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1、第十三章第十三章 先进封装技术先进封装技术1、球栅阵列封装技术、球栅阵列封装技术2、芯片尺寸封装技术、芯片尺寸封装技术3、倒装芯片技术、倒装芯片技术4、晶圆级封装技术、晶圆级封装技术5、多芯片组件封装、多芯片组件封装6、三维封装技术、三维封装技术1、BGA技术技术BGA ：Ball Grid Array ，球状列阵封装、球形触点阵列、，球状列阵封装、球形触点阵列、焊球阵列、网格焊球阵列、球面阵。焊球阵列、网格焊球阵列、球面阵。 1990年初美国摩托罗拉和日本西铁城公司共同开发。年初美国摩托罗拉和日本西铁城公司共同开发。 基板背面是按阵列方式制出球形触点的引脚，基板正面基板背面是按阵列方式制出球
2、形触点的引脚，基板正面装配芯片，后来由于倒装技术，也有引脚和芯片在同一面。装配芯片，后来由于倒装技术，也有引脚和芯片在同一面。 1、BGA技术技术BGA的特点：的特点：1、提高产品率；、提高产品率；2、BGA焊点的中心间距一般为焊点的中心间距一般为1.27mm可利于可利于SMT工艺设备；工艺设备；3、改进了器件引出端数和本体尺寸的比率；、改进了器件引出端数和本体尺寸的比率；4、明显改善共面问题，极大地减小了共面损坏；、明显改善共面问题，极大地减小了共面损坏；5、BGA引脚短，所以比引脚短，所以比QFP牢固。牢固。6、BGA引脚短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增引脚短，使信号路径短，减小
3、了引线电感和电容，增强了节点性能。强了节点性能。7、球形触点阵列有助于散热；、球形触点阵列有助于散热；8、BGA适合适合MCM的封装需要，有利于实行的封装需要，有利于实行MCM的高密度、的高密度、高性能。高性能。BGA的类型的类型四种：塑料球栅阵列（四种：塑料球栅阵列（PBGA）、）、陶瓷球栅阵列（陶瓷球栅阵列（CBGA）、）、陶瓷圆柱栅阵列（陶瓷圆柱栅阵列（CCGA）、）、载带球栅阵列（载带球栅阵列（TBGA）又称：整体模塑阵列载体（又称：整体模塑阵列载体（OMPAC）主要特点：主要特点：1. 制造商完全可利用现有装配技术和廉价的材料，成本低；制造商完全可利用现有装配技术和廉价的材料，成本低
4、；2.与与QFP器件比较，较少有机械损伤；器件比较，较少有机械损伤；3.装配到装配到PCB上可以具有非常高的质量。上可以具有非常高的质量。面临的挑战：面临的挑战： 保持封装体平面化、增强防潮（即防止保持封装体平面化、增强防潮（即防止“爆米花爆米花”现象）、现象）、管芯尺寸的可靠性问题。管芯尺寸的可靠性问题。BGA的类型的类型陶瓷球栅阵列（陶瓷球栅阵列（CBGA）又称：焊料球载体又称：焊料球载体（SBC）主要特点：主要特点：1. 组件拥有优异的热性能和电性能；组件拥有优异的热性能和电性能；2. 与与QFP相比，较少受机械损伤的影响；相比，较少受机械损伤的影响；3. 当装配到具有大量当装配到具有大
5、量I/O（250）应用的）应用的PCB上时，具有上时，具有非常高的封装效率；非常高的封装效率；BGA的类型的类型陶瓷圆柱栅阵列（陶瓷圆柱栅阵列（CCGA）又称：圆柱焊料载体（又称：圆柱焊料载体（SCC）CCGA是尺寸为是尺寸为32mm2的的CBGA器件的代替品，其它跟器件的代替品，其它跟CBGA相似，只有：相似，只有：CCGA是采用焊料圆柱阵列，是采用焊料圆柱阵列，CBGA是是采用焊球阵列，而圆柱焊料比球形更能承受由热应力不匹配采用焊球阵列，而圆柱焊料比球形更能承受由热应力不匹配而产生的应力作用，但比焊球跟容易受到机械损伤。？而产生的应力作用，但比焊球跟容易受到机械损伤。？BGA的类型的类型又
