PCB科技 - 微電子封裝新技術介紹與分析

1.簡介

電路產業已成為國民經濟發展的關鍵, and integrated circuit 設計, 製造業, 封裝和測試是集成電路行業的3大支柱. 這是各級領導和行業的共識. 微電子封裝不僅直接影響電效能, 機動的, 視力的, 以及集成電路本身的熱效能, 但也會影響其可靠性和成本. 它還决定了小型化, 多功能, 可靠性和成本, 微電子封裝越來越受到人們的重視, 在國內外都處於蓬勃發展的階段. 本文試圖回顧20世紀90年代以來微電子封裝新技術的快速發展, including ball array packaging (BGA), chip size packaging (CSP), wafer level packaging (WLP), three-dimensional packaging (3.D) and System packaging (SIP) and other technologies. 介紹其發展現狀和技術特點. 同時, 介紹了微電子3級封裝的概念. 並對我國微電子封裝新技術的發展提出了一些思考和建議. 本文試圖回顧20世紀90年代以來微電子封裝新技術的快速發展, including ball array packaging (BGA), chip size packaging (CSP), wafer level packaging (WLP), three-dimensional packaging (3D) and System packaging (SIP) and other technologies. 介紹其發展現狀和技術特點. 同時, 介紹了微電子3級封裝的概念. 並對我國微電子封裝新技術的發展提出了一些思考和建議.

2微電子3級封裝

對於微電子封裝，我們必須首先描述3級封裝的概念。 一般來說，微電子封裝分為3個層次。 所謂一級封裝，是在電晶體晶片被折開後，將一個或多個集成電路晶片封裝成合適的封裝形式，並使用線鍵合（WB）和載帶用於晶片的焊接區域和封裝的外部引脚。 將自動鍵合（TAB）和倒裝晶片鍵合（FCB）連接起來，使其成為具有實用功能的電子元件或組件。 第一級封裝包括兩類：單晶片模塊（SCM）和多晶片模塊（MCM）。 第3級封裝是將第二級封裝的產品通過層選擇、互連插座或柔性電路板與主機板連接，形成一個3維封裝，形成一個完整的系統。 這一級別的包裝應包括連接器和層壓板組裝和柔性電路板及其他相關資料、設計和組裝科技。 此級別也稱為包中系統。 所謂微電子封裝是一個整體概念，包括從單極封裝到3極封裝的所有科技內容。 我們應該把我們現有的知識納入國際微電子封裝的軌道，這不僅有利於我國微電子封裝產業與國外的技術交流，也有利於我國微電子封裝自身的發展。

3 微電子封裝新技術

集成電路封裝的歷史分為3個階段。 第一階段，在20世紀70年代之前，主要是盒式包裝。 包括最初的金屬圓形（TO型）封裝、後來的陶瓷雙列直插式封裝（CDIP）、陶瓷玻璃雙列直插式封裝（CerDIP）和塑膠雙列直插式封裝（PDIP）。 尤其是PDIP以其優异的效能、低成本和大規模生產而成為主流產品。 在第二階段，即20世紀80年代之後，表面貼裝式四面引線封裝是主要的封裝形式。 當時，表面貼裝科技被稱為電子封裝領域的一場革命，發展迅速。 相應地，許多與表面貼裝科技相適應的封裝形式，如塑膠引線晶片封裝（PLCC）、塑膠四平面封裝（PQFP）、塑膠小外形封裝（PSOP）和無鉛四平面封裝等，這種封裝形式應運而生並迅速發展。 由於密度高、引線間距小、成本低且適合表面安裝，PQFP成為這一時期的主導產品。 第3階段，20世紀90年代以後，主要以面陣封裝的形式出現。 薄膜多層基板MCM（MCM-D）、塑膠多層印刷電路板MCM（MCM-L）和厚膜基板MCM（MCM-C/D）。

