混合集成電路中的新型封裝工藝

1、 混合集成電路中的新型封裝工藝 論文 混合集成電路中的新型封裝工藝 摘要： 本文主要介紹了混合集成電路中新型封裝技術的：圓片級的CSP也稱作Super CSP，系統(tǒng)級封裝SiP (System-In-Package) 。概述了他們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)展以及未來的發(fā)展趨勢。 關鍵詞： 圓片級封裝，系統(tǒng)級封裝，發(fā)展趨勢 0引言： 集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的發(fā)展重點，而集成電路設計、制造和封裝測試技術是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)，其中圓片級的CSP也稱作Super CSP，系統(tǒng)級封裝sip 有很重要的地位，且有很大發(fā)展前景 。 CSP(Chip Scale Package)封裝，是芯片級封裝的意思。C

2、SP封裝最新一代的內(nèi)存芯片封裝技術，其技術性能又有了新的提升。CSP封CSP封裝裝可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14，已經(jīng)相當接近1:1的理想情況，絕對尺寸也僅有32平方毫米，約為普通的BGA的1/3，僅僅相當于TSOP內(nèi)存芯片面積的1/6。與BGA封裝相比，同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高三倍。 CSP封裝焊接示意圖 SIP封裝是指在單一的封裝內(nèi)實現(xiàn)多種功能，或者說將數(shù)種功能合并入單一模塊中，譬如，這些功能可以是無線通信、邏輯處理和存儲記憶等之間的集成，這些集成在藍牙器件，手機，汽車電子，成像和顯示器，數(shù)碼相機和電源中得到廣泛應用。 1csp簡介及相關工藝流程概述1.1 cs

3、p的簡介這種封裝形式是由日本三菱公司在1994年提出來的。對于CSP，有 CSP封裝多種定義：日本電子工業(yè)協(xié)會把CSP定義為芯片面積與封裝體面積之比大于80的封裝；美國國防部元器件供應中心的J-STK-012標準把CSP定義為LSI封裝產(chǎn)品的面積小于或等于LSI芯片面積的120的封裝；松下電子工業(yè)公司將之定義為LSI封裝產(chǎn)品的邊長與封裝芯片的邊長的差小于Imm的產(chǎn)品等。這些定義雖然有些差別，但都指出了CSP產(chǎn)品的主要特點：封裝體尺寸小。 CSP封裝內(nèi)存不但體積小，同時也更薄，其金屬基板到散熱體的最有效散熱路徑僅有0.2毫米，大大提高了內(nèi)存芯片在長時間運行后的可靠性，線路阻抗顯著減小，芯片速度也

4、隨之得到大幅度提高。 CSP封裝內(nèi)存芯片的中心引腳形式有效地縮短了信號的傳導距離，其衰減隨之減少，芯片的抗干擾、抗噪性能也能得到大幅提升，這也使得CSP的存取時間比BGA改善15%-20%。在CSP的封裝方式中，內(nèi)存顆粒是通過一個個錫球焊接在PCB板上，由于焊點和PCB板的接觸面積較大，所以內(nèi)存芯片在運行中所產(chǎn)生的熱量可以很容易地傳導到PCB板上并散發(fā)出去。CSP封裝可以從背面散熱，且熱效率良好，CSP的熱阻為35/W，而TSOP熱阻40/W。 CSP技術是在電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代時提出來的，它的目的是在使用大芯片(芯片功能更多，性能更好，芯片更復雜)替代以前的小芯片時，其封裝體占用印刷板的面積保

5、持不變或更小。正是由于CSP產(chǎn)品的封裝體小、薄，因此它的手持式移動電子設備中迅速獲得了應用。在1996年8月，日本Sharp公司就開始了批量生產(chǎn)CSP產(chǎn)品；在1996年9月，日本索尼公司開始用日本TI和NEC公司提供的CSP產(chǎn)品組裝攝像機；在1997年，美國也開始生產(chǎn)CSP產(chǎn)品。世界上有幾十家公司可以提供CSP產(chǎn)品，各類CSP產(chǎn)品品種多達一百種以上1.2 csp的諸多優(yōu)點 (1)封裝加工效率高，它以圓片形式的批量生產(chǎn)工藝進行制造；(2)具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點，即輕、薄、短、小；(3)圓片級封裝生產(chǎn)設施費用低，可充分利用圓片的制造設備，無須投資另建封裝生產(chǎn)線；(4)圓片級封裝的芯片設計和封裝設計

