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1、天马行空官方博客：http:/ ；QQ:1318241189；QQ 群：175569632先进封装技术述评摘要本文主要论述了近几年来电子组装行业中应用的先进封装技术，包括板上倒装片、凸点互连技术、MCM、CSP、塑料球栅阵列（PBGA）、SMT 中应用的光电子技术及先进封装技术中实施的“绿色制造”无铅焊料等技术状况。并对这些技术进行了评论及前景展望。关键词：先进封装技术； 倒装片； 多芯片模块； CSP； 无铅焊料Abstract: This paper mainly introduces advanced packaging technology applied in electronic
2、assembly industry in recent years including flip chip on board (FCOB), bump interconnect technology (BIT), MCM, CSP, PBGA, OE technology (OET) used in SMT and the application green manufacturing lead free solder in advanced packaging technology. Also their commends and promising were made.Key words:
3、 advanced packaging technology, flip chip on board, multichip module, CSP, lead-free solder1 前言世界经济正在发生剧烈的变化，国外工业发达国家的电子组装生产厂家为挤身于世界先进行列竟相展开了激烈的竞争。CSP、BGA、倒装芯片等先进的封装技术就是这场竞争的产物。先进封装是由多个元件和/或非传统互连技术组合而成的任意组件。通常当要求尺寸和重量必须在最低极限时，需要高速数据传输或需采用成本合理的方法来解决特殊的问题，就可应用先进的封装技术。如图 1 所示，传统的 IC 技术是由三个步骤组成的：芯片粘结、线焊
4、到引线框架和用塑模壳封装起来。当组装 QFP、LCC 和 SO 时，仍可使用这种技术，而且这种技术在其它产品的应用中，将具有广阔的应用前景。不过，1996 年传统的 IC 占有 91.3%的 IC 市场份额（先进封装技术仅占有 8.7%的市场份额），据预测，到 2006 年，先进封装技术可望达到 27.13%，先进封装技术快速增长的动力是电子工业要求 IC 封装满足用户的互连性、便携性和功能性的需求。图 1 目前，传统的封装技术在市场上占有 90%以上的份额，不过，可望到 2006 年先进封装技术在市场上将占有 30%的份额。随着封装技术的进步，层出不穷的新材料、新技术随之问世，如象；为顺应潮
5、流的发展，无铅焊料产品也被应用到封装技术中，这种材料对今后的技术发展将起到很重要的作用及在保护环境方面立下功劳。光电子技术在最近两年也已面市，使电子组装技术又上了一个台阶，产生了新的飞跃。2 基于 SMT 的先进封装技术先进的封装和互连优于传统技术。先进的封装和互连技术将半导体与表面组装技术相结合，不仅降低了产品成本、改善了性能、提高了密度，而且还使封装的尺寸更小。与传统的封装比较，明显地降低了新产品互连点的数量。例如；板子上装有倒装片的塑料 BGA 有几个通过高熔点的焊料凸点直接连接于小型 BT 纤维玻璃基板的硅芯片。然后，把共晶焊料凸点用于基板和 PCB 组装之间的互连点。其它几个主要差别
