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1、微电子封装工艺的发展“封装”一词伴随着集成电路芯片制造技术发生而出现，这一概念用于电子工程的历史必不久。50 多年前，当晶体管问世和后来集成电路芯片的出现，才改写了电子工程的历史一方面这些半导体元器件细小易碎;另一方面，性能高，且多功能、多规划。为了充分发挥半导体元器件的功能，需要对其补强、密封和扩大，以便实现与外电路可靠地电气连接并得到有效地机械、绝缘等方面的保护，防止外力或环境因素导致的破坏。 “封装”的概念正是在此基础上出现的。从狭义概念上讲，封装是指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接，引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的
2、工艺。而在更广的意义上的“封装”是指封装工程，是指将封装体与基板连接固定。装配成完整的系统或电子设备，并确保整个系统综合性能的工程。将这两个层次封装的含义连接起来，就构成了广义的封装概念国内封装测试业快速增长成为亮点。2003 年我国 IC 封装测试企业实现销售收入 246 亿元，同比增长 23.3%，占整个 IC 产业链销售收入的 70%，已成为IC 产业快速发展中的新亮点，是 IC 市场有力的推动者。产能上迅速提升满足可市场的要求，如长电科技股份、南通富士通、四川安森美、华润安盛、上海金鹏、安靠、浙江华越等公司都在产量销售收入利润上获得历史佳绩。2004 年整个封装企业仍处于一个较快的发展
3、阶段。从调查资料分析，股份制企业中外合资、外商独资、民营企业如雨后春笋般地涌现。目前我国半导体封装测试企业已经超过 180 家，主要集中在长三角，其次为珠三角、京津环渤海地区。2003 年半导体分立器件中国市场已经占有全球的 1/3，据 CCID 赛迪顾问报告，虽然中国分立器件市场竞争中仍是以日本企业为代表的国外厂商具有优势，但是国内厂商正迎头赶上，其中半导体封装业唯一的上市企业长电科技更成为首次进入市场前十五大供应商的国内企业。2003 年国内分立器件市场规模达 7.55 亿元，同比增长超过 70%，成为市场成长最快的企业。另外，如中外合资企业南通富士通公司、无锡华润、安盛公司、天水华天公司
4、、三星电子公司、瑞萨苏州公司等都有长足的发展。半导体封装测试业仍将是未来三年中在整个半导体产业链中占据主导地位，是外资向中国快速转移最优先考虑的，也是最先与国际先进技术水平接轨，应该说是半导体产业链最具规模最先发展的一个行业。当今全球正迎来以电子计算机为核心的电子信息技术时代，随着它的发展，越来越要求电子产品具有高新能、多功能、高可靠、小型化、薄型化便携化以及大众化普及所要求的低成本等特点。这样必然要求微电子封装技术要更好、更轻、更薄、封装密度更大、更好的电性能，更高的可靠性，更高的性能价格比。随着封装工艺的发展，封装技术也有了新的发展。焊球阵列封装（BGA）阵列封装（BGA）是世界上九十年代
5、初发展起来的一种新型封装。BGA 封装的 I/O 端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA 技术的优点是 I/O 引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但 BGA 能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。这种 BGA 的突出的优点：电性能更好：BGA 用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感；封装密度更高；由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。例如边长为 31mm 的 BG
6、A，当焊球节距为 1mm 时有 900 只引脚，相比之下，边长为 32mm，引脚节距为 0.5mm 的QFP 只有 208 只引脚；BGA 的节距为 1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和 0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠；由于焊料熔化时的表面张力具有自对准效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率；BGA 引脚牢固，转运方便；焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA 得到爆炸性的发展。BGA 因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装（PBGA），陶瓷焊球阵列封装（CBGA），载带焊球阵列封装（TBGA），带散热器焊球
7、阵列封装（EBGA），金属焊球阵列封装（MBGA），还有倒装芯片焊球阵列封装（FCBGA。PQFP 可应用于表面安装，这是它的主要优点。但是当 PQFP 的引线节距达到 0.5mm 时，它的组装技术的复杂性将会增加。在引线数大于 200 条以上和封装体尺寸超过 28mm 见方的应用中，BGA 封装取代PQFP 是必然的。在以上几类 BGA 封装中，FCBGA 最有希望成为发展最快的BGA 封装，我们不妨以它为例，叙述 BGA 的工艺技术和材料。FCBGA 除了具有BGA 的所有优点以外，还具有：热性能优良，芯片背面可安装散热器；可靠性高，由于芯片下填料的作用，使 FCBGA 抗疲劳寿命大大增强
8、；可返修性强。因为表面组装板上已经装有其他元器件，因此必须采用 BGA 专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，印刷完毕后必须检查印刷质量，如不合格，必须将 PCB 清洗干净并凉干后重新印刷。对于球距为 0.4mm 以下的CSP，可以不印焊膏，因此不需要加工返修用的模板，直接在 PCB 的焊盘上涂刷膏状助焊剂。需要拆元件的 PCB 放到焊炉里，按下再流焊键，等机器按设定的程式走完，在温度最高时按下进出键，用真空吸笔取下要拆下的元件，PCB 板冷却即可。FCBGA 所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术、倒装芯片焊接技术、多层印制板制作技术（包括多层陶瓷基板和 BT 树脂基板）、芯片底