3.13D包

3D封裝有3種主要類型，即嵌入式3D封裝。 現時主要有3種方式：一種是將R、C或IC元件“嵌入”在各種基板或多層佈線介質層中，然後在頂層安裝SMC和SMD來實現3維封裝，這種結構稱為嵌入式3維封裝； 第二種是在矽片級集成（WSl）後在有源襯底上實現多層佈線，然後將頂層SMC和SMD組裝成3維封裝。 這種結構稱為有源基板型3D封裝； 第3種類型是基於2D封裝，通過堆疊多個裸晶片、封裝晶片、多晶片組件甚至晶圓。 互連以形成3維封裝。 這種結構稱為堆疊式3維套裝軟體。 在這些3D封裝類型中，增長最快的是堆疊裸晶片封裝。 有兩個原因。 首先，手機和其他消費品的巨大市場要求在新增功能的同時减少包裝厚度。 二是所採用的工藝與傳統工藝基本相容，經過改進後可以批量生產並投放市場。 據Prismarks預測，全球手機銷量將從2001年的3.93億部新增到2006年的7.85億至11.4億部。 年增長率達到15-24%。 囙此，據估計，從現在到2006年，堆疊裸晶片封裝將以50-60%的速度增長。 圖6顯示了堆疊裸晶片封裝的外觀。 其現時水准和發展趨勢如錶3所示。

堆疊裸晶片封裝有兩種堆疊方法。 一種是金字塔型，裸晶片的尺寸從底層開始越來越小； 另一種是懸臂式，堆疊晶片的尺寸相同。 在手機應用的初期，堆疊裸晶片封裝主要是將閃存和SRAM堆疊在一起。 現時，FlashMemory、DRAM、邏輯IC和類比IC可以堆疊在一起。 堆疊裸晶片封裝涉及的關鍵技術如下。 1、晶圓减薄科技，由於手機等產品需要越來越薄的封裝，現時的封裝厚度要求在1.2mm甚至1.0毫米以下。 堆疊晶片的數量不斷增加，囙此晶片必須减薄。 矽片减薄的方法包括機械研磨、化學蝕刻或ADP（大氣下游电浆）。 機械研磨减薄一般在150mm左右。等離子刻蝕法可以達到100mm，目前正在開發75-50mm的减薄； 2、低弧鍵合，由於晶片厚度小於150mm，高鍵合弧必須小於150mm。現時，25mm金絲的正常鍵合弧高為125mm，但經過反向線鍵合優化過程後，弧高可以達到75mm或更小。 同時，反向引線鍵合科技需要添加彎曲工藝，以確保不同鍵合層之間的間隙； 3、懸臂梁上的引線鍵合科技，懸臂梁越長，鍵合過程中晶片變形越大，必須優化設計和優化。 過程 4、晶圓凸點生產科技； 5、鍵合線無擺動（NOSWEEP）成型科技。 由於更高的鍵合線密度、更長的長度和更複雜的形狀，短路的可能性新增。 使用低粘度模塑膠並降低模塑膠的傳送速率有助於减少鍵合線的擺動。 現時，已經發明了鍵合線無擺動（NOSWEEP）成型科技。

3.2球陣列封裝（BGA）

封裝陣列（BGA）是20世紀90年代初在世界範圍內發展起來的一種新型封裝。

BGA封裝的輸入/輸出端子以圓形或柱狀焊點的形式分佈在封裝下。 BGA科技的優點是，雖然輸入/輸出引脚的數量新增了，但引脚間距沒有减少，而是新增了。 提高裝配成品率； 雖然BGA的功耗新增，但可以採用可控折疊晶片的方法焊接BGA，從而提高其電熱效能； 與以前的包裝科技相比，厚度和重量都有所减少； 寄生參數减小，訊號傳輸延遲小，使用頻率大大提高； 組件可共面焊接，可靠性高。