6、是：新型封装相当小，使用柔性电路或层压基板替代引线框架，可用焊料凸点或导电胶连接芯片，而不是用线焊的方法（和通过针脚或凸点的面阵列使封装和 PCB 之间形成互连，替代了四周引线的连接方法），可把半导体芯片和无源元件组合构成一个组件。目前，使用的先进封装技术种类繁多，本文介绍其中的几种：3 板上倒装片和板上芯片板上倒装片（FCOB）是 20 多年前 IBM 公司为了满足用户对高速计算机的需求而研制的。首次研制成功的倒装片工艺是可控坍塌芯片连接（C4），其设计是采用机电一体化的方法将硅芯片与陶瓷基板相连接（见图 2 所示）。从某些方面来看，由于液化焊料凸点表面张力的作用，这种技术可使芯片自身能够对
7、准板上的焊盘，为此，使这种技术实现了高产量。然而，由于通孔的方法在通用芯片的封装中成本相对来说比较合理，而陶瓷基板价格昂贵，使得 C4 倒装片不能够得到广泛的应用。而事实上，倒装片技术远比市场上的传统技术先进得多。图 2 虽然陶瓷上的 FCOB 的问世，成本令人难于接受，但是，对于高速计算机组装来说，其提供了可靠的封装技术。然而，不久前，开发出了一种技术，这样的话，就可应用 FCOB 来降低 FR-C4 环氧玻璃板的成本（图 3）。虽然 FR-4 成本低，但是，它带来了新的挑战：由于 FR-4 和芯片使用的热膨胀系数（CTE）不同，所以，就会由于热变形造成移位，使 IC 互连更为牢固。补救的方
8、法是在芯片和板子之间用环氧树脂进行底层填料，用力要均匀，保护互连点。图 3 通过使用环氧树脂底层填料。使得 FCOB 技术与传统的FR-4 基板实现了成功的组合，其起到了缓解热膨胀差异的作用。底层填料工艺得到延续使用及普及。由于某些原因，使得倒装芯片很可能被广泛地用于MCM 的互连中。虽然，在 1996 年只有 1%的 MCM 采用了倒装片互连，到 2001 年将增加到 18%。随着质量的提高和成本的下降，FCOB 的产量也随之增长。由于芯片是直接贴装到板上的，所以，不需使用引线框架材料和线焊、模压、边缘修整和成型工艺，使得这种技术能够得到有效的应用。上述优点还可使互连点的布局更加致密，提高了
9、密度。与传统的互连方法比较，FCOB 的芯片和板之间的导电通路更短，这样就减少了电子干扰和降低了噪音，同时提高了性能。板上芯片（COB）类似于 FCOB，其芯片的互连面朝上，在传统的工艺中，都是采用线焊的方法将其与板上焊盘互连。由于没有了引线框架，不仅使 COB 降低了成本，而且还提高了性能，不过，必须用环氧树脂“顶部植球”的方法来保护芯片和线焊。4 凸点互连技术凸点互连技术（BIT）要求使用与半导体工业在背面未端组装中使用的设备和材料相同。应用这种先进的封装，将 Au 凸点植于晶圆上，用银环氧填料形成与基板的互连（见图 4）。为了解决底层填料的慢速流淌的问题而开发研究了 BIT 工艺，并要求
10、在贴装倒装片之前，将环氧材料施加到基板上。金凸点不同于 C4 工艺中使用的材料，其不会坍塌或回流。Au凸点会起到整平的作用，而且使用少量的导电胶就可实施涂覆操作，并脱离底层填料，在芯片和板之间形成电子连接。图 4 在组装半导体背面未端时，用 Au 给晶圆植球，并通过底层填料，使用导电胶实现与基板上焊盘的互连，这样，就可解决夹在中间层的化合物慢速流淌的问题。BIT 的缺点是：由于金凸点不能液化，就没有可使芯片与基板对准的表面张力，金凸点在其被施加的位置上固化。由于这个原因，BIT 对贴装的可重复性要求很高。5 多芯片模块（MCM）几年前，在推荐使用 MCM 时，要求使用容纳了两个或更多硅芯片的小
11、型层压基板、陶瓷基板或硅基板。据说它对提高 IC 密度是一种有效的方法。然而，MCM 自身还存在着一些问题。业已证实，PCB 上的细印迹的设计和制造即耗时，成本又高。此外，随着各种半导体加工工艺的进步，芯片尺寸的缩小，由于基板对细印迹的更高要求，为此需要重新进行设计。最后，是否能够提供经济、可靠的“已知合格芯片”（KGD）也是一个重要问题。对于传统的应用来说，在将芯片组装到电路中之前，对封装的芯片进行老化和电子测试是切实可行的。如果 IC 有问题的话，可将封装与有缺陷的芯片一同丢弃掉，也值不了多少钱。而使用 MCM，一个芯片有缺陷将导致整个模块报废。由于在晶片级封装中芯片不能得到适当的老化，所