6、称：阵列载带自动键合（又称：阵列载带自动键合（ATAB），是较新颖的），是较新颖的BGA形式。形式。特点：特点：1、比绝大多数的、比绝大多数的BGA封装要轻和小；封装要轻和小；2、比、比QFP器件和绝大多数器件和绝大多数BGA封装的电性能好；封装的电性能好；3、装配到、装配到PCB上具有非常高的封装效率。上具有非常高的封装效率。载带球栅阵列（载带球栅阵列（TBGA）BGA的制备和安装的制备和安装以美国摩托罗拉公司生产的以美国摩托罗拉公司生产的OMPAC为例：为例：基板：基板：BT树脂树脂/玻璃芯材被层压在两层玻璃芯材被层压在两层18m的铜箔间。的铜箔间。芯片用充银的环氧树脂粘在镀镍芯片用充银的
7、环氧树脂粘在镀镍/金的薄膜上，固化；金的薄膜上，固化；芯片和基板间用热超声波焊接；芯片和基板间用热超声波焊接；用填有石灰粉的环氧树脂膜压料进行密封，固化；用填有石灰粉的环氧树脂膜压料进行密封，固化；用自动捡放机械手系统放焊料球，再流焊。用自动捡放机械手系统放焊料球，再流焊。球在上、球在下球在上、球在下BGA的质量检测和返工的质量检测和返工 BGA的焊点在芯片下面，检测焊点质量比较困难。的焊点在芯片下面，检测焊点质量比较困难。采用采用X射线断面自动工艺检测设备进行射线断面自动工艺检测设备进行BGA焊点的质量检测。焊点的质量检测。返工流程：返工流程：确认缺陷确认缺陷BGA组件组件拆卸拆卸BGA B
8、GA焊盘预处理焊盘预处理 检测焊检测焊膏涂覆膏涂覆 重新安装组件并再流重新安装组件并再流 检测。检测。2、CSP技术技术芯片尺寸封装：指封装外壳的尺寸不超过裸片尺寸芯片尺寸封装：指封装外壳的尺寸不超过裸片尺寸1.2倍的一倍的一种封装形式。是种封装形式。是BGA向小型化、薄型化方向的延伸。是向小型化、薄型化方向的延伸。是目前体积最小的超大规模集成电路封装之一。表目前体积最小的超大规模集成电路封装之一。表13.1.特点：特点：1、封装尺寸小；、封装尺寸小；2、电学性能优良；、电学性能优良；3、测试、筛选、老化容易；、测试、筛选、老化容易；4、散热性能优良；、散热性能优良；5、内无须填料；、内无须填
9、料；6、制造工艺、设备的兼容性好。、制造工艺、设备的兼容性好。结构有结构有4部分：部分：IC芯片、芯片、互连层、焊球（凸点）、互连层、焊球（凸点）、保护层。保护层。CSP的类型的类型CSP的类型：的类型： 柔性基板封装、柔性基板封装、 刚性基板封装、刚性基板封装、 引线框架式引线框架式CSP封装、封装、 晶圆级晶圆级CSP封装、封装、 薄膜型薄膜型CSP。柔性基板封装：柔性基板封装： 美国美国tessra开发，常采用开发，常采用PI或或TAB工艺中相似的带状材料做工艺中相似的带状材料做垫片，互连在垫片的一个面，焊球穿过垫片与互连层相连，方垫片，互连在垫片的一个面，焊球穿过垫片与互连层相连，方式
10、：式：TAB、倒装、引线键合。、倒装、引线键合。1、TAB晶片晶片减薄、划片减薄、划片TAB内焊点键合内焊点键合切割成型切割成型TAB外焊点外焊点键合键合模塑包封模塑包封基板上安装焊球基板上安装焊球测试筛选测试筛选激光打码激光打码2、倒装式：、倒装式：晶片晶片二次布线二次布线（减薄）形成凸点（减薄）形成凸点划片划片倒装键合倒装键合模塑模塑包封包封基板上安装焊球基板上安装焊球测试筛选测试筛选激光打码激光打码3、引线键合式、引线键合式晶片晶片减薄、划片减薄、划片芯片键合芯片键合引线键合引线键合模塑包封模塑包封基板上基板上安装焊球安装焊球测试筛选测试筛选激光打码激光打码刚性基板封装：刚性基板封装：
