先进封装技术评述

先进封装技术评述
发表于 2007-11-1 15:42:47
先进的封装和互连技术正在超越传统技术。它们把半导体和表面安装技术融为一体以降低产品价格、改进性能、提高密度、减小组件尺寸。目前使用的先进封装技术有多种多样,下面简要介绍其中的几种。

一、板上倒装芯片和板上芯片

板上倒装芯片(Flip chip on board简称FCOB)是20多年前IBM为满足高速计算机的需要而发明的。第一个成功的倒装芯片工艺称为C4(Controlled collapsible chip connection),旨在实现硅片与陶瓷基底的机械和电气连接。这种工艺的成品率很高,部分原因是由于熔化的焊接突点的表面张力允许小片自对准基底上的焊盘。但C4倒装芯片没有得到广泛使用,因为通孔法仍是一种价格较贵的封装普通小片的方法,而且陶瓷基底也太贵。

不久,人们对这种技术作了改进,以使FCOB能够用于低成本的FR-4环氧玻璃基底。虽然改进后的FCOB使组件价格便宜了,但仍面临着一些新的挑战,即FR-4和芯片不能共用同一热胀系数,受热造成的位移使集成电路的互连发生弯曲,从而使之受到削弱。克服这一缺点的办法是在电路小片和基底之间加入底部填料,使力分散从而达到保护互连的目的。底部填料工艺继续得到优化并正在流行。由于这一原因,倒装芯片似乎作为MCM(多芯片模块)内的互连得到越来越多的使用。1996年在所有MCM中使用倒装芯片互连的只占1%,但预
计到2001年可达18%。FCOB的数量会随着成品率的提高而提高,成本亦会随之下降。这种技术的效率会越来越高,因为芯片直接放在基底上,消除了引线框架材料和丝焊、装饰和成形等工艺,也允许互连放置更加紧密,从而提高密度。与传统的互连相比,FCOB在电路小片和基底之间具有更短的传导通路,从而减少了干扰和噪音,改善了性能。板上芯片(Chip on board简称COB)类似于FCOB。在COB上芯片的互连面朝上,要求采
用传统的丝焊方法把互连焊到基板的焊盘上。COB由于消除了引线框架,因而降低了成本,提高了性能;但其电路小片和丝焊必须用环氧树脂形成的圆顶加以保护。

二、突点互连技术

突点互连技术(Bump interconnect technology简称BIT)使用的设备和材料,与半导体工业后端组装使用的设备和材料相同。对于这种先进的封装,晶片做出金突点以便使用充银的环氧树脂实现与基底的互连。开发BIT的目的是为了解决流动缓慢的底部填料问题,它要求在置放倒装芯片前把环氧树脂施加到基板上。金突点不会像C4工艺中的突点那样坍塌或再流,而是将这些突点整平并涂以少量传导性粘接剂,以此取代底部填料,建立芯片和基板之间的电气连接。BIT的缺点是,由于金突点不熔化,因而也就没有表面张力将芯片
对准基底,并矫正放置在基底上的这些突点。为此,BIT要求极高的置放重复性。

三、多芯片模块

MCM是指在一块很小的层压、陶瓷或硅基底上放置两个或更多的硅片组件。这种封装技术主要用于提高集成电路密度问题,但MCM也存在自己的问题。第一,在PCB上设计和制造细线成本很高也很费时。第二,随着半导体工艺的发展,电路小片的缩小要求重新设计基底上的细线。第三,经济而可靠地提供"KGD"(Known good dice)也是一个问题。对于一般的使用,封装好的电路小片适宜在其被组装到电路中之前,进行老化和电气测试。如果集成电路出现故障,组件很便宜,完全可以连同有缺陷的芯片一起废弃。但对MCM,一个有缺陷的电路小片将会造成整个模块的报废。由于电路小片在圆片级不进行正常的老化,因此,必须对其进行测试以确定它是否是KGD,这种办法成本高且效率低。KGD的焊盘不像常规封装的集成电路引脚那样标准化,因此,通常只从一家购买KGD,这既抬高了价格又延误了时间。MCM主要用在要求减小尺寸和高性能、高成本的军事和航天产品中。因此,MCM不失为一种富有生命力的技术。