這種BGA的突出優點：1。 更好的電力效能：BGA使用錫球代替引線，導致短引線路徑，减少引脚延遲、電阻、電容和電感； 2、包裝密度較高； 因為焊球佈置在整個平面上，所以對於相同的區域，引脚的數量更高。 例如，當焊球間距為1mm時，邊長為31mm的BGA有900個引脚。 相比之下，邊長為32mm、銷間距為0.5mm的QFP只有208個銷； 3、BGA段距離分別為1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，與現有的面貼科技和設備完全相容，安裝更加可靠； 焊料熔化時的表面張力為“自對準” “效應，避免了傳統封裝引線變形的損失，大大提高了組裝成品率；5.BGA引脚牢固且易於轉移；6.錫球引線形式也適用於多晶片組件和系統封裝。囙此，BGA得到了爆炸性的發展。BGA因基板資料不同而包括塑膠球陣列封裝（PBGA） 、陶瓷球陣列封裝（CBGA）、載帶球陣列封裝（TBGA）、散熱器球陣列封裝（EBGA）、金屬球陣列封裝（MBGA）， 以及倒裝晶片球陣列封裝 （FCBGA。PQFP可應用於表面安裝，這是其主要優勢。但當PQFP的引線間距達到0.5mm時，其組裝科技將變得複雜。在引線數量大於200且封裝尺寸超過28mm平方的應用中，BGA封裝不可避免地會取代PQFP。在上述類型的BGA封裝中，FCBGA最有希望成為 作為增長最快的BGA包，讓我們以它為例來描述BGA的工藝科技和資料。 除了BGA的所有優點外，FCBGA還具有：1。 優异的熱效能，並可在晶片背面安裝散熱器； 2、可靠性高，由於晶片下方有填料，FCBGA的功能大大提高了FCBGA的疲勞壽命； 3、可重複性强。

由於其他組件已經安裝在表面組裝板上，囙此必須使用BGA專用的小範本。 範本厚度和開口尺寸必須根據鋼球直徑和鋼球距離確定。 列印後，必須檢查列印質量。 如果不合格，必須清潔PCB。 清潔乾燥後重新列印。 對於球距小於等於0.4mm的CSP，無需錫膏，囙此無需加工範本進行返工，焊劑直接應用於PCB焊盤。 將需要拆下的PCB放入焊接爐中，按下回流按鈕，等待機器按照設定的程式完成，溫度最高時按下進出按鈕，用真空吸盤將要拆下的元件取出，PCB板即可冷卻。

FCBGA涉及的關鍵技術包括晶片凸點製造技術、倒裝焊科技、多層印製板製造技術（包括多層陶瓷基板和BT樹脂基板）、晶片底充科技、錫球附著科技和散熱板附著科技， 其涉及的包裝材料主要包括以下幾類。 凹凸資料：Au、PbSn、AuSn等。； 泵下金屬化資料：鋁/鎳/銅、鈦/鎳/銅或鈦/鎢/金； 焊接材料：PbSn焊料、無鉛焊料； 多層基板資料：高溫共燒陶瓷基板（HTCC）、低溫共燒陶瓷基板（LTCC）、BT樹脂基板； 底充資料：液體樹脂； 導熱膠：矽樹脂； 散熱器：銅。

3.3晶片尺寸封裝（CSP）

CSP（晶片級封裝）封裝是指晶片級封裝。 最新一代的記憶體晶片封裝科技用於CSP封裝，提高了其技術性能。 CSP封裝CSP封裝可以使晶片面積與封裝面積之比超過1:1.14，非常接近1:1的理想情况。 其絕對尺寸僅為32平方毫米，約為普通BGA的1/3，而普通BGA只是等效的。 它是TSOP記憶體晶片面積的1/6。 與BGA封裝相比，CSP封裝可以在相同的空間下將存儲容量提高3倍。

