先進封裝技術述評.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632先進封裝技術述評摘要 本文主要論述了近幾年來電子組裝行業(yè)中應用的先進封裝技術，包括板上倒裝片、凸點互連技術、MCM、CSP、塑料球柵陣列（PBGA）、SMT中應用的光電子技術及先進封裝技術中實施的“綠色制造”無鉛焊料等技術狀況。并對這些技術進行了評論及前景展望。關鍵詞：先進封裝技術； 倒裝片； 多芯片模塊； CSP； 無鉛焊料Abstract: This paper mainly introduces advanced packaging technology applied in electronic assembly industry in recent years including flip chip on board (FCOB), bump interconnect technology (BIT), MCM, CSP, PBGA, OE technology (OET) used in SMT and the application green manufacturing lead free solder in advanced packaging technology. Also their commends and promising were made.Key words: advanced packaging technology, flip chip on board, multichip module, CSP, lead-free solder1前言世界經(jīng)濟正在發(fā)生劇烈的變化，國外工業(yè)發(fā)達國家的電子組裝生產(chǎn)廠家為擠身于世界先進行列竟相展開了激烈的競爭。CSP、BGA、倒裝芯片等先進的封裝技術就是這場競爭的產(chǎn)物。先進封裝是由多個元件和/或非傳統(tǒng)互連技術組合而成的任意組件。通常當要求尺寸和重量必須在最低極限時，需要高速數(shù)據(jù)傳輸或需采用成本合理的方法來解決特殊的問題，就可應用先進的封裝技術。如圖1所示，傳統(tǒng)的IC技術是由三個步驟組成的：芯片粘結、線焊到引線框架和用塑模殼封裝起來。當組裝QFP、LCC和SO時，仍可使用這種技術，而且這種技術在其它產(chǎn)品的應用中，將具有廣闊的應用前景。不過，1996年傳統(tǒng)的IC占有91.3%的IC市場份額（先進封裝技術僅占有8.7%的市場份額），據(jù)預測，到2006年，先進封裝技術可望達到27.13%，先進封裝技術快速增長的動力是電子工業(yè)要求IC封裝滿足用戶的互連性、便攜性和功能性的需求。 圖1 目前，傳統(tǒng)的封裝技術在市場上占有90%以上的份額，不過，可望到2006年先進封裝技術在市場上將占有30%的份額。隨著封裝技術的進步，層出不窮的新材料、新技術隨之問世，如象；為順應潮流的發(fā)展，無鉛焊料產(chǎn)品也被應用到封裝技術中，這種材料對今后的技術發(fā)展將起到很重要的作用及在保護環(huán)境方面立下功勞。光電子技術在最近兩年也已面市，使電子組裝技術又上了一個臺階，產(chǎn)生了新的飛躍。2 基于SMT的先進封裝技術先進的封裝和互連優(yōu)于傳統(tǒng)技術。先進的封裝和互連技術將半導體與表面組裝技術相結合，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，使用柔性電路或層壓基板替代引線框架，可用焊料凸點或導電膠連接芯片，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），可把半導體芯片和無源元件組合構成一個組件。目前，使用的先進封裝技術種類繁多，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，這種技術可使芯片自身能夠對準板上的焊盤，為此，使這種技術實現(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用。而事實上，倒裝片技術遠比市場上的傳統(tǒng)技術先進得多。 圖2 雖然陶瓷上的FCOB的問世，成本令人難于接受，但是，對于高速計算機組裝來說，其提供了可靠的封裝技術。然而，不久前，開發(fā)出了一種技術，這樣的話，就可應用FCOB來降低FR-C4環(huán)氧玻璃板的成本（圖3）。雖然FR-4成本低，但是，它帶來了新的挑戰(zhàn)：由于FR-4和芯片使用的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，所以，就會由于熱變形造成移位，使IC互連更為牢固。補救的方法是在芯片和板子之間用環(huán)氧樹脂進行底層填料，用力要均勻，保護互連點。 圖3 通過使用環(huán)氧樹脂底層填料。使得FCOB技術與傳統(tǒng)的FR-4基板實現(xiàn)了成功的組合，其起到了緩解熱膨脹差異的作用。底層填料工藝得到延續(xù)使用及普及。由于某些原因，使得倒裝芯片很可能被廣泛地用于MCM的互連中。雖然，在1996年只有1%的MCM采用了倒裝片互連，到2001年將增加到18%。隨著質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，使得這種技術能夠得到有效的應用。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 凸點互連技術凸點互連技術（BIT）要求使用與半導體工業(yè)在背面未端組裝中使用的設備和材料相同。