9、部填充技术、焊球附接技术、散热板附接技术等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料：Au、P b S n 和 A u S n 等；凸点下金属化材料：Al/Ni v/Cu、Ti/Ni/Cu 或 Ti/W/Au;焊接材料：P b S n 焊料、无铅焊料；多层基板材料：高温共烧陶瓷基板（HTCC）、低温共烧陶瓷基板（LTCC）、BT 树脂基板；底部填充材料：液态树脂；导热胶：硅树脂；散热板：铜。目前，国际上FCBGA 的典型系列示于表 1。芯片尺寸封装（CSP）CSP（Chip Scale Package）封装，是芯片级封装的意思。CSP 封装最新一代的内存芯片封装技术，其技术性能又有了新的提
10、升。CSP 封 CSP 封装装可以让芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14，已经相当接近 1:1 的理想情况，绝对尺寸也仅有 32 平方毫米，约为普通的 BGA 的 1/3，仅仅相当于 TSOP 内存芯片面积的 1/6。与 BGA 封装相比，同等空间下 CSP 封装可以将存储容量提高三倍。芯片尺寸封装（CSP）和 BGA 是同一时代的产物，是整机小型化、便携化的结果。美国 JEDEC 给 CSP 的定义是：LSI 芯片封装面积小于或等于 LSI 芯片面积 120%的封装称为 CSP。由于许多 CSP 采用 BGA 的形式，所以最近两年封装界权威人士认为，焊球节距大于等于 lm m 的为 BG
11、A，小于 lm m 的为 CSP。由于CSP 具有更突出的优点：近似芯片尺寸的超小型封装；保护裸芯片；电、热性优良；封装密度高；便于测试和老化；便于焊接、安装和修整更换。因此，九十年代中期得到大跨度的发展，每年增长一倍左右。由于 CSP 正在处于蓬勃发展阶段，因此，它的种类有限多。如刚性基板 CSP、柔性基板 CSP、引线框架型 CSP、微小模塑型 CSP、焊区阵列 CSP、微型 BGA、凸点芯片载体（BCC）、QFN 型 CSP、芯片迭层型 CSP 和圆片级 CSP（WLCSP）等。CSP 的引脚节距一般在 1.0mm 以下，有 1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、
12、0.3mm 和0.25mm 等。表 2 示出了 CSP 系列。一般地 CSP，都是将圆片切割成单个 IC 芯片后再实施后道封装的，而WLCSP 则不同，它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装（WLP） 。因此，除了 CSP 的共同优点外，它还具有独特的优点：封装加工效率高，可以多个圆片同时加工；具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小；与前工序相比，只是增加了引脚重新布线（RDL）和凸点制作两个工序，其余全部是传统工艺；减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型 IC封装公司纷纷投入这类 WLCSP 的研究、
13、开发和生产。WLCSP 的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高。图 4 示出了 WLCSP 的外形图。图 5 示出了这种 WLCSP 的工艺流程。CSP 封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得 CSP 的存取时间比 BGA 改善 15%-20%。在 CSP 的封装方式中，内存颗粒是通过一个个锡球焊接在 PCB 板上，由于焊点和 PCB 板的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到 PCB 板上并散发出去。CSP 封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP 的热阻为 35/W，而 TSO
14、P 热阻 40/W。CSP 技术是在电子产品的更新换代时提出来的，它的目的是在使用大芯片（芯片功能更多，性能更好，芯片更复杂）替代以前的小芯片时，其封装体占用印刷板的面积保持不变或更小。正是由于 CSP 产品的封装体小、薄，因此它的手持式移动电子设备中迅速获得了应用。在 1996 年 8 月，日本 Sharp 公司就开始了批量生产 CSP 产品；在 1996 年 9 月，日本索尼公司开始用日本 TI 和NEC 公司提供的 CSP 产品组装摄像机；在 1997 年，美国也开始生产 CSP 产品。世界上有几十家公司可以提供 CSP 产品，各类 CSP 产品品种多达一百种以上。WLCSP 所涉及的关
15、键技术除了前工序所必须的金属淀积技术、光刻技术、蚀刻技术等以外，还包括重新布线（RDL）技术和凸点制作技术。通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层，为了使 WLP 适应了 SMT 二级封装较宽的焊盘节距，需将这些焊盘重新分布，使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布，这就需要重新布线（RDL）技术。焊料凸点制作技术可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法最为广泛，其次是焊膏印刷法。重新布线中 UBM 材料为 Al/Ni v/Cu、T1/Cu/Ni 或Ti/W/Au。所用的介质材料为光敏 BCB（苯并环丁烯）或 PI（聚酰亚胺）凸点材料有 Au、P b
16、 S n、A u S n、In 等。 3.3 3D 封装3D 封装主要有三种类型，即埋置型 3D 封装，当前主要有三种途径：一种是在各类基板内或多层布线介质层中埋置R、C 或 IC 等元器件，最上层再贴装 SMC 和 SMD 来实现立体封装，这种结构称为埋置型 3D 封装；第二种是在硅圆片规模集成（W S l）后的有源基板上再实行多层布线，最上层再贴装 SMC 和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型 3D 封装；第三种是在 2D 封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型 3D 封装。原因有两个。一是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动，要求在增加功能的同时减薄封装厚度。二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容，经过改进很快能批量生产并投入市场。据Pr is marks 预测，世界的手机销售量将从 2001 年的 393M 增加到 2006 年的785M1140M。年增长率达到 1524%。因此在这个
