第章先进封装技术

1、控制塌陷芯片连接（Ｃ4）
❖ Ｃ４是类似超细间距ＢＧＡ形式
焊球阵列间距一般为：0.2~ 0.254mm。 焊球直径为0.10~0.127mm。 凸点焊料为97Pb/3Sn。 焊球在硅片上可以采用完全分布或局部分布。 基板采用陶瓷基板 UMB（Under- Bump Metallurgy）焊球底部金属由”粘
❖ 国外权威机构预测，全球CSP的市场需求量 年内将达到64.81亿枚，2004年为88.71亿枚， 2005年将突破百亿枚大关，达103.73亿枚， 2006年更可望增加到126.71亿枚。尤其在存 储器方面应用更快，预计年增长幅度将高达 54.9%。
13.3 倒装芯片技术
❖ Flip Chip既是一种芯片互连技术，又是一种理想的 芯片粘接技术。
第13章
先进封装技术
主要内容
❖ BGA ❖ CSP ❖ FC技术 ❖ WLP技术 ❖ MCM封装与三维封装
目前的先进封装技术包含了单芯片封装的改进和多 芯片集成的创新两大方面。主要包括：
（1）以适应芯片性能并提高互联封装效率的BGA封装
（2）以提高芯片有效面积的芯片尺寸封装(CSP)
（3）以减少制造环节和提高生产效率的晶圆级封装（ WLP）
❖ 倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的 金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后 的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接 的芯片电气面朝上，而倒装芯片的电气面朝下，相 当于将 前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。在 圆片（Wafer） 上芯片植完球后，需要将其翻转， 送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而 被称为“倒装芯片”。
1.27mm。
图 CBGA结构图
4.载带球栅阵列（TBGA）
❖ 也称为阵列载带自动键合（Array Tape Automated Bonding,ATAB），是一种相对新 颖的BGA封装。
❖ TBGA优点：
比其它BGA封装轻、小； 电性能优良； 装配的PCB上，封装效率高。
13.2 CSP技术
阵列形式安置到陶瓷载体的底部。 ❖ 焊料球尺寸为1mm,节距为1.27mm。
图 CBGA结构图
图 CBGA实例图
3.陶瓷圆柱栅格阵列 (CCGA)工艺
❖ 陶瓷体尺寸大于32平方毫米的CBGA替代品； ❖ 采用90Pb/10Sn焊料圆柱阵列替代陶瓷载体的底面
的贴装焊球。 ❖ 圆柱直径尺寸为0.508mm,高度1.8mm,节距为
❖ (6)能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容。原 有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用。
❖ (7)引脚可超过200~500，是多引脚LSI 用的 一种表面贴装型封装技术。
❖ (8)球形触点阵列有助于散热。
BGA 的类型
主要有四类: ❖ 1、塑料球栅阵列（PBGA） ❖ 2、陶瓷球栅阵列 CBGA（Ceramic BGA） ❖ 3、陶瓷圆柱栅格阵列 (CCGA) ❖ 4、载带球栅阵列（TBGA）
（4）以提高电路拓展芯片规模和扩展电路功能的多芯 片三维立体封装（3D）
图 从 QFP至晶圆级封装
13.1 BGA(ball grid array)技术 ---发展历史
❖ 20世纪80年代， QFP的I/O引脚节距达到 0.4-0.3mm时，使SMT技术遇到了极限，面 临性能与组装的巨大障碍。一种先进的芯片 封装BGA(Ball Grid Array.球栅阵列)出现来 应对上述挑战。
❖ (2)封装可靠性高(不会损坏引脚)。焊点缺陷率低 (<1ppm/焊点),焊点牢固。
❖ (3)管脚水平面同一性较QFP容易保证，因为焊锡球 在溶化后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
❖ (4)回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效 果，允许有50％的贴片精度误差。
