第七章 先进封装技术(3)

3.电性能良好 CSP 内部的布线长度比 QFP 或 BGA 的布线长度短 得多，寄生电容很小，信号传输延迟时间短。 CSP 的存取时间比 QFP 或 BGA 改善 15 ％～ 20 ％， CSP 的 开关噪声只有DIP的1/2左右。 4.散热性能优良 大多数 CSP 都将芯片面向下安装，能从芯片背面 散热，且效果良好。例如日本松下电子工业公司开 发的10mm×10mmCSP的热阻为35℃/W。若通过散 热片强制冷却， CSP 的热阻可降低到 4.2℃/W ，而 QFP的热阻则为11.8℃/W。 总之， CSP 既具有普通封装的优点，又具有裸芯 片的长处。
焊区节距(mm)
印刷电路板参数
1.0，0.8，0.65，0.5
厚度为0.6～1.5mm，2层以上 4层以上
LGA型CSP的主要特点: (a）体积小，而引脚节距大； （b）容易安装； （c）散热性能良好； （d）电性能良好；
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 一种新型封装形式。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。
6.5.3 CSP封装的特点：
1.体积小 CSP 是目前体积最小的 LSI 芯片封装之一。引脚 数相同的封装，CSP的面积不到0.5㎜节距QFP的十 分之一，只有BGA的三分之一到十分之一。 2.可容纳的引脚最多 相同尺寸的LSI芯片的各类封装中，CSP的引脚 最多。例如，引脚节距为0.5㎜，尺寸为40㎜×40㎜ 的QFP,引脚数最多为304根。若增加引脚数，只能 减小引脚节距。BGA的引脚数一般为600～1000根， 然而，对于CSP，即使引脚数大幅度增加，其安装 也较容易。
2.刚性基板CSP
刚性基板CSP：是利用基板的刚性将芯片四周分布 很窄节距焊盘再分布成PCB板上较宽节距的面阵列焊 盘。
封装形式主要包括：芯片阵列封装、低成 本焊凸点倒装芯片、陶瓷小型焊球阵列封装、 塑料片式载体(PCC)、变换焊盘阵列封装(TGA) 和陶瓷基板薄型封装等。 下面重点介绍：陶瓷基板薄型封装 (CSTP) 、 低成本焊凸点倒装芯片、陶瓷小型焊球阵列封 装、塑料片式载体 (PCC) 、变换焊盘阵列封装 (TGA)。
(2)窄节距焊球阵列(FPBGA)
FPBGA （ 窄 节 距 BGA ） 是 日 本 NEC 公 司 利 用 TAB技术开发出的柔性基板封装CSP。 FPBGA 组成：主要由 LSI 芯片、载带、粘接层和 金属凸点等构成；载带由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。 FPBGA的主要特点：结构简单，可靠性高，安装 方便，可充分利用传统的TAB焊接机进行焊接。
(2)芯片阵列封装
芯片阵列封装是一种使用刚性基板作为中间支撑层 的塑料包封 CSP ，是一种微型 PBGA 封装；封装材料 除了硅片外，还包括刚性基板、管芯粘接剂、键合引 线、包封料和底部焊球引出端；芯片阵列的中间支撑 层既可以是有机层压基板，也可是厚膜陶瓷基板。 芯片阵列BGA的制造与PBGA相似。首先，在准备 好硅芯片和刚性基板后，将管芯面朝上粘接在中间支 撑层上；然后，引线键合以建立芯片与基板之间的内 部互连；最后，就是包封。
(1)陶瓷基板薄型封装
CSTP(Ceramic Substrate Thin Package,陶瓷基板薄 型封装，又称刚性基板薄型封装 ) 是日本东芝公司开 发的一种超薄型CSP。 CSTP组成：主要由LSI芯片、（或AIN）基板，Au 凸点和树脂等构成；通过倒装焊、树脂填充和打印等 三步工艺制成。 CSTP 厚度：只有 0.5 ～ 0.6㎜（其中 LSI 芯片厚度为 0.3㎜，基板厚度为0.2㎜），仅为TSOP厚度的一半。 CSTP 的封装效率（即芯片与基板面积之比）高达 75 ％以上，同样尺寸TQFP的封装效率不足30％。