晶片尺寸封裝（CSP）和BGA是同一時代的產品，是整機小型化和便攜化的結果。 美國JEDEC對CSP的定義是：小於或等於LSI晶片面積120%的LSI晶片封裝面積稱為CSP。 由於許多CSP採用BGA的形式，過去兩年包裝行業首長部門認為，BGA的焊球間距大於或等於1mm，CSP的焊球間距小於1mm。 因為CSP有更突出的優勢：1。 晶片尺寸近似的超小型封裝； 2、裸晶片保護； 3、優异的電、熱效能； 4、包裝密度高； 5、易於測試和老化； 6、便於焊接、安裝、維修和更換。 囙此，在20世紀90年代中期，出現了大跨度的發展，年增長率大約翻了一番。 由於CSP正處於蓬勃發展階段，其類型有限。 如剛性基板CSP、柔性基板CSP、引線框架型CSP、微模塑型CSP、陸地陣列CSP、微型BGA、凸點晶片載體（BCC）、QFN型CSP、晶片堆疊型CSP和圓片級CSP（WLCSP）等。CSP的引線間距一般在1.0mm以下，包括1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm。 錶2顯示了CSP系列。

通常，CSP將晶圓切割成單個IC晶片，然後實現後端封裝，而WLCSP則不同。 其所有或大部分工藝步驟均在完成前一工藝的矽片上完成，最後將矽片直接切割成獨立的器件。 所以這種封裝也稱為晶圓級封裝（WLP）。 囙此，除了CSP的共同優勢外，它還具有獨特的優勢：1。 封裝加工效率高，可同時加工多片晶圓； 2、具有倒裝晶片封裝的優點，即輕、薄、短、小； 3、與前一道工序相比，只新增了引脚重佈線（RDL）和凸點生產兩道工序，其餘均為傳統工序； 4、减少傳統包裝中的多次測試。 囙此，世界上的大型IC封裝公司都在投資研究、開發和生產這種類型的WLCSP。 WLCSP的缺點是當前引脚數低，沒有標準化，成本高。

CSP封裝存儲晶片的中心引脚形式有效縮短了信號傳導距離，其衰减也相應减小。 晶片的抗干擾和抗雜訊效能也得到了很大的提高，這也使得CSP 15的訪問時間比BGA好了20%。 在CSP封裝方法中，存儲粒子通過焊料球焊接在PCB板上。 由於焊點和PCB板之間的接觸面積很大，存儲晶片在操作過程中產生的熱量可以很容易地轉移到PCB上。 並向外輻射。 CSP封裝可以從背熱耗散和良好的熱效率兩個方面來看待。 CSP的熱阻為35°C/W，TSOP的熱阻為40°C/W。

CSP科技是在電子產品陞級過程中提出的。 其目的是使用大型晶片（功能更多、效能更好、更複雜的晶片）來取代以前的小型晶片。 其包裝佔據印製板。 面積保持不變或更小。 正是由於CSP產品的小而薄的封裝，它在手持移動電子設備中得到了迅速的應用。 1996年8月，日本夏普公司開始大規模生產CSP產品； 1996年9月，日本索尼公司開始用日本TI和NEC公司提供的CSP產品組裝相機； 1997年，美國也開始生產CSP產品。 世界上有幾十家公司可以提供CSP產品，有一百多種CSP產品。 [

除了金屬沉積科技、光刻技術、蝕刻科技等，WLCSP涉及的關鍵技術還包括重佈線（RDL）科技和凸點生產科技。 通常，晶片上的引出墊佈置在模具周圍的方形鋁層上。 為了使WLP適應SMT二級封裝更寬的焊盤間距，這些焊盤需要重新分佈，以便這些焊盤被晶片的週邊排列分隔開，將其更改為晶片活動表面上的陣列排列，這需要重新佈線（RDL）科技。 焊點製造技術可以使用電鍍、化學鍍、蒸發、放球和錫膏印刷。 現時，電鍍法仍是應用最廣泛的方法，其次是錫膏印刷法。 佈線中的UBM資料為Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。 所使用的介電材料是光敏BCB（苯並環丁烯）或PI（聚醯亞胺）凹凸資料，如Au、PbSn、AuSn、In等。