應用這種先進的封裝，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C4工藝中使用的材料，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 在組裝半導體背面未端時，用Au給晶圓植球，并通過底層填料，使用導電膠實現(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上的細印跡的設計和制造即耗時，成本又高。此外，隨著各種半導體加工工藝的進步，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?，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IC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，不應將MCM看作一種可行的技術。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引線的高性能應用中。由于CSP是以現(xiàn)有的SMT技術作為基礎，預計CSP將向著大規(guī)模生產(chǎn)過渡，以滿足裸芯片MCM的需求。 圖5 柔性基板將IC的I/O重新分配到共晶焊料球的標準陣列上7 Z軸材料的互連先進封裝技術之一是Z軸材料互連，為一種倒裝片工藝。這種技術使用液體或薄膜類型的專用導電膠。Z軸材料是由包裹在導電材料的非導電物質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電通路，為此，也就不需要引線來連接芯片與基板了（見圖6所示）。 圖6 建立一通道的導電通路，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，該技術具有很大的潛力，但是，其畢竟是一種新技術，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電焊料珠的能力。8 更先進的封裝技術芯片上引線（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。這兩種技術是使用傳統(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，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，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矩陣實現(xiàn)了在單帶基板組裝幾個芯片，可使總成本大幅度下降。PBGA技術在芯片上的應用，延長了傳統(tǒng)的芯片連接和線焊背面未端組裝設施的使用壽命這是在老工廠的一種新的應用！當?shù)寡b片工藝遠遠滿足了可靠性的要求及線焊達到較經(jīng)濟的情況時，可獲得其他的性能和有可能節(jié)約成本。最終，當制造廠家很少依賴線焊技術時，倒裝芯片和PBGA技術將組合起來。9 組裝先進封裝使用的設備先進封裝使得整個電子工業(yè)處于一個過渡時期。當你參與工業(yè)競爭時，在過去的35年中，封裝的發(fā)展狀況類似于半導體的發(fā)展狀況。在過去的68年中，封裝獲得推廣應用，特別是隨著BGA和面陣列技術的問世。據(jù)預測新型封裝的數(shù)量將每5年翻一番。實際上，先進封裝重點是放在半導體和SMT組裝技術產(chǎn)品。半導體工業(yè)傳統(tǒng)上注重精度和速度。由于貼裝的元件只是一種類型，所以柔性并不是主要問題。另一方面，由于不同類型的元件貼裝在同一塊板子上，批尺寸趨于更小，為此，SMT必須將重點放在柔性和可編程性上。為了利用新封裝的優(yōu)點，制造廠家要求組裝廠家將速度、精度和柔性相結合。在種類繁多的先進封裝技術中，目前還不清楚哪種封裝技術將成為主導技術。不過，首要的一點要求是在貼裝半導體晶片時必須達到精確性，由于產(chǎn)量的提高，必須直接從晶圓上拾取切片。在將晶片連接到基板上時使用的附加工藝有：加熱、施加膠粘劑或涂覆焊劑。為了提高其競爭力，制造廠家必須做好準備面對和接受所有的先進封裝技術。在選擇組裝設備時，必須觀注設備和供應廠商的各方面特性和能力。組裝設備特別應滿足下面幾點要求：1）完全符合倒裝片貼裝的容差；2）為支持目前機器所加工的品種繁多的元件，應提供柔性和模塊；3）應具有能夠隨時可“插入”的硬件和軟件模塊式機械和電子控制系統(tǒng)結構，以便在新的技術問世時，能夠得到及時的應用。據(jù)預測，便攜式消費類產(chǎn)品，以 2006年系統(tǒng)的制造將占60%以上的市場份額，而且很有可能被用于某些類型的先進封裝技術中。然而，傳統(tǒng)的SMD在半導體封裝市場仍將占有60%以上的份額 單位。因此，組裝設備必須是不僅能夠用于各種不同的傳統(tǒng)元件的加工，而且還能夠滿足更多的先進封裝新的需求的應用。10 0201無源元件的發(fā)展趨勢在過去的幾年中，隨著人們使用的便攜式電話、尋呼機和個人輔助用品數(shù)量的急劇上升，使得消費類電子工業(yè)火爆發(fā)展。在更小、更快、成本更低需求的推動下，對小型化技術研究的必要性也成為無止境的需求。多數(shù)移動式電話制造廠家現(xiàn)在已將0201無源元件用于其所有的最新設計中，而且在不遠的將來，其它工業(yè)領域也將采用這種技術。汽車制造工業(yè)的無線通訊產(chǎn)品也在將0201技術應用于GPS系統(tǒng)、傳感器和通訊設備中。醫(yī)療行業(yè)也利用0201尺寸小的優(yōu)點，將其應用于醫(yī)療器械中，如象；助聽器和心臟起博器。許多公司將0201技術用于多芯片模塊（MCM）中，以降低總的封裝尺寸。使用這種MCM器件，通過直接用裸芯片進行封裝，用于2級板組裝上的封裝體模壓，使得0201技術距半導體工業(yè)更近了。還需要做更多的研究來認證焊盤設計、印刷、貼裝和再流工