❖ (5)有较好的电特性，由于引线短，导线的自 感和导线间的互感很低，频率特性好。
5、薄膜型CSP
❖ 薄膜型CSP：由日本三菱电机公司开发的CSP结构 如图6所示。它主要由IC芯片、模塑的树脂和凸点 等构成。芯片上的焊区通过在芯片上的金属布线与 凸点实现互连，整个芯片浇铸在树脂上，只留下外 部触点。这种结构可实现很高的引脚数，有利于提 高芯片的电学性能、减少封装尺寸、提高可靠性， 完全可以满足储存器、高频器件和逻辑器件的高 I/O数需求。同时由于它无引线框架和焊丝等，体 积特别小，提高了封装效率。
FC技术定义
❖ ＦＣ是芯片有源区面对基板，直接通过芯 片上呈阵列排列的凸点来实现芯片与衬底 （或电路板）的互连。由于芯片以倒扣方 式安装到衬底上，故称为“倒装芯片” （Flip-Chip） 。
FC技术特点
❖ 提供更高的Ｉ／Ｏ密度； ❖ 倒装占有面积几乎与芯片大小一致； ❖ 在所有SMT表面安装技术中，倒装芯片可以达到最
附层-扩散阻挡层-导电层”多层金属化系统构成。 由于陶瓷可以承受较高的回流温度，因此陶瓷被用来作为 Ｃ４连接的基材，通常是在陶瓷的表面上预先分布有镀 Au或Sn的连接盘，然后进行Ｃ４形式的倒装片连接。
控制塌陷芯片连接
❖ Ｃ４连接的优点在于：
①具有优良的电性能和热特性 ②在中等焊球间距的情况下，Ｉ／Ｏ数可以很高 ③不受焊盘尺寸的限制 ④可以适于批量生产 ⑤可大大减小尺寸和重量
引线框架式CSP
4、圆片级CSP封装（Wafer-Level Package）
❖ 封装见下页图。它是在圆片前道工序完成后，直接 对圆片利用半导体工艺进行后续组件封装，利用划 片槽构造周边互连，再切割分离成单个器件。
❖ WLP主要包括两项关键技术即再分布技术和凸焊点 制作技术。
❖ 它有以下特点：
①相当于裸片大小的小型组件（在最后工序切割分片）； ②以圆片为单位的加工成本（圆片成本率同步成本）； ③加工精度高（由于圆片的平坦性、精度的稳定性）。
倒装芯片Baidu Nhomakorabea致工艺过程（2）
❖ 倒装芯片有三种主要连接形式:
① 控制塌陷芯片连接Ｃ４(Controlled Collapse Chip Connection) 技术是一种超精细间距的 BGA型式。
② 直接芯片连接ＤＣＡ(Direct chip attach)
③ 粘结剂连接的倒装芯片ＦＣＡＡ(Flip Chip Adhesive Attachement)。
❖ BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难。但 它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、 更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成 技术发展和对进一步提高封装效率和进一步接近芯 片本征传输速率的要求，所以更新的封装CSP(Chip Size Package．芯片尺寸封装)又出现了。
❖ 日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺 寸面积之比大于80％。
柔性基板封装
2、刚性基板封装（Rigid Substrate interposer）
❖ 由日本Toshiba公司开发的这类CSP封装,实 际上就是一种陶瓷基板薄型封装，其基本结 构如下页图。它主要由芯片、氧化铝（Al2O3） 基板、铜（Au）凸点和树脂构成。通过倒装 焊、树脂填充和打印3个步骤完成。它的封装 效率（芯片与基板面积之比）可达到75％， 是相同尺寸的TQFP的2.5倍。
➢ CSP是缩小了的BGA。
CSP特点：
① 封装尺寸小，可满足高密封装； ② 电性能优良； ③ 测试、筛选、老化容易； ④ 散热性能优良； ⑤ 制造工艺、设备兼容性好。
CSP的基本结构
❖ CSP的结构主要有4部分：IC芯片，互连层， 焊球（或凸点、焊柱），保护层。互连层是 通过载带自动焊接（TAB）、引线键合 （WB）、倒装芯片（FC）等方法来实现芯 片与焊球（或凸点、焊柱）之间内部连接的， 是CSP封装的关键组成部分。CSP的典型结构 如下图所示。
CSP应用领域
❖ 目前日本有多家公司生产CSP。而且正越来 越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记 本电脑等产品上。从CSP近几年的发展趋势 来看，CSP将取代QFP成为高I/O引线IC封装 的主流。
