先进的芯片尺寸封装_CSP_技术

Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ， ＰＤＡ ａｎｄ ｌａｍｅｌｌａｒ ｎｏｔｅｂｏｏｋ ＰＣ， ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｒｅｃｅｎｔｌｙ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ， ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ７ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ６ ｓｏｒｔｓ ａｎｄ ｍａｉｎｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｏｆ ＣＳＰ， ａｎｄ ｇｉｖｅ ａｄｖｉｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＳＰ ｏｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．
（２）刚性基板 ＣＳＰ。刚性基板 ＣＳＰ 是由日本的 Ｔｏｓｈｉｂａ 公 司 开 发 的 一 种 陶 瓷 基 板 超 薄 型 封 装 ， 因 此 又 可 称 之 为 陶 瓷 基 板 薄 形 封 装 ＣＳＴＰ （Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｔｈｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）。其基本结构见图 ３。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。
２．２ 可容纳引脚的数最多 在各种相同尺寸的芯片封装中 ， ＣＳＰ 可容纳的
引脚数最多， 适宜进行多引脚数封装， 甚至可以应 用在 Ｉ／Ｏ 数超过 ２０００ 的高性能芯片上。例如， 引脚 间 距 为 ０．５ ｍｍ， 封 装 尺 寸 为 ４０ ｍｍ ×４０ ｍｍ 的 ＱＦＰ， 引脚数最多为 ３０４ 根， 若要增加引脚数 ， 只 能 减小引脚间距， 但在传统工艺条件下， ＱＦＰ 难以突 破 ０．３ ｍｍ 的技术极限； 与 ＣＳＰ 相提并论的是 ＢＧＡ 封装， 它的引脚数可达 ６００￣１０００ 根， 但值得重视的 是， 在引脚数相同的情况下， ＣＳＰ 的组装远比 ＢＧＡ 容易。
关键词： 芯片尺寸封装； ＬＳＩ 芯片； 凸点
中图分类号： ＴＮ３０５．９４
文献标识码： Ａ 文章编号： １００４－４５０７（ ２００６） ０８－００３６－０７
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＵ Ｒｕｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｏｆｆｉｃｅ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｂｒａｎｃｈ ， ＣＳＩＡ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）
Ｓｅｐ． ２００６ （ 总第 １４０ 期）
３７
·封装与测试·
电 子 工 业 专 用 设备
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
ＥＰＥ
接层、凸点（ 铜 ／ 镍） 等构成。载带是用聚酰亚胺和 铜箔组成。采用共晶焊料（ ６３％Ｓｎ－３７％Ｐｂ） 作外部互 连电极材料。
·封装与测试·
电 子 工 业 专 用 设备
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
ＥＰＥ
先进的芯片尺寸封装(CS P )技术
杜润
（ 半导体行业协会封装分会， 北京 １０００８３）
摘 要： 随着手机、掌上电脑、薄形笔记本等消费类电子产品的迅速发展， 芯片尺寸封装技术
２．３ 电性能优良 ＣＳＰ 的 内 部 布 线 长 度 （ 仅 为 ０．８～１．０ ｍｍ） 比