11、日本日本toshiba开发，常采用树脂和陶瓷做垫片，内层互连是通开发，常采用树脂和陶瓷做垫片，内层互连是通过多层陶瓷叠加或通孔实行，方式：倒装、引线键合。过多层陶瓷叠加或通孔实行，方式：倒装、引线键合。1、倒装式：、倒装式： 要先做凸点和用薄膜或厚膜技术在垫片上布线，然后进行凸要先做凸点和用薄膜或厚膜技术在垫片上布线，然后进行凸点倒装焊或超声波热压焊。点倒装焊或超声波热压焊。2、引线键合式、引线键合式 先制作多层布线的垫片后，常规引线键合。先制作多层布线的垫片后，常规引线键合。引线框架式引线框架式CSP封装：封装： 日本日本fujitsu开发，互连做在引线框架上，方式：开发，互连做在引线框架上
12、，方式：TAB/倒装式、倒装式、引线键合式。引线键合式。晶片晶片减薄、划片减薄、划片芯片键合芯片键合引线键合引线键合模塑包封模塑包封电镀电镀切筛、引线成型切筛、引线成型测试筛选测试筛选激光打码激光打码晶圆级晶圆级CSP封装：封装： chipscale开发，是在晶圆阶段，利用芯片间较宽的划片槽，开发，是在晶圆阶段，利用芯片间较宽的划片槽，在其中构造周边互连，随后用玻璃、树脂、陶瓷等材料封装而在其中构造周边互连，随后用玻璃、树脂、陶瓷等材料封装而完成。再分布式，模塑基片式。完成。再分布式，模塑基片式。薄膜型薄膜型CSP封装：封装： 日本三菱开发。日本三菱开发。无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再
13、无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再布线工艺，与凸点实现互连；布线工艺，与凸点实现互连； 外引脚的凸点可在基片上任意外引脚的凸点可在基片上任意部位，易于标准化。部位，易于标准化。薄膜型薄膜型CSP封装：封装： 日本三菱开发。日本三菱开发。无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再布线工艺，与凸点实现互连；布线工艺，与凸点实现互连； 外引脚的凸点可在基片上任意外引脚的凸点可在基片上任意部位，易于标准化。部位，易于标准化。制造工艺：制造工艺：1、布线工艺、布线工艺2、装配工艺、装配工艺3、CSP焊点接合部的疲劳特性。焊点接合部的疲劳特性。CSP的应用的应用具有短
14、、小、轻、薄的特点，在便携式、低针脚数、低功具有短、小、轻、薄的特点，在便携式、低针脚数、低功率产品中最小获得应用，内存是最大量采用率产品中最小获得应用，内存是最大量采用CSP技术的产技术的产品。品。截止到截止到1997年，年，CSP已经应用到手机电话的内存、笔记本已经应用到手机电话的内存、笔记本的存储器、摄录一体机、的存储器、摄录一体机、IC卡等产品。卡等产品。1998年，推广到磁盘驱动器、个人数字助理、印码器；年，推广到磁盘驱动器、个人数字助理、印码器；都是小型的便携产品。都是小型的便携产品。应用存在的问题：标准化、可靠性、成本。应用存在的问题：标准化、可靠性、成本。3、倒装芯片技术、倒装
15、芯片技术FCP是直接通过阵列排布的凸点实现芯片与封装衬底（或电是直接通过阵列排布的凸点实现芯片与封装衬底（或电路板）的互连。相当于普通封装中粘装、引线键合两个步骤。路板）的互连。相当于普通封装中粘装、引线键合两个步骤。FCP 有三种连接形式：控制塌陷芯片连接（有三种连接形式：控制塌陷芯片连接（C4）、直接芯）、直接芯片连接（片连接（DCA）、倒装芯片。）、倒装芯片。C4类似于类似于BGA组件，主要大批量应用在高性能、高组件，主要大批量应用在高性能、高I/O数量数量的元器件，如：的元器件，如：CBGA、CCGA、MCM的应用中的应用中C4的优点：的优点：1、具有优异的热性能和电性能；、具有优异的
