先進的電子封裝技術(shù)闡述

先進的電子封裝技術(shù)闡述傳統(tǒng)的封裝技術(shù)在市場上占有90%以上的份額，不過，可望到2006年先進封裝技術(shù)在市場上將占有30%的份額。隨著封裝技術(shù)的進步，層出不窮的新材料、新技術(shù)隨之問世，如象；為順應(yīng)潮流的發(fā)展，無鉛焊料產(chǎn)品也被應(yīng)用到封裝技術(shù)中，這種材料對今后的技術(shù)發(fā)展將起到很重要的作用及在保護環(huán)境方面立下功勞。光電子技術(shù)在最近兩年也已面市，使電子組裝技術(shù)又上了一個臺階，產(chǎn)生了新的飛躍。2基于SMT的先進封裝技術(shù)先進的封裝和互連優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。先進的封裝和互連技術(shù)將半導(dǎo)體與表面組裝技術(shù)相結(jié)合，不僅降低了產(chǎn)品成本、改善了性能、提高了密度，而且還使封裝的尺寸更小。與傳統(tǒng)的封裝比較，明顯地降低了新產(chǎn)品互連點的數(shù)量。例如；板子上裝有倒裝片的塑料BGA有幾個通過高熔點的焊料凸點直接連接于小型BT纖維玻璃基板的硅芯片。然后，把共晶焊料凸點用于基板和PCB組裝之間的互連點。其它幾個主要差別是：新型封裝相當小，使用柔性電路或?qū)訅夯逄娲€框架，可用焊料凸點或?qū)щ娔z連接芯片，而不是用線焊的方法（和通過針腳或凸點的面陣列使封裝和PCB之間形成互連，替代了四周引線的連接方法），可把半導(dǎo)體芯片和無源元件組合構(gòu)成一個組件。目前，使用的先進封裝技術(shù)種類繁多，本文介紹其中的幾種：3板上倒裝片和板上芯片板上倒裝片（FCOB）是20多年前IBM公司為了滿足用戶對高速計算機的需求而研制的。首次研制成功的倒裝片工藝是可控坍塌芯片連接（C4），其設(shè)計是采用機電一體化的方法將硅芯片與陶瓷基板相連接（見圖2所示）。從某些方面來看，由于液化焊料凸點表面張力的作用，這種技術(shù)可使芯片自身能夠?qū)拾迳系暮副P，為此，使這種技術(shù)實現(xiàn)了高產(chǎn)量。然而，由于通孔的方法在通用芯片的封裝中成本相對來說比較合理，而陶瓷基板價格昂貴，使得C4倒裝片不能夠得到廣泛的應(yīng)用。而事實上，倒裝片技術(shù)遠比市場上的傳統(tǒng)技術(shù)先進得多。隨著質(zhì)量的提高和成本的下降，F(xiàn)COB的產(chǎn)量也隨之增長。由于芯片是直接貼裝到板上的，所以，不需使用引線框架材料和線焊、模壓、邊緣修整和成型工藝，使得這種技術(shù)能夠得到有效的應(yīng)用。上述優(yōu)點還可使互連點的布局更加致密，提高了密度。與傳統(tǒng)的互連方法比較，F(xiàn)COB的芯片和板之間的導(dǎo)電通路更短，這樣就減少了電子干擾和降低了噪音，同時提高了性能。板上芯片（COB）類似于FCOB，其芯片的互連面朝上，在傳統(tǒng)的工藝中，都是采用線焊的方法將其與板上焊盤互連。由于沒有了引線框架，不僅使COB降低了成本，而且還提高了性能，不過，必須用環(huán)氧樹脂〃頂部植球”的方法來保護芯片和線焊。4凸點互連技術(shù)凸點互連技術(shù)（BIT）要求使用與半導(dǎo)體工業(yè)在背面未端組裝中使用的設(shè)備和材料相同。應(yīng)用這種先進的封裝，將Au凸點植于晶圓上，用銀環(huán)氧填料形成與基板的互連（見圖4）。為了解決底層填料的慢速流淌的問題而開發(fā)研究了BIT工藝，并要求在貼裝倒裝片之前，將環(huán)氧材料施加到基板上。金凸點不同于C4T藝中使用的材料，其不會坍塌或回流。Au凸點會起到整平的作用，而且使用少量的導(dǎo)電膠就可實施涂覆操作，并脫離底層填料，在芯片和板之間形成電子連接。圖4在組裝半導(dǎo)體背面未端時，用Au給晶圓植球，并通過底層填料，使用導(dǎo)電膠實現(xiàn)與基板上焊盤的互連，這樣，就可解決夾在中間層的化合物慢速流淌的問題。BIT的缺點是：由于金凸點不能液化，就沒有可使芯片與基板對準的表面張力，金凸點在其被施加的位置上固化。由于這個原因，BIT對貼裝的可重復(fù)性要求很高。5多芯片模塊（MCM）幾年前，在推薦使用MCM時，要求使用容納了兩個或更多硅芯片的小型層壓基板、陶瓷基板或硅基板。據(jù)說它對提高IC密度是一種有效的方法。然而，MCM自身還存在著一些問題。