先进芯片封装技术

先进芯片封装技术

鲜飞

(烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉430074)

摘要:微电子技术的飞速发展也同时推动了新型芯片封装技术的研究和

开发。本文主要介绍了几种新型芯片封装技术的特点，并对未来的发展趋势及方向进行了初步分析。

关键词：芯片；封装；BGA；CSP；COB；Flip Chip；MCM

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A

1细间距领域当前的技术水平

为了满足高密度组装的需求，80年代中后期以来，IC封装就向着高度集成化、高性能化、多引线和细间距化方向发展，导致多引线窄间距QFP 的发展，0．5mm的间距通常被认为是"引脚式"IC的最高水平。引脚间距0．5mm、尺寸为31mm×31mm的QFP208已成为众所周知的元件封装形式。间距相同，尺寸为42mm×42mm的高引脚数的QFP304虽也有相当的知名度，但前景不容乐观。引脚共面性，加上温度下降到低于焊料凝固点时PCB的翘曲，都会造成断连故障率的上升。封装尺寸越大，对SMD贴片机的旋转精度的要求也越高。目前QFP的引脚间距已发展到了0．3mm，由于引脚间距不断缩小，I／O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另一方面，由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0．3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。为了解决QFP所面临的困难，各种新型封装纷纷出现。

2新型芯片封装技术介绍

2．1BGA技术

毫无疑问，在SMT的发展历史上，还没有任何新的封装形式能象BGA 这样引人注目的。它的研究始于60年代，而它的实用化是在1989年以后。自从Motorola和Citizen Watch公司开发了塑料封装后，才促进了BGA的发展和应用，并于1991年开发了塑料BGA(PBGA)，用于无线电收发报机、微机、ROM和SRAM中，1993年PBGA投放市场，开始进入实用阶段，1995年开始广泛采用。现在不仅在美国，而且在欧洲、日本和亚洲等地区和国家出现了许多PBGA的封装组装厂，批量生产PBGA，主要在便携通信产品、远程通信设备、计算机系统和工作站中广泛采用。

2．1．1 BGA的主要优点

①I／O引脚以锡球状按阵列形式分布在封装下面。引脚数与整体尺寸的比例得以优化，间距也比QFP的大，这样，尺寸为31mm×31mm的BGA，焊点间距为1．5mm时有400只引脚，焊点间距为lmm时有900只引脚。而同样31mm×31mm、间距为0．5mm的QFP208仅有208只引脚。

②不必处理金丝细间距引脚。任何弯曲(歪斜)的引脚都不再存在。这基本上解决了共面性的问题，不过，在某些情况下，由于塑料BGA发生下翘(因冷却后模块的收缩所致)，此问题尚未根除。

③BGA的坚固性可大大降低焊接故障率。根据制造商的不同，BGA的焊接故障率最多可以比QFP低10倍。

④很强的自调节效应。因焊料的表面张力获得很强的自调节效应。自调节效应及较大的球脚和PCB焊盘，降低了精度要求。

⑤因为减少了分布电感和电容，故获得更好的高频高速电气性能。2．1．2 BGA也存在缺点

①能用X光或超声原理进行检查。

②要获得满意的内侧加热，需要延长再流焊时间或升高再流焊温度。

③BGA的最大难题之一是热循环的稳定性。

④塑料BGA(PBGA)较容易发生吸湿效应，有关在打开"干包装"之后的允许存放时间以及湿度和温度要求，必须遵守相关的制造商专用条款，PBGA在正常大气条件下存放太久后，最好要烘干(低温干燥处理)。

⑤具有高球脚数的BGA或许对PCB有更高的要求，因而会增加PCB的成本。

⑥难于返工(修补)，尤其在拆卸后再使用以热风清理BGA比较困难。

在BGA的诸多优点中，最主要的是它采用了面阵列端子封装，使它与QFP相比，在相同端子情况下，增加了端子间距(1.00mm、1.27mm和1．5mm)，大大改善了组装性能，才使它得以发展和推广应用。但是，PBGA一直存在着一些问题，如塑料封装易吸湿；基板易翘曲；所有类型的BGA焊后检测和返修困难；从而使它在苛刻环境中使用存在可靠性问题。这些问题现在已经得到一定程度的解决，比如，CBGA(陶瓷BGA)解决了吸湿问题；TBGA(载带BGA)不但解决了吸湿问题，而且是成本更低的BGA封装，也是高I／O端子数和高性能芯片的封装。由于研究开发了多种类型的BGA，不断克服了技术上存在的问题，使它在1998年开始广泛采用，在低于200I／O端子的应用中，QFP处于支配地位，而在200I／O端子以上的封装中，将采用多种类型的BGA，到21世纪初，BGA的年度增长率将超过25％，这样，在21世纪，BGA将成为电路组件的主流基础结构。

2．2 CSP技术

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80年代末和90年代初以来，国外就开始开发一种接近芯片尺寸的超小型封装，叫芯片尺寸封装，也就是CSP。

CSP的含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。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％。CSP 与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样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。

2．2．1 CSP的典型结构如下

裸芯片与基板的连接方式：倒装片、线焊或载带自动焊。

常用的基板材料：陶瓷、环氧玻璃、聚酰亚胺。

锡球直径：0．2mm~0．5mm

球中心距：0．5mm~1．0mm

2．2．2 CSP的主要特点

①组装面积小，约为相同引脚数QFPl／4。

②高度小，可达1mm。