(4)陶瓷小型焊球阵列封装
CSP陶瓷Mini-BGA是一种使用刚性基板的芯片 尺寸封装。这种封装之所以被认为是 CSP ，原因是 它采用窄节距封装 I/O ，而不是因为它的封装 / 芯片 尺寸比。除了引出端节距和焊球材料，这种封装和 常规CBGA非常相似。 Mini-BGA主要应用于高速开关器件，除了一个 有源硅芯片，在每上封装的中间支撑层上还组装有 16个去耦电容器，能够将多达12个的Mini-BGA模块 和1个时钟模块组装在一个 Teflon转换卡，是设计用 来控制速度高达 200MHz 的多处理器卡之间的信号 转换的。
(3)低成本焊凸点倒装芯片
低成本焊凸点倒装芯片适用于存储器芯片和引出端 数不多的ASIC，也适用于低功耗和低引出端数的芯片。 它的特点如下： （a）PCB是一个单芯双面布线板； （ b ）从管芯下的基板上的周边焊盘引出的印制线在 基板上向中间进行再分布； （c）再分布印制线通过通孔和封装基板底层上的铜焊 盘相连； （d）封装体尺寸约等于管芯尺寸±1mm； （e）它和SMT兼容，并具有自对准特性； （f）采用下填料，倒装芯片上的焊凸点是可靠的。
4.焊区阵列CSP(LGA型CSP)
LGA(Land Grid Array ，焊区阵列 ) 型 CSP 是日 本松下电子工业公司开发的新型产品 。主要由LSI 芯片、陶瓷载体、填充用环氧树脂和导电粘接剂等 组成。 用金丝打球法在芯片的焊区上形成 Au凸点。 FCB 时，在PWB或其他基板的焊区上印制导电胶，然后 将该芯片的凸点适当加压后，再对导电胶固化，就 完成了芯片与基板的互连。导电粘接剂由 Pd-Ag 粉 与特殊环氧树脂组成，固化后保持一定弹性。因此， 即使有应力加于结合处，也不易受损。
1. 柔性基板CSP
柔性基板 CSP 是利用基板柔性将在芯片四周分布 很窄节距焊盘再分布成 PCB 板上较宽节距的面阵列 焊盘。 它的封装形式主要包括：增强型柔性CSP、柔性板 上 的 芯 片 尺 寸 封 装 (COF-CSP) 、 窄 节 距 焊 球 阵 列 (FPBGA) 、微焊球阵列 (μBGA) 和带柔性基板的存储 器芯片尺寸封装(MCSP) 。 下面主要介绍柔性板上的芯片尺寸封装(COF-CSP) 和窄节距焊球阵列(FPBGA) 两种形式。
6.5.2 概念
所 谓 CSP(Chip Size Package, 或 Chip Scale Package)，即芯片尺寸封装，这种封装是在TSOP和 BGA的基础上发展起来的，是一种超小型薄芯片封 装。 CSP 目前尚无确切定义，不同厂商有不同的说法； 目前，只有美国和日本有自己的定义。 美国定义： LSI芯片封装面积小于或等于 LSI芯片 面积的120％的产品称为CSP。 日本定义： LSI 芯片封装每边的百度文库度比其芯片大 1.0㎜以内的产品称为CSP。
6.5 CSP封装技术 6.5.1 概述
20世纪90年代初，日本开始研究开发出一种接近芯片尺 寸的超小型封装，这种封装被称为CSP(Chip Size Package, 或Chip Scale Package)，即芯片尺寸大小的封装。 1994年11月，日本半导体厂家在日本电子机械工业协会 (EIAJ)定期主办的“SMT研讨会”上，首次发表了有关CSP 的研究报告。基于这一成果，日本人把在美国风行一时的 BGA推向CSP，从而受到工业发达国家的普遍重视。 按照国际电子封装界的共识，1996年是BGA之年，1997 年是CSP开始走向实用化的一年，1999-2000年是CSP的成 长期，进入21世纪可以说是CSP的天下，它将成为高密度 电子封装技术的主流。
LGA型CSP的结构材料及尺寸统计表
项目 芯片厚度（mm） 批量生产规范 0.3～0.5 推荐规范
芯片焊区节距（μm）
芯片焊区尺寸（μm） 焊区材料
最小120
最小92×92 常规Al
大于芯片封装尺寸(mm)
封装焊区尺寸(mm) 引脚数（个）
每边1.0
0.4～0.7 45～525