6、可以統(tǒng)一考慮、同時進行，這將提高設計效率，減少設計費用；(5)圓片級封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個過程中，中間環(huán)節(jié)大大減少，周期縮短很多，這必將導致成本的降低；(6)圓片級封裝的成本與每個圓片上的芯片數(shù)量密切相關，圓片上的芯片數(shù)越多，圓片級封裝的成本也越低。圓片級封裝是尺寸最小的低成本封裝。圓片級封裝技術是真正意義上的批量生產(chǎn)芯片封裝技術。現(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)圓片級封裝器件都用在手機、PDA(個人數(shù)字助理)、便攜式計算裝置以及其它便攜式無線裝置之中。1.3 CSP產(chǎn)品已有100多種，封裝類型也多，主要有如下幾種： （1）、柔性基片CSP柔性基片CSP的IC載體基片是用柔性材料制成的，主要

7、是塑料薄膜。在薄膜上制作有多層金屬布線。采用TAB鍵合的CSP，使用周邊焊盤芯片。 2、硬質(zhì)基片CSP硬質(zhì)基片CSP的IC載體基片是用多層布線陶瓷或多層布線層壓樹脂板制成的。 3、引線框架CSP引線框架CSP，使用類似常規(guī)塑封電路的引線框架，只是它的尺寸要小些，厚度也薄，并且它的指狀焊盤伸人到了芯片內(nèi)部區(qū)域。引線框架CSP多采用引線鍵合(金絲球焊)來實現(xiàn)芯片焊盤與引線框架CSP焊盤的連接。它的加工過程與常規(guī)塑封電路加工過程完全一樣，它是最容易形成規(guī)模生產(chǎn)的。 4、圓片級CSP圓片級CSP，是先在圓片上進行封裝，并以圓片的形式進行測試，老化篩選，其后再將圓片分割成單一的CSP電路。1.4 CSP

8、封裝產(chǎn)品工藝流程 CSP產(chǎn)品的品種很多，封裝類型也很多，因而具體的封裝工藝也很多。不同類型的CSP產(chǎn)品有不同的封裝工藝，一些典型的CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程如下： 1 、柔性基片CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程柔性基片CSP產(chǎn)品，它的芯片焊盤與基片焊盤問的連接方式可以是倒裝片鍵合、TAB鍵合、引線鍵合。采用的連接方式不同，封裝工藝也不同。 (1)采用倒裝片鍵合的柔性基片CSP的封裝工藝流程 圓片二次布線(焊盤再分布) (減薄)形成凸點劃片倒裝片鍵合模塑包封(在基片上安裝焊球) 測試、篩選激光打標 (2)采用TAB鍵合的柔性基片CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程 圓片(在圓片上制作凸點)減薄、劃片TAB內(nèi)焊點鍵合(

9、把引線鍵合在柔性基片上) TAB鍵合線切割成型TAB外焊點鍵合模塑包封(在基片上安裝焊球) 測試篩選激光打標 (3)采用引線鍵合的柔性基片CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程 圓片減薄、劃片芯片鍵合引線鍵合模塑包封(在基片上安裝焊球) 測試、篩選激光打標 2、硬質(zhì)基片CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程硬質(zhì)基片CSP產(chǎn)品封裝工藝與柔性基片的封裝工藝一樣，芯片焊盤與基片焊盤之間的連接也可以是倒裝片鍵合、TAB鍵合、引線鍵合。它的工藝流程與柔性基片CSP的完全相同，只是由于采用的基片材料不同，因此，在具體操作時會有較大的差別。 3 、引線框架CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程引線框架CSP產(chǎn)品的封裝工藝與傳統(tǒng)的塑封工藝完全相同，只

10、是使用的引線框架要小一些，也要薄一些。因此，對操作就有一些特別的要求，以免造成框架變形。引線框架CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程如下： 圓片減薄、劃片芯片鍵合引線鍵合模塑包封電鍍切篩、引線成型測試篩選激光打標 4、 圓片級CSP產(chǎn)品的封裝工藝流程(1)在圓片上制作接觸器的圓片級CSP的封裝工藝流程； 圓片二次布線減薄在圓片上制作接觸器接觸器電鍍測試、篩選劃片激光打標 (2)在圓片上制作焊球的圓片級CSP的封裝工藝流程 圓片二次布線減薄在圓片上制作焊球模塑包封或表面涂敷測試、篩選劃片激光打標1.5 CSP產(chǎn)品的標準化問題CSP是近幾年才出現(xiàn)的一種集成電路的封裝形式，目前已有上百種CSP產(chǎn)品，并且還在不斷