ＱＦＰ 或 ＢＧＡ 的布线长度短得多， 寄生引线电容、引 线电阻及引线电感均很小， 从而使信号传输延迟大 为缩短。ＣＳＰ 的存取时间比 ＱＦＰ 或 ＢＧＡ 短 １／ ５～ １／６ 左 右 ， 同 时 ＣＳＰ 的 抗 噪 能 力 强 ， 开 关 噪 声 只 有 ＤＩＰ（ 双列直插式封装） 的 １／２。这些主要电学性能指 标已经接近裸芯片的水平， 在时钟频率已超过双 Ｇ 的高速通信领域， ＬＳＩ 芯片的 ＣＳＰ 将是十分理想的 选择。
·封装与测试·
的， 所以有人也将 ＣＳＰ 称之为 μＢＧＡ（ 微型球栅阵 列 ， 现 在 仅 将 它 划 为 ＣＳＰ 的 一 种 形 式） ， 因 此 它 自 然地具有 ＢＧＡ 封装技术的许多优点。
２．１ 封装尺寸小 ＣＳＰ 是目前体积最小的 ＶＬＳＩ 封装之一。一般，
ＣＳＰ 封装面积不到 ０．５ ｍｍ， 而间距是 ＱＦＰ 的 １／１０， ＢＧＡ 的 １／３￣１／１０。
ＬＳＩ 芯片
树脂 引线框架 焊丝 导电胶
载带 钝化膜
（ａ） Ｔａｐｅ－ＬＯＣ 型 保护层
ＬＳＩ 芯片
树脂
引线框架
导电胶
焊丝
载带 钝化膜
（ｂ） ＭＦ － ＬＯＣ 型
Hale Waihona Puke Baidu
图 ４ ＬＯＣ 型 ＣＳＰ 的基本结构
由图可知， 这两种形式的 ＬＯＣ 形 ＣＳＰ 都是将 ＬＳＩ 芯 片 安 装 在 引 线 框 架 上 ， 芯 片 面 朝 下 ， 芯 片 下 面的引线框架仍然作为外引脚暴露在封装结构的 外面。因此， 不需要制作工艺复杂的焊料凸点， 可实 现芯片与外部的互连， 并且其内部布线很短， 仅为 ０．１ ｍｍ 左右。
焊球
硅片
聚酰亚胺保护膜
聚酰亚胺 粘结层 铜布线图形 铜通孔
铝焊区
图 １ ＦＰＢＧＡ 的基本结构
芯片 芯片
粘结层
载带薄膜 焊球
封装树脂 粘结层
载带薄膜 焊球
图 ２ ＦＰＢＧＡ 的截面结构
其主要特点是结构简单， 可靠性高， 安装方便， 可利用传统的 ＴＡＢ（ Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ） 焊接 机进行焊接。
（ ＣＳＰ） 在 我 国 从 无 到 有 ， 并 在 短 短 几 年 时 间 内 取 得 了 突 飞 猛 进 的 发 展 。 论 述 了 芯 片 尺 寸 封 装
（ ＣＳＰ） 的 ７ 大特点， 总结了 ６ 大类别， 归纳了主要生产制作工艺， 并对我国芯片尺寸封装技术
（ ＣＳＰ） 的发展提出了几点建议。
Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ； Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ； Ｂｕｍｐ
１ 引言
所 谓 芯 片 尺 寸 封 装 就 是 ＣＳＰ （Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋ－ ａｇｅ 或 Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）。ＪＥＤＥＣ（美国 ＥＩＡ 协会 联合电子器件工程委员会）的 ＪＳＴＫ－０１２ 标准规定， ＬＳＩ 芯 片 封 装 面 积 小 于 或 等 于 ＬＳＩ 芯 片 面 积 的 １２０％ 的 产 品 称 之 为 ＣＳＰ。 ＣＳＰ 技 术 的 出 现 确 保 ＶＬＳＩ 在高性能、高可靠性的前提下实现芯片的最 小尺寸封装（ 接近裸芯片的尺寸） ， 而相对成本却更
低， 因此符合电子产品小型化的发展潮流， 是极具 市场竞争力的高密度封装形式。 本文从 ＣＳＰ 的特 点 、类 别 和 制 作 工 艺 以 及 生 产 和 研 发 等 几 个 方 面 详 细论述这种先进的封装 技 术 ， 并 对 我 国 ＣＳＰ 技 术 的研发提出几点建议。
２ ＣＳＰ 的特点
ＣＳＰ 实际上是在 ＢＧＡ 封装小型化过程中形成
好， 而且它的引脚间距完全符 合 当 前 使 用 的 ＳＭＴ 标 准（ ０．５～１ ｍｍ） ， 无 需 对 ＰＣＢ 进 行 专 门 设 计 ， 而 且组装容易， 因此完全可以利用现有的半导体工艺 设 备 、组 装 技 术 组 织 生 产 。
３ ＣＳＰ 的分类
２．４ 测试、筛选、老化操作容易实现 ＭＣＭ 技术是当今最高效、最先进的高密度封
ＬＳＩ 芯片 Ａｕ 凸点
热固性树脂 电路图形
通孔
基板（ 三氧化二铝或 ＡＩＮ） 图 ３ ＣＳＴＰ 的基本结构
电极
３８ （ 总第 １４０ 期） Ｓｅｐ． ２００６
