steps are completed on the silicon wafer that has completed the previous process, И наконец, вафли были срезаны непосредственно в отдельные приборы. So this kind of package is also called wafer level package (WLP). Therefore, Помимо общих преимуществ CSP, it also has unique advantages: ‘ The packaging processing efficiency is high, and multiple wafers can be processed at the same time; ‘¡It has the advantages of flip-chip packaging, that is, свет, thin, short, and small; ‘¢and Compared with the previous process, only the two processes of pin rewiring (RDL) and bump production are added, and the rest are all traditional processes; ‘£reduction of multiple tests in traditional packaging. Therefore, the world's large IC packaging companies have invested in the research, development and production of this type of WLCSP. недостатком WLCSP является то, что текущее число ссылок является низким, не стандартизировано, and the cost is high.

CSP герметизация запоминающего кристалла центральная форма вывода эффективно сокращает дальность передачи сигнала, and its attenuation is reduced accordingly. способность чипа к помехоустойчивости и шумоустойчивости также может быть значительно повышена, which also makes the access time of CSP 15 better than BGA %-20%. в & CSP, the memory particles are soldered on the PCB board by solder balls. Due to the large contact area between the solder joints and the PCB board, the heat generated by the memory chip during operation can be easily transferred to the PCB. на доске, излучая свет. CSP package can be viewed from the backHeat dissipation and good thermal efficiency. тепловое сопротивление CSP 35°C/W, while the thermal resistance of TSOP is 40°C/W.

CSP technology was proposed during the upgrading of electronic products. Its purpose is to use large chips (chips with more functions, лучшее качество, and more complex chips) to replace the previous small chips. его упаковка заворачивает печатную схему.. The area remains the same or smaller. It is precisely because of the small and thin package of CSP products that it has quickly gained application in handheld mobile electronic devices. In August 1996, японская компания « шарп» начала крупномасштабное производство продукции CSP; сентябрь 1996 года, японская компания Sony приступила к сборке фотокамер с использованием продукции CSP, поставляемой японскими компаниями TI и NEC; 1997 год, the United States also began to produce CSP products . в мире десятки компаний могут предложить продукты CSP, продукты CSP имеют более 100 сортов. [

In addition to the metal deposition technology, техника фотолитографии, etching technology, etc., the key technologies involved in WLCSP also include rewiring (RDL) technology and bump production technology. обычно выводная подушка на кристалле расположена на квадратном алюминиевом слое вокруг формы. для приведения WLP в соответствие с более широким интервалом между двумя уровнями SMT, these pads need to be redistributed so that these pads are separated by The peripheral arrangement of the chip is changed to the array arrangement on the active surface of the chip, which requires rewiring (RDL) technology. технология изготовления выступов припоя, electroless plating, evaporation, печатание шаром и пастой. At present, the electroplating method is still the most widespread, followed by the solder paste printing method. The UBM material in the rewiring is Al/Niv/Cu, T1/Cu/Ni or Ti/W/Au. The dielectric materials used are photosensitive BCB (benzocyclobutene) or PI (polyimide) bump materials such as Au, PbSn, AuSn, In, etc.

3.4 системные пакеты (SIP)

как правило, существуют два способа реализации функций электронной системы. One is Systemon Chip, or SOC for short. То есть, the function of the electronic complete system is realized on a single chip; the other is System-in-Package (SysteminPackage), referred to as SIP. That is, the functions of the whole system are realized through packaging. Academically speaking, these are two technical routes, just like monolithic integrated circuits and hybrid integrated circuits, Каждый имеет свои преимущества, каждый имеет свой рынок приложения. Both technology and application are complementary. The author believes that SOC should be mainly used for high-performance products with a long application cycle, while SIP is mainly used for consumer products with a short application cycle.

Важной особенностью SIP является то, что она не определяет тип сеанса, который будет создан, but only defines how the session should be managed. такая гибкость, it means that SIP can be used in many applications and services, including interactive games, music and видео on demand, as well as voice, video, and Web conferencing. Сообщение SIP основано на тексте, поэтому их легко читать и отладка. The programming of the new service is simpler and more intuitive for проектироватьers. SIP reuses MIME type descriptions just like email clients, Поэтому приложения, связанные с сеансами, могут запускаться автоматически. SIP reuses several existing relatively mature Internet services and protocols, например DNS, RTP, RSVP, etc.

SIP is more flexible, extensible, открыть. It inspired the Internet and fixed and mobile IP networks to launch a new generation of services. SIP может выполнять сетевые сообщения на нескольких компьютерах и на мобильных телефонах, simulating the Internet to establish a session.

SIP обеспечивает интеграцию различных интегральных схем (таких, как CMOS, GaAs, SiGe или фотоэлектронные приборы, устройства MEMS) и различных пассивных элементов (например, конденсаторов и индукторов) в один пакет с использованием современных технологий сборки и межсоединения. машинная система работает. Основные преимущества включают: Снижение себестоимости производства за счет использования существующих коммерческих компонентов; - время выхода продукции на рынок очень короткое; независимо от дизайна и процесса, есть большая гибкость; - Интеграция различных видов схем и компонентов, относительно легко осуществимая. одним из типичных представителей СиП является модуль одноразовой интеграции (сокращенный как « монолитный интегральный модуль»), разработанный технологическим институтом Джорджии, китай. После завершения проекта эффективность, производительность и надежность упаковки возрастут в 10 раз, размер и стоимость значительно снизятся. цели, которые, как ожидается, будут достигнуты к 2010 году, включают обеспечение плотности проводов до 6000 см / см2; плотность тепла достигает 100W / cm2; плотность компонентов достигает 5000 / см2; плотность I / O достигает 3000 / cm2.

Хотя SIP по - прежнему является новой технологией, она еще не разработана, Это по - прежнему перспективная технология. особенно в китае, it may be a shortcut for the development of complete systems.

В этой связи Комитет рекомендует государству - участнику:

перед лицом бурного развития в мире микроэлектронной упаковки, проанализировать положение дел в нашей стране, Нам надо поразмыслить над некоторыми вопросами..

One, attaches great importance to the vertical integration of microelectronics three-level packaging. Мы должны использовать электронную систему как руководство, and influence the first, упаковка второго и третьего порядка, so that we can occupy the market, improve economic efficiency, дальнейшее развитие. We once proposed to use mobile phones and radars as technology platforms to develop our country's микроэлектронная упаковка because of this consideration.

Two, attach great importance to the intersection and integration of different fields and technologies. The intersection and fusion of different materials produce new materials; the intersection and fusion of different technologies produce new technologies; the intersection and fusion of different fields produce new fields. In the past, there were a lot of exchanges in the same industry, but not enough exchanges in different industries. We should give full play to the role of each branch of the Institute of Electronics, активно организовать технический обмен.

три. микроэлектронная упаковка неотделима от электронной продукции. она стала основной технологией, которая сдерживает развитие электронной продукции и даже систем. Это одна из передовых производственных технологий в электронной промышленности. кто владеет им, тот владеет будущим электроники и системы.

четыре, микроэлектронная упаковка must advance with the times to develop. The history of international microelectronic packaging proves this point. How does my country's microelectronic packaging advance with the times? Необходимо в срочном порядке изучить нашу стратегию развития микроэлектронной упаковки и разработать план развития. The second is to optimize the scientific research and production system of my country's microelectronic packaging. В - третьих, активно пропагандировать и всемерно развивать оригинальные технологии.