3.4系統包（SIP）

通常有兩種方法來實現電子完整系統的功能。 一種是片上系統（Systemon-Chip），簡稱SOC。 也就是說，電子完整系統的功能在單個晶片上實現； 另一種是包中系統（SysteminPackage），稱為SIP。 即通過封裝實現整個系統的功能。 從學術上講，這是兩條技術路線，就像單片集成電路和混合集成電路一樣，每一條都有自己的優勢，每一條都有自己的應用市場。 科技和應用相輔相成。 作者認為SOC應主要用於應用週期長的高性能產品，而SIP主要用於應用週期短的消費類產品。

SIP的一個重要特性是，它不定義要建立的會話類型，而只定義應該如何管理會話。 有了這種靈活性，意味著SIP可以用於許多應用程序和服務，包括互動式遊戲、音樂和視頻點播，以及語音、視頻和Web會議。 SIP消息是基於文字的，囙此易於閱讀和調試。 對於設計師來說，新服務的程式設計更簡單、更直觀。 SIP就像電子郵件用戶端一樣重用MIME類型描述，囙此可以自動啟動與會話相關的應用程序。 SIP重用了幾種現有的相對成熟的Internet服務和協定，如DNS、RTP、冒險類遊戲等。

SIP更加靈活、可擴展和開放。 它激發了互聯網、固定和移動IP網絡推出新一代服務的靈感。 SIP可以在多臺PC和電話上完成網絡消息，類比Internet建立會話。

SIP使用成熟的組裝和互連科技將各種集成電路（如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或光電子器件、MEMS器件）和各種無源元件（如電容器和電感器）集成到一個封裝中，以實現集成。 機器系統的功能。 主要優點包括：1。 使用現有商業組件，降低製造成本； 2、產品進入市場時間短； 3、無論是設計還是工藝，都有較大的靈活性； 4、集成不同類型的電路和組件，相對容易實現。 中國喬治亞理工學院開發的單級集成模塊（簡稱單集成模塊）是SIP的典型代表。 項目建成後，包裝效率、效能和可靠性將提高10倍，體積和成本將大大降低。 預計到2010年實現的目標包括佈線密度達到6000cm/平方釐米； 熱密度達到100W/cm2； 組件密度達到5000/cm2； 輸入/輸出密度達到3000/cm2。

雖然SIP仍然是一項新技術，尚未成熟，但它仍然是一項很有前途的科技。 特別是在中國，這可能是發展完整系統的捷徑。

4想法和建議

面對世界蓬勃發展的微電子封裝形勢，分析我國現時的現狀，我們必須對一些問題進行深入思考。

一是高度重視微電子3級封裝的垂直集成。 我們要以電子系統為龍頭，影響一、二、3級包裝，佔領市場，提高經濟效益，不斷發展。 基於這一考慮，我們曾提議以手機和雷達為科技平臺，開發我國的微電子封裝。

二是高度重視不同領域、不同科技的交叉融合。 不同資料的交叉融合產生新材料； 不同科技的交叉和融合產生了新技術； 不同領域的交叉和融合產生了新的領域。 過去，同一行業的交流很多，但不同行業的交流不够。 我們要充分發揮電子學會各分會的作用，積極組織技術交流。

3 微電子封裝與電子產品密不可分。 它已成為制約電子產品乃至系統發展的核心技術。 它是電子行業的先進製造技術之一。 誰掌握了它，誰就掌握了電子產品和系統的未來。

四, 微電子封裝 必須與時俱進才能發展. 國際微電子封裝的歷史證明了這一點. 我國微電子封裝如何與時俱進? 當務之急是研究我國微電子封裝的發展戰略，製定發展規劃. 二是優化我國微電子封裝科研生產體系. 3是積極宣導和大力發展屬於我國自主知識產權的原創科技.