四、芯片规模组件

芯片规模组件(Chip scale package简称CSP)目前被定义为这样一种组件,它比其内含的芯片只大20%。CSP的大小约为常规高引线数量QFP的1/3,具有价格、密度、组装成品率和性能方面的优势。它还解决了与FCOB、COB和MCM裸片组装工艺相关的集成电路测试问题,也就是说,正如标准的集成电路一样,所有的CSP都能放在插座上进行老化。一些CSP配置成外型和工作都象倒装芯片,但不要求使用底部填料。CSP突点风格的引线和热塑粘接剂适应能力很强,以致不均匀的STE造成的基底膨胀不会对任何材料造成应力,因此也就
无需底部填料。例如MicroBGA是由弹性粘接剂粘接到软电路上,并经热声焊接到软电路的"S"形带上的。软电路又有助于集成电路焊盘上I/O形成标准的阵列状的易熔焊接突点。弹性垫片支撑着这些突点,突点活动自如,既不会在焊接点也不会在电路小片表面造成应力。CSP主要用在存储器部件上,但最终将用在芯片I/O超过2000多条引线的高性能应用场合。

五、Z向材料互连

正在开发中的一种有前途的先进封装技术叫Z向材料互连(Z-axis material interconnect),是一种倒装芯片工艺。这种技术使用特殊的传导粘接剂,这种粘接剂有液体形式的也有薄膜形式的。Z向材料由悬浮在非传导性材料(非传导性材料抱合着传导性材料)中的小珠粒——传导性材料构成。当向有突点的电路小片施加压力时,Z向材料受压,珠粒破裂,使之合成一体,形成从突点到基底的传导通路,这样就不必用引线把电路小片连接到基底上。虽说这种技术潜力很大,但由于该技术刚刚起步,还有许多问题需要解决。例如,Z向互连不能享用C4倒装芯片和易熔焊BGA的自对准特性;另外,压力也必须足够高以使传导性珠粒破裂。

六、更先进的封装技术

片上引线(Lead on chip简称LOC)和引线上芯片(Chip on lead简称COL)是目前生产的另外几种先进组件。这些技术使用传统的丝焊技术实现电路小片与更小的引线框架的电气连接。对于LOC来说,引线框架的引线连接到电路小片的正面而不是底面(丝焊沿电路小片的中心方向而不是在周边,以允许更短的引线);至于COL,引线框架的引线连接到电路小片的底面以使丝焊最短,有助于实现极好的电气性能。LOC和COL组件尺寸几乎和电路小片尺寸一样。塑封球栅阵列(Plastic ball grid array简称PBGA)组件非常小,引脚分布
在组件底面。大多数PBGA使用改进的COB技术,把单个电路小片连接到引线框架风格条中的BT层压基板上。电路小片和丝焊用环氧树脂密封起来,并加上外部的焊接突点阵列以实现与PCB的互连。增大的间距和易熔焊接突点易于把PBGA组装到PCB上。PBGA阵列允许若干个小片组装到单个条形基底上,大大减少了总成本。PBGA技术延长了传统的电路小片连接和丝焊后端组装设备的实用寿命。当倒装芯片工艺超过丝焊工艺的可靠性且又很经济时,就会造成其性能的提高和成本降低。随着制造厂家越来越少地依靠丝焊技术,倒装芯
片和PBGA技术将会结合在一起。

七、组装先进组件使用的设备

先进的封装技术融合了半导体和SMT组装工艺。从传统上说,半导体工业集中在精度和速度上,而SMT则集中在灵活性和可编程性上。为了利用这些组件的优势,制造厂家需要组装厂家把速度、精度和灵活性结合在一起。至于众多类型的先进组件,哪些技术将会走在前面目前尚不清楚。但不管怎样都有一个要求,那就是半导体小片必须能精确置放,而且随着数量的增长,电路小片必须能直接从圆片上获得,能使用附加工艺,例如加热、使用粘接剂或熔融等方法把电路小片连接到基底上。为了在最激烈的竞争中立于不败之地,制造厂家必须准备迎接所有先进的封装工艺。在选择组装厂家时,应注意这些厂家必须具备长期的设备供应能力。特别是,一个组装厂家应能高度适应倒装芯片置放公差;应能灵活地、模块化地在机器上支持各种组件形式;应具有模块化的机械和电子控制系统结构,这种结构允许插入新的硬件和软件来对付新工艺。预计到2006年,便携式消费产品将占制造系统的60%,它们很可能包括一些先进的封装工艺。但传统的SMD(表面安装器件)仍将占半导体封装器件数量的60%以上。因此,组装设备必须既能多方面地适应范围宽广的传统器件,也能适应先进组件提出的要求。虽然这些先进组件仍处在初期阶段,但通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量,它们似乎满足了用户提出的"更小、更便宜、更快"的产品要求,由此提高了系统的可靠性。制造厂家切不可失去这些新的机会。