16、热性能和电性能；2、在焊球间距中等的情况、在焊球间距中等的情况下，能够支持极大的下，能够支持极大的I/O数量；数量；3、不存在、不存在I/O焊盘尺寸的限焊盘尺寸的限制；制；4、通过使用群焊技术，进行大批量可靠的装配。、通过使用群焊技术，进行大批量可靠的装配。5、可、可以实现最小的元器件尺寸和质量。以实现最小的元器件尺寸和质量。C4元器件在管芯和基片之间能够采用单一互连，从而提供元器件在管芯和基片之间能够采用单一互连，从而提供最短、最简单的信号通路。降低界面的数量，减小结构的复最短、最简单的信号通路。降低界面的数量，减小结构的复杂程度，提高其固有的可靠性。杂程度，提高其固有的可靠性。FCP 有三
17、种连接形式：控制塌陷芯片连接（有三种连接形式：控制塌陷芯片连接（C4）、直接芯）、直接芯片连接（片连接（DCA）、倒装芯片。）、倒装芯片。DCA技术的基片是技术的基片是PCB，凸点是低共熔点焊膏的高锡含量，凸点是低共熔点焊膏的高锡含量凸点。凸点。DCA的优点：跟的优点：跟C4相似相似胶粘剂连接的倒装芯片：胶粘剂连接的倒装芯片：FCAA，胶粘剂可以贴装陶瓷、，胶粘剂可以贴装陶瓷、PCB基板、柔性电路板、玻璃材料，应用广泛。基板、柔性电路板、玻璃材料，应用广泛。倒装芯片的凸点技术倒装芯片的凸点技术凸点结构：凸点结构：IC、UBM、Bump。UBM是在芯片焊盘和凸点间金属过渡层，起粘附和阻碍扩散是在
18、芯片焊盘和凸点间金属过渡层，起粘附和阻碍扩散的作用，是粘附层、扩散阻挡层、浸润层等组成的多层金属膜。的作用，是粘附层、扩散阻挡层、浸润层等组成的多层金属膜。UBM的制备：溅射的制备：溅射/蒸发、电镀、化学电镀；前两个成本高，蒸发、电镀、化学电镀；前两个成本高，效率也高，化学电镀成本低，是将来发展的方向。效率也高，化学电镀成本低，是将来发展的方向。凸点分：焊料凸点、金凸点和聚合物凸点。凸点分：焊料凸点、金凸点和聚合物凸点。焊料凸点：锡焊料。金凸点：金或铜用电镀法形成凸点。聚合焊料凸点：锡焊料。金凸点：金或铜用电镀法形成凸点。聚合物凸点：导电聚合物。物凸点：导电聚合物。焊料凸点应用最广，金凸点工艺
19、简单，但组装中的要求麻烦，焊料凸点应用最广，金凸点工艺简单，但组装中的要求麻烦，聚合物凸点高效、成本低，应用前景很好。聚合物凸点高效、成本低，应用前景很好。凸点的制作？凸点的制作？4、晶圆级封装技术、晶圆级封装技术WLP：WLP-CSP，以晶圆片为加工对象，直接在晶圆片上，以晶圆片为加工对象，直接在晶圆片上同时对众多芯片封装、老化、测试，封装的全过程都同时对众多芯片封装、老化、测试，封装的全过程都在晶圆片生产厂内，运用芯片的制造设备完成。封装在晶圆片生产厂内，运用芯片的制造设备完成。封装完后才切割成多个芯片，直接贴装到基板上。完后才切割成多个芯片，直接贴装到基板上。WLP的成本低：的成本低：1
20、、批量生产工艺进行制造；、批量生产工艺进行制造；2、充分利于芯片制造设备，无须再建封装厂，施舍费用低；、充分利于芯片制造设备，无须再建封装厂，施舍费用低；3、芯片设计和封装设计可统一考虑和进行，提高效率；、芯片设计和封装设计可统一考虑和进行，提高效率；4、中间环节减小，周期缩短，成本降低。、中间环节减小，周期缩短，成本降低。4、晶圆级封装技术、晶圆级封装技术WLP主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点技术主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点技术薄膜再分布技术：各个芯片按周边分布的薄膜再分布技术：各个芯片按周边分布的I/O焊区，通过薄膜技焊区，通过薄膜技术再布线，变成阵列分布焊区并形成焊料