（３）引线框架式 ＣＳＰ。引线框架式 ＣＳＰ 是由日本 的 Ｆｕｊｉｔｓｕ 公 司 研 制 开 发 的 一 种 芯 片 上 引 线 的 封 装 形式， 因此也被称之为 ＬＯＣ（Ｌｅａｄ Ｏｎ Ｃｈｉｐ）形 ＣＳＰ。 通 常 情 况 下 分 为 Ｔａｐｅ－ＬＯＣ 型 和 ＭＦ－ＬＯＣ 型（Ｍｕｌ－ ｔｉ－ｆｒａｍｅ－ＬＯＣ）两种形式， 其基本结构如图 ４ 所示。
装之一， 其技术核心是采用裸芯片安装， 优点是无 内部芯片封装延迟及大幅度提高了组件封装密度， 因 此 未 来 市 场 令 人 乐 观 。但 它 的 裸 芯 片 测 试 、筛 选 、 老化问题至今尚未解决， 合格裸芯片的获得比较困 难 ， 导 致 成 品 率 相 当 低 ， 制 造 成 本 很 高 ； 而 ＣＳＰ 则 可进行全面老化、筛选、测试， 并且操作、修整方便，
收 稿 日 期： ２００６－０７－２０ 作 者 简 介 ： 杜 润（ １９７７－ ） 女 ， 甘 肃 平 凉 人 ， 助 理 工 程 师 ， 现 主 要 从 事 半 导 体 封 装 行 业 研 究 。
３６ （ 总第 １４０ 期） Ｓｅｐ． ２００６
ＥＰＥ 电 子 工 业 专 用 设备 Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
（５）微小模塑型 ＣＳＰ。微小模塑型 ＣＳＰ 是 由 日 本三菱电机公司研制开发出来的一种新型封装形
ＥＰＥ 电 子 工 业 专 用 设备 Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
２．６ 封装内无需填料 大 多 数 ＣＳＰ 封 装 中 凸 点 和 热 塑 性 粘 合 剂 的 弹
性很好， 不会因晶片与基底热膨胀系数不同而造成 应力， 因此也就不必在底部填料， 省去了填料时间 和填料费用， 这在传统的 ＳＭＴ 封装中是不可能的。
２．７ 制造工艺、设备的兼容性好 ＣＳＰ 与现有的 ＳＭＴ 工艺和基础设备的兼容性
能获得真正的 ＫＧＤ 芯片， 在目前情况下用 ＣＳＰ 替 代裸芯片安装势在必行。
２．５ 散热性能优良 ＣＳＰ 封装通过焊球与 ＰＣＢ 连 接 ， 由 于 接 触 面
积大， 所以芯片在运行时所产生的热量可以很容易 地 传 导 到 ＰＣＢ 上 并 散 发 出 去 ； 而 传 统 的 ＴＳＯＰ（ 薄 型 小 外 形 封 装） 方 式 中 ， 芯 片 是 通 过 引 脚 焊 在 ＰＣＢ 上， 焊点和 ＰＣＢ 板的接触面积小， 使芯片向 ＰＣＢ 板散热相对困难。测试结果表明， 通过传导方式的 散 热 量 可 占 到 ８０％以 上 。 同 时 ， ＣＳＰ 芯 片 正 面 向 下安装， 可以从背面散热， 且散热效果良好。例如松下 电子开发的 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ ＣＳＰ 的热阻为 ３５ ℃／Ｗ， 而 ＴＳＯＰ、ＱＦＰ 的热阻则可达 ４０ ℃／Ｗ。若通过散热 片 强 制 冷 却 ， ＣＳＰ 的 热 阻 可 降 低 到 ４．２ ℃ ／Ｗ， 而 ＱＦＰ 的则为 １１．８ ℃／Ｗ 。
目 前 全 球 有 ５０ 多 家 ＩＣ 厂 商 生 产 各 种 结 构 的 ＣＳＰ 产品。根据目前各厂商的开发情况， 可将 ＣＳＰ 封装分为下列主要类别：
（１）柔性基板封装 ＣＳＰ。柔性基板封装 ＣＳＰ 是 由 日 本 的 ＮＥＣ 公 司 利 用 ＴＡＢ 技 术 研 制 开 发 出 来 的 一 种 窄 间 距 的 ＢＧＡ， 因 此 也 可 以 称 之 为 ＦＰＢ－ ＧＡ。这类 ＣＳＰ 封装的基本结构如图 １ 所示， 截面结 构如图 ２ 所示。主要由 ＩＣ 芯片、载带（ 柔性体） 、粘
（４）焊区阵列 ＣＳＰ。焊区阵列 ＣＳＰ 是由日 本 的 Ｐａｎａｓｏｎｉｃ 公 司 研 制 开 发 的 一 种 新 型 封 装 形 式 ， 也 被称之为 ＬＧＡ （Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ） 型 ＣＳＰ， 主要由 ＬＳＩ 芯 片 、陶 瓷 载 体 、填 充 用 环 氧 树 脂 和 导 电 粘 结 剂 等 组 成 。这 种 封 装 的 制 作 工 艺 是 先 用 金 丝 打 球 法 在 芯 片 的 焊 接 区 上 形 成 Ａｕ 凸 点 ， 然 后 在 倒 装 焊 时， 在基板的焊区上印制导电胶， 之后对事先做好 的凸点加压， 同时固化导电胶， 这就完成了芯片与 基板的连接。导电胶由 Ｐｄ－Ａｇ 与特殊的环氧树脂组 成， 固化后保持一定弹性， 因此， 即使承受一定的应 力， 也不易受损。表 １ 示出了其材料结构与一些基 本参数。