11、出現(xiàn)一些新的品種。盡管如此，CSP技術還是處于發(fā)展的初期階段，因此還沒有形成統(tǒng)一的標準。不同的廠家生產(chǎn)不同的CSP產(chǎn)品。一些公司在推出自己的產(chǎn)品時，也推出了自己的產(chǎn)品標準。這些標準包括：產(chǎn)品的尺寸(長、寬、厚度)、焊球間距、焊球數(shù)等。Sharp公司的CSP產(chǎn)品的標準有如表1、表2。 在我國，要開發(fā)CSP產(chǎn)品，也需要建立一個統(tǒng)一的標準，以便幫助我們自己的CSP產(chǎn)品的開發(fā)和應用。2 系統(tǒng)封裝sip 的相關介紹 2.1 sip的概況 · 1、SIP封裝是基于SOC的一種新封裝技術，將一個或多個裸芯片及可能的無源元件構成的高性能模塊裝載在一個封裝外殼內(nèi)， 包括將這些芯片層疊在一起，且具備一個

12、系統(tǒng)的功能。2、SIP封裝將多個IC和無源元件封裝在高性能基板上，可方便地兼容不同制造技術的芯片，從而使封裝由單芯片級進人系統(tǒng)集成級。3、SIP封裝是在基板上挖凹槽，芯片鑲嵌其中，可降低封裝體厚度，電阻、電容、電感等生成于基板上方，最后用高分子材料包封。常用的基板材料為FR-4、LCP（Liquid Crystal Polymer）。低溫共燒多層陶瓷LTCC、Qsprey Metal Al/SiC顆粒增強金屬基復合材料等。4、SIP封裝在一個封裝中密封多個芯片，通常采用物理的方法將兩個或多個芯片重疊起來，或在同一封裝襯底上將疊層一個挨一個連接起來，使之具有新的功能。5、SIP封裝可實現(xiàn)系統(tǒng)集成

13、，將多個IC以及所需的分立器件和無源元件集成在一個封裝內(nèi)，包括多個堆疊在一起的芯片，或?qū)⒍鄠€芯片堆疊整合在同一襯底上，形成的標準化產(chǎn)品，可以像普通的器件一樣在電路板上進行組裝。6、SIP封裝為一個封裝內(nèi)集成了各種完成系統(tǒng)功能的電路芯片，是縮小芯片線寬之外的另一種提高集成度的方法，而與之相比可大大降低成本和節(jié)省時間。7、SIP封裝實際上是多；S片封裝MCP或芯片尺寸封裝CSP的演進，可稱其為層疊式MCP，堆疊式CSP，特別是CSP因生產(chǎn)成本低，將成為最優(yōu)的集成無源元件技術，0201型片式元件也可貼放在較大CSP下方，但SIP封裝強凋的是該封裝內(nèi)包含了某種系統(tǒng)的功能。8、SIP封裝也就是多芯片堆疊

14、的3D封裝內(nèi)系統(tǒng)（System-in-3D package）集成，在垂直芯片表面的方向上堆疊，互連兩塊以上裸芯片的封裝，其空間占用小，電性能穩(wěn)定，向系統(tǒng)整合封裝發(fā)展。9、SIP封裝將混合集成的無源元件封裝于四面引線扁平封裝QFP或薄微型封裝TSOP的封裝中，可有效地減少印刷電路板的尺寸，提高組裝密度。10、SIP封裝可嵌裝不同工藝制作IC芯片，以及內(nèi)嵌無源元件，甚至光器件和微機械電子系統(tǒng)MEMS，提供緊湊而性能優(yōu)異的功能產(chǎn)品給用戶。11、SIP封裝通過各功能芯片的裸管芯及分立元器件在同一襯底的集成，實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，是一種可實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片集成的半導體技術。12、SIP封裝是指通過多芯片及無源元

15、件（或無源集成元件）形成的系統(tǒng)功能集中于一個單一封裝內(nèi)，構成一個類似的系統(tǒng)器件。13、當SOC的特征尺寸更小以后，將模擬、射頻和數(shù)字功能整合到一起的難度隨之增大，有一種可選擇的解決方案是將多個不同的裸芯片封裝成一體，從而產(chǎn)生了系統(tǒng)級封裝。以上表述多方面明確了SIP封裝的內(nèi)涵概念，基于系統(tǒng)化設計思想的SIP封裝方案是富有創(chuàng)意的，所涉及到芯片、系統(tǒng)、材料、封裝等諸多層面問題，涵蓋十分廣泛，是一個較寬泛的指稱，將會隨其技術的發(fā)展而擴充完善。2.2 SIP封裝的優(yōu)點· （1）封裝效率大大提高，SIP封裝技術在同一封裝體內(nèi)加多個芯片，大大減少了封裝體積。兩芯片加使面積比增加到170%，三芯片裝