業(yè)已證實，PCB上的細印跡的設(shè)計和制造即耗時，成本又高。此外，隨著各種半導(dǎo)體加工工藝的進步，芯片尺寸的縮小，由于基板對細印跡的更高要求，為此需要重新進行設(shè)計。最后，是否能夠提供經(jīng)濟、可靠的“已知合格芯片”（KGD）也是一個重要問題。對于傳統(tǒng)的應(yīng)用來說，在將芯片組裝到電路中之前，對封裝的芯片進行老化和電子測試是切實可行的。如果IC有問題的話，可將封裝與有缺陷的芯片一同丟棄掉，也值不了多少錢。而使用MCM，一個芯片有缺陷將導(dǎo)致整個模塊報廢。由于在晶片級封裝中芯片不能得到適當?shù)睦匣?，所以，必須對其進行測試，以便確定其是否為KGD，工藝成本高否及效果是否不佳。（KGD的焊盤并不象傳統(tǒng)封裝的^那樣已有了標準）。因此，通常只能從一個渠道獲得KGD，這種渠道將要花費很多的時間和付出很大一筆資金。MCM主要是用于對尺寸和性能有較高要求的高成本軍事和航空產(chǎn)品中。為此，不應(yīng)將MCM看作一種可行的技術(shù)。此外，即使焊盤生產(chǎn)向著標準化的方向發(fā)展，生產(chǎn)廠家仍在開發(fā)更新的、更有效的KGD生產(chǎn)的測試方法。6芯片尺寸封裝（CSP）芯片尺寸封裝（CSP）目前被定義為封裝尺寸與芯片尺寸相當?shù)囊环N先進IC封裝形式，封裝體與芯片尺寸相比不大于120%。其尺寸大約為傳統(tǒng)的多引腳QFP的1/3，CSP在成本、密度、組裝量和性能上都占優(yōu)勢。CSP還可以解決與FCOB、COB和MCM裸芯片組裝工藝相關(guān)的IC測試問題，也就是說，在使用標準的IC時，所有的CSP實際上都能夠貼放到管座中，并滯留。某些CSP的布局看上去及操作上很象倒裝片，不過，不需要底層填料。CSP的片式引線和熱塑膠粘劑是柔性的，這樣的話，基板就會由于不均衡的CTE應(yīng)力和材料而膨脹，因此，就不需要底層填料了。微型BGA就是一個例子。它是用彈性膠粘劑將芯片以機械方法與柔性電路連接和以熱感應(yīng)的方法與柔性電路上的“S”形帶形成連接。柔性電路可將IC焊盤上的I/O重新分配到共晶焊料球的標準陣列上。焊料球被支撐在彈性材料隔離片上，可隨意移動，而不會使焊點上或芯片面上產(chǎn)生應(yīng)力（見圖5所示）。CSP允許使用這種標準化的管腳出線，這樣，對于降低了芯片尺寸和可使不同廠家生產(chǎn)的芯片能夠在使用中保持穩(wěn)定性。CSP主要用于存儲器元件，但是，最終將被用于芯片的I/O大于2000引線的高性能應(yīng)用中。由于CSP是以現(xiàn)有的SMT技術(shù)作為基礎(chǔ)，預(yù)計CSP將向著大規(guī)模生產(chǎn)過渡，以滿足裸芯片MCM的需求。先進封裝技術(shù)之一是Z軸材料互連，為一種倒裝片工藝。這種技術(shù)使用液體或薄膜類型的專用導(dǎo)電膠。Z軸材料是由包裹在導(dǎo)電材料的非導(dǎo)電物質(zhì)中的懸浮焊料珠組成的。當對植有焊料球的芯片施加壓力時，Z軸材料壓縮，焊料珠分裂，使其凝固，并在焊料球與基板間形成導(dǎo)電通路，為此，也就不需要引線來連接芯片與基板了建立一通道的導(dǎo)電通路，為此就不需分離連接于基板焊盤的芯片的鍵合或引線。雖然，該技術(shù)具有很大的潛力，但是，其畢竟是一種新技術(shù)，存在著許多需要克服的不足之處：Z軸互連不能與C4倒裝片和共晶焊料BGA共享自對準特性。此外，粘合力必須具有足以分裂非導(dǎo)電焊料珠的能力。8更先進的封裝技術(shù)芯片上引線（LOC）和引線上芯片（COL）是目前SMT生產(chǎn)中涌現(xiàn)出的先進封裝技術(shù)。這兩種技術(shù)是使用傳統(tǒng)的線焊方法使芯片與小型引線框架形成電子連接。因此，使用LOC技術(shù)，有引線框架的引線可連接到芯片的面上，而不是連接于底部（沿著芯片的中心軸進行線焊，而不是在四邊進行線焊，這樣就可使引線更短）。而使用COL技術(shù)，通過較短的線焊可將引線框架上的引線連接到芯片的底部，這種技術(shù)可獲得極好的電子性能。LOC和COL的尺寸基本上與芯片相等。塑料球柵陣列（PBGA）使封裝實現(xiàn)了極小化，其使針腳分布于底部。多數(shù)PBGA使用不同的COB技術(shù)將單芯片連接到有引線框架類型帶的BT層壓板。芯片和線焊用環(huán)氧樹脂包封，為了與板子形成互連，添加外部焊料球陣列。提高了間距和共晶焊料球明顯地簡化了PBGA與板子組裝的工藝。PBGA