21、凸点的技术。术再布线，变成阵列分布焊区并形成焊料凸点的技术。基本步骤：基本步骤：1、在芯片上涂金属布线层间的介质材料；、在芯片上涂金属布线层间的介质材料；2、淀积金属薄膜并光刻制备金属导线和凸点焊区；、淀积金属薄膜并光刻制备金属导线和凸点焊区；3、在凸点焊区淀积、在凸点焊区淀积UBM层；层；4、在、在NBM上制作凸点；上制作凸点；4、晶圆级封装技术、晶圆级封装技术WLP主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点制作技术主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点制作技术凸点制作技术：凸点制作技术：三种制备方法：三种制备方法： 应用预制焊球：用于焊球间距大于应用预制焊球：用于焊球间距大于700m。 丝
22、网印刷：焊球间距为丝网印刷：焊球间距为200m。 电镀：间距任意。电镀：间距任意。 焊球要去共面性好、单个和各个焊球的成分均匀。焊球要去共面性好、单个和各个焊球的成分均匀。4、晶圆级封装技术、晶圆级封装技术WLP的优点：的优点：1、封装效率高。、封装效率高。 2、具备轻、薄、短、小。、具备轻、薄、短、小。3、倒装的引线短，引线电感、电阻等寄生参数小，电、热性、倒装的引线短，引线电感、电阻等寄生参数小，电、热性能较好。能较好。4、制作的技术都是在现有的技术上改进。、制作的技术都是在现有的技术上改进。5、符合、符合SMT的潮流。的潮流。WLP的局限性：的局限性：1、WLP的外引出端只能分布在管芯有
23、源一侧面内，使的外引出端只能分布在管芯有源一侧面内，使I/O数不数不是很大。是很大。2、具体结构形式、封装工艺、支撑设备有待优化。、具体结构形式、封装工艺、支撑设备有待优化。3、可靠性数据不完整，影响扩大使用。、可靠性数据不完整，影响扩大使用。4、进一步降低成本。、进一步降低成本。5、多芯片组件封装、多芯片组件封装MCM封装：用多层连线基板，再以打线键合、封装：用多层连线基板，再以打线键合、TAB或或C4键合键合法把多个芯片与基板连接，使其成为具有特点功法把多个芯片与基板连接，使其成为具有特点功能的组件。能的组件。主要优点：主要优点：1、可大幅提高电路连接密度，增进封装的效率；、可大幅提高电路
24、连接密度，增进封装的效率；2、具备轻、薄、短、小的封装设计；、具备轻、薄、短、小的封装设计；3、封装的可靠度可获得提升。、封装的可靠度可获得提升。MCM主要技术有：多层互连基板的制作、芯片连接技术主要技术有：多层互连基板的制作、芯片连接技术多层互连基板：可以用陶瓷、金属、高分子材料，用薄膜、多层互连基板：可以用陶瓷、金属、高分子材料，用薄膜、厚膜、多层陶瓷共烧等技术制成。厚膜、多层陶瓷共烧等技术制成。芯片连接技术：打线接合、芯片连接技术：打线接合、TAB或或C4技术。表技术。表13.65、多芯片组件封装、多芯片组件封装6、三维封装技术、三维封装技术3D封装模块：指芯片在封装模块：指芯片在Z方向
25、垂直互连结构。方向垂直互连结构。类型：叠层类型：叠层IC间的外围互连、叠层间的外围互连、叠层IC间的区域互连、间的区域互连、 叠层叠层MCM间的外围互连、叠层间的外围互连、叠层MCM间的区域互连间的区域互连3D封装技术的优点：封装技术的优点：1、3D设计替代单芯片封装，缩小了器件尺寸、减轻了质量；设计替代单芯片封装，缩小了器件尺寸、减轻了质量；2、3D更有效地使用了硅片的有效区域；更有效地使用了硅片的有效区域；3、3D缩短互连长度，延迟缩短，寄生电容和电感降低；缩短互连长度，延迟缩短，寄生电容和电感降低；4、同步噪声更小；、同步噪声更小； 5、功耗更小；、功耗更小； 6、速度提高；、速度提高；7、内部互连更适用、更便利；、内部互连更适用、更便利； 8、增大带宽。、增大带宽。3D封装技术的缺点：封装技术的缺点：1、热处理。、热处理。2、设计复杂性。、设计复杂性。3、成本。、成本。4、交货时间、交货时间层次的热能不均匀；须低热阻层次的热能不均匀；须低热阻基板、强制冷风或冷却液降温、基板、强制冷风或冷却液降温、导热胶排热导热胶排热即：产品周期较长即：产品周期较长