0.4～0.7
0.6 ≥200
6.5.3 CSP封装的种类
CSP发展很快，日本美国许多厂家都积极开发，近 几年CSP有很多封装类型，尽管这些CSP在设计、材 料和应用上有所不同，但一般可将它们分为五类： 1. 柔性基板CSP 2. 刚性基板CSP 3. 引线框架式CSP 4. 焊区阵列CSP 5. 微小模塑型CSP 6. 圆片级再分布CSP
3.引线框架式CSP（LOC型CSP）
LOC(Lead Over Chip ，芯片上引线 ) 型 CSP 是日本 富士通公司开发的一种新型结构，分为Tape-LOC型和 MF-LOC型（Multi-frame-LOC，多引线框架式）两种 形式。
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 。 CSP-26 的电感只有 TSOP-26的1/3左右；在相同条件下热阻情况， TSOP-26为36℃/W，而CSP-26仅为27℃/W。
(3) CSP封装的电气性能和可靠性也比BGA、TSOP 有相当大的提高。 在相同的芯片面积下 CSP 所能达到的引脚数明显比 TSOP和BGA引脚数多; 例如，TSOP最多304根，BGA 以600根为限，CSP原则上可以制造1000根，这样它可 支持I/O端口的数目就增加了很多。 (4) CSP封装芯片的中心引脚形式能有效的缩短了信 号的传导距离，衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪 性能也能得到大幅提升，这也使得 CSP 的存取时间比 BGA改善15%-20%。 (5) CSP与外界的电气连接是通过焊球阵列焊接在基 板上的；由于焊点和基板的接触面积大，芯片在运行 中产生的热量很容易地传导到基板上并散发出去，并 且CSP封装可以从背面散热，且热效率良好。
7.2 BGA安装互连 7.2.1 BGA焊球分布 7.2.2 BGA焊球材料 7.3 BGA的焊接质量检测技术 7.3.1 BGA工艺检测 7.3.2 X射线工艺过程自动测试 7.3.3 X射线断层检测 7.4 BGA的发展趋势
7.5 CSP封装技术 7.5.1 概述 7.5.2 CSP封装的特点 7.5.3 CSP封装的种类 7.6 WLP晶圆尺寸封装(Wafer Level Package) 7.6.1 概述 7.6.2 WLP晶圆尺寸封装的特点 7.6.3 WLP技术目前存在的难题 7.7 系统级芯片(SoC, System on a Chip) 7.8 系统级封装(SiP, Sysem in a Package ) 7.9 芯片叠加技术(CoC,chip on chip)
(1)柔性板上的芯片尺寸封装(COF-CSP)
COF-CSP 是一种带有柔性中间支撑层的 BGA 芯 片尺寸封装，这种封装的开发基于GE公司的MCMF技术。 COF-CSP的特征：是在柔性基板上用激光钻孔， 芯片和中间支撑层的互连是通过由溅射或电镀形成 的金属化层完成，通常的极板互连是共晶BGA焊球， 焊球节距为0.5mm。 COF-CSP 应用：适用于从低到中等引出端数的 IC芯片，潜在的应用包括便携式电子装置中存储器 和ASIC的封装，也可用在机械减薄硅芯片，最薄的 封装厚度只有0.25mm。
采用CSP封装的计算机内存
CSP 作为新一代的芯片封装技术 ，是在 TSOP 、 BGA的基础上发展起来的，它的性能改进主要体现在 以下几个方面： (1) CSP封装的芯片面积与封装面积之比超过1:1.14， 已经相当接近 1 ： 1 的理想情况，约为 BGA 的 1/3 ，仅 仅相当于TSOP面积的1/6。在相同封装尺寸时可有更 多的 I/O 数，使组装密度进一步提高，可以说 CSP 是 缩小了的BGA。 (2) CSP封装芯片不但体积小，同时也更薄；其金属 基板到散热体的最有效散热路径仅有 0.2mm，大大提 高了芯片在长时间运行后的可靠性，线路阻抗显著减 小，芯片速度也随之得到大幅度的提高。