❖ 在美国，主要用于高端电子产品领域，多芯 片组件（MCM），存储器件，尤其是I/O端子 在2000以上的高性能电子产品。
CSP的典型结构
❖
CSP的分类
❖ 柔性基板（Flex Circuit Interposer） ❖ 刚性基板（Rigid Substrate Interposer） ❖ 引线框架式 ❖ 晶圆级CSP ❖ 薄膜型CSP
1、柔性基板封装（Flex Circuit
Interposer）
❖ 由美国Tessera公司开发的这类CSP封装的基 本结构如下图2所示。主要由IC芯片、载带 （柔性体）、粘接层、凸点（铜/镍）等构成。 载带是用聚酰亚胺和铜箔组成。它的主要特 点是结构简单，可靠性高，安装方便，可利 用原有的TAB（Tape Automated Bonding） 设备焊接。
❖ 该封装是1990年美国Motorola 公司与日本 Citizen公司共同开发的，首先在便携式电话 等设备中被采用。
13.1 BGA(ball grid array)技术 ---发展历史
BGA的兴起得到迅速发展。使封装形式从四 边引线-----二维平面阵列。
BGA一出现便成为CPU、图形芯片、主板上 南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装 的最佳选择。
时发生熔化），安置到PCB载体的底部。 ❖ 焊料球的尺寸约为1mm,节距为1.27~2.54mm。
PBGA示意图
PBGA的主要优点
❖ 成本低，易加工； ❖ 缺陷低； ❖ 装配到PCB上质量高。
2.陶瓷球栅阵列 CBGA工艺
❖ CBGA载体用材料：陶瓷多层载体； ❖ 芯片连接到陶瓷载体上表面； ❖ 采用90Pb/10Sn焊料球（300℃时发生熔化），以
刚性基板封装
3、引线框架式CSP封装（Custom Lead Frame）
❖ 由日本Fujitsu公司开发的此类CSP封装基本 结构如下页图所示。它分为Tape-LOC和MFLOC 两种形式，将芯片安装在引线框架上， 引线框架作为外引脚，因此不需要制作焊料 凸点，可实现芯片与外部的互连。它通常分 为Tape-LOC和MF-LOC 两种形式。
小、最薄的封装。 ❖ 采用凸点结构，互联线更短，减小了ＲＣ延迟，有
效地提高了电性能； ❖ 芯片的热量可通过凸点直接传输给衬底，散热性能
提高； ❖ 是一种高密度芯片互连技术，还是理想的芯片贴装
技术。
倒装芯片大致工艺过程（1）
图 模具填充
图 凸点转移的工艺步骤
图 完成了转移工艺后晶圆上 的焊料凸点
图 完成转移工艺后从 模具板分离开的晶圆
世界上首款BGA封装的主板芯片组i850
1.塑料球栅阵列（PBGA）工艺流程
❖ PBGA（Plastic Ball Grid Array） ❖ PBGA的载体用材料：FR-4环氧树脂，与PCB用材
料相同； ❖ 芯片通过引线键合技术连接到载体上表面； ❖ 采用塑封进行载体塑模； ❖ 采用阵列式低共熔点37Pb/63Sn焊料（约在183℃
❖ 定义：芯片尺寸封装，简称CSP, (Chip Scale Package),是指封装外壳尺寸不超过裸芯片尺寸的 1.2倍的一种先进的封装形式。
❖ 是近几年流行的BGA向小型化、薄型化发展的封装。
❖ 与BGA相比的优势：
➢ CSP比QFP和BGA提供了更短的互连，提高了可靠性；
➢ CSP与BGA结构相同，只是节距（球中心距）、锡球直 径更小、密度更高；
CSP封装技术展望
❖ 有待进一步研究解决的问题 ❖ CSP的未来发展趋势
IC制造商正致力于开发0.3μm节距甚至更小的、 尤其是具有尽可能多I/O数的CSP产品。
❖ 市场预测 CSP技术刚形成时产量很小，1998 年才进入批量生产，2002年的销售收入已达 10.95亿美元，占到IC市场的5%左右。
BGA定义：
➢ BGA(Ball Grid Array）球栅阵列，它是在基 板的背面按阵列方式制作出球形凸点用以代 替引脚，在基板的正面装配IC芯片，是多引 脚LSI芯片封装用的一种表面贴装型技术。
BGA可以使芯片做的更小
BGA的特点主要有：
❖ (1)I/O引线间距大(如1.27毫米)，可容纳的I/O数目 大 ；例如，引脚中心距为1.5mm的360引脚BGA仅 为31mm见方；而引脚中心距为0.5mm的QFP 280 引脚，边长为32mm.