12、以，必须对其进行测试，以便确定其是否为 KGD，工艺成本高否及效果是否不佳。（KGD 的焊盘并不象传统封装的 IC 那样已有了标准）。因此，通常只能从一个渠道获得 KGD，这种渠道将要花费很多的时间和付出很大一笔资金。MCM 主要是用于对尺寸和性能有较高要求的高成本军事和航空产品中。为此，不应将 MCM看作一种可行的技术。此外，即使焊盘生产向着标准化的方向发展，生产厂家仍在开发更新的、更有效的 KGD 生产的测试方法。6 芯片尺寸封装（CSP）芯片尺寸封装（CSP）目前被定义为封装尺寸与芯片尺寸相当的一种先进 IC 封装形式，封装体与芯片尺寸相比不大于 120%。其尺寸大约为传统的多引脚 QF
13、P 的 1/3，CSP 在成本、密度、组装量和性能上都占优势。CSP 还可以解决与 FCOB、COB 和 MCM 裸芯片组装工艺相关的 IC 测试问题，也就是说，在使用标准的 IC 时，所有的 CSP 实际上都能够贴放到管座中，并滞留。某些 CSP 的布局看上去及操作上很象倒装片，不过，不需要底层填料。CSP 的片式引线和热塑胶粘剂是柔性的，这样的话，基板就会由于不均衡的 CTE 应力和材料而膨胀，因此，就不需要底层填料了。微型 BGA 就是一个例子。它是用弹性胶粘剂将芯片以机械方法与柔性电路连接和以热感应的方法与柔性电路上的“S”形带形成连接。柔性电路可将 IC 焊盘上的 I/O 重新分配到
14、共晶焊料球的标准阵列上。焊料球被支撑在弹性材料隔离片上，可随意移动，而不会使焊点上或芯片面上产生应力（见图 5 所示）。CSP 允许使用这种标准化的管脚出线，这样，对于降低了芯片尺寸和可使不同厂家生产的芯片能够在使用中保持稳定性。CSP 主要用于存储器元件，但是，最终将被用于芯片的 I/O 大于 2000 引线的高性能应用中。由于 CSP 是以现有的 SMT 技术作为基础，预计 CSP 将向着大规模生产过渡，以满足裸芯片MCM 的需求。图 5 柔性基板将 IC 的 I/O 重新分配到共晶焊料球的标准阵列上7 Z 轴材料的互连先进封装技术之一是 Z 轴材料互连，为一种倒装片工艺。这种技术使用液体
15、或薄膜类型的专用导电胶。Z 轴材料是由包裹在导电材料的非导电物质中的悬浮焊料珠组成的。当对植有焊料球的芯片施加压力时，Z 轴材料压缩，焊料珠分裂，使其凝固，并在焊料球与基板间形成导电通路，为此，也就不需要引线来连接芯片与基板了（见图 6 所示）。图 6 建立一通道的导电通路，为此就不需分离连接于基板焊盘的芯片的键合或引线。虽然，该技术具有很大的潜力，但是，其毕竟是一种新技术，存在着许多需要克服的不足之处：Z 轴互连不能与 C4 倒装片和共晶焊料 BGA 共享自对准特性。此外，粘合力必须具有足以分裂非导电焊料珠的能力。8 更先进的封装技术芯片上引线（LOC）和引线上芯片（COL）是目前 SMT
16、生产中涌现出的先进封装技术。这两种技术是使用传统的线焊方法使芯片与小型引线框架形成电子连接。因此，使用 LOC 技术，有引线框架的引线可连接到芯片的面上，而不是连接于底部（沿着芯片的中心轴进行线焊，而不是在四边进行线焊，这样就可使引线更短）。而使用 COL 技术，通过较短的线焊可将引线框架上的引线连接到芯片的底部，这种技术可获得极好的电子性能。LOC 和 COL 的尺寸基本上与芯片相等。塑料球栅阵列（PBGA）使封装实现了极小化，其使针脚分布于底部。多数 PBGA 使用不同的COB 技术将单芯片连接到有引线框架类型带的 BT 层压板。芯片和线焊用环氧树脂包封，为了与板子形成互连，添加外部焊料球阵列。提高了间距和共晶焊料球明显地简化了 PBGA 与板子组装的工艺。PBGA 矩阵实现了在单带基板组装几个芯片，可使总成本大幅度下降。PBGA 技术在芯片上的应用，延长了传统的芯片连接和线焊背面未端组装设施的使用寿命这是在老工厂的一种新的应用！当倒装片工艺