16、可使面積比增至250%。（2）由於SIP封裝不同於SOC無需版圖級布局布線，從而減少了設計、驗證和調(diào)試的復雜性和縮短了系統(tǒng)實現(xiàn)的時間。即使需要局部改動設計，也比SOC要簡單容易得多。大幅度的縮短產(chǎn)品上市場的時間。（3）SIP封裝實現(xiàn)了以不同的工藝、材料制作的芯片封裝可形成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)嵌入集成無源元件的夢幻組合。（4）降低系統(tǒng)成本。比如一個專用的集成電路系統(tǒng)，采用SIP封裝技術可比SOC節(jié)省更多的系統(tǒng)設計和生產(chǎn)費用。（5）SIP封裝技術可以使多個封裝合二為一，可使總的焊點大為減少，也可以顯著減小封裝體積、重量，縮短元件的連接路線，從而使電性能得以提高。（6）SIP封裝采用一個封裝體實現(xiàn)了一個系

17、統(tǒng)目標產(chǎn)品的全部互連以及功能和性能參數(shù)，可同時利用引線鍵合與倒裝焊互連以及其他IC芯片直接內(nèi)連技術。（7）SIP封裝可提供低功耗和低噪音的系統(tǒng)級連接，在較高的頻率下工作可獲得幾乎與SOC相等的匯流排寬度。（8）SIP封裝具有良好的抗機械和化學腐蝕的能力以及高的可靠性。（9）與傳統(tǒng)的芯片封裝不同，SIP封裝不僅可以處理數(shù)字系統(tǒng)，還可以應用於光通信、傳感器以及微機電MEMS等領域。2.3 SiP三維封裝的構造晶圓級封裝是在上下層晶圓積層的同時，在其中埋入lOum左右的貫通孔以提供線路連接。由于工藝存在成品率不高的問題，尚未進入實用化階段。芯片級的三維封裝依然以引線連接為主流，一般先在晶圓狀態(tài)下形成

18、貫通孔(TSV)，然后再將芯片積層。生產(chǎn)中常將存儲器件等積層在封裝里，而最近也開始將傳感器(CMOS、CCD)等特殊功能器件積層到封裝中。芯片級越裝最終的問題依然是成品率和成本問題。如下圖，封裝件級的三維封裝以單個封裝件為單元積層而成，一種情況是先將芯片搭載在TCP或者樹脂薄膜上，經(jīng)過檢測的良品再積層到其他良品封裝件上，可以顯著提高整體成品率。另一種是把多個芯片和無源元件搭載在線路板上形成模塊后，將此模塊積層到其他模塊上，即PoP摸式，這種模式也已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。這種模式存在的問題主要在于無源元件的薄型化、線路板積層時的翹曲、模塊的薄型化和如何縮小尺寸等方面。 3 結論 Csp圓級封裝技術雖然種類多

19、，技術新，優(yōu)點繁多，但也存在諸多的相關問題，如果解決掉材料，價格，印刷板以及市場等一系列問題，那么csp將會有更大的發(fā)展前景，以及更加廣泛的應用。 封裝技術在最近十幾年發(fā)展迅速，特別是多芯片模塊技術發(fā)展備受關注，從最早的HIC進一步發(fā)展為MCM，到當前的SIP。這三者之間是一種技術傳承關系。其中MCM與SIP的出現(xiàn)是以厚、薄膜HIC技術為基礎。SIP是當前人們十分關注的研究領域，它可以說是IC產(chǎn)業(yè)鏈中知識、技術、和方法相互交融的結晶，相對其他技術能最大限度地靈活應用各種不同芯片資源和封裝互連優(yōu)勢。SIP具有提供高密度封裝、多功能化設計、較短的市場進入時間以及更低的開發(fā)成本等優(yōu)勢。相對于其它封裝技術SIP可以晟大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能，避免重復封裝，能夠結合各種各樣的封裝與測試技術，掌握這項技術是進入主流封裝領域之關鍵。但由于SIP技術包含學科與技術的復雜與多樣性，決定了其設計難度大，其不僅涉及材料、器件、電路、封裝與測試、互連技術、埋置技術、還要涉及機械設計，要降低研發(fā)周期及其成本，還要求專業(yè)的EDA公司及時提供更新的設計軟件