第13章-先进封装技术

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
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。
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℃
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）。
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.
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”。
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
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。
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。
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。
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小、
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
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
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。
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
倒装芯片大致工艺过程（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)。
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）
（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0.40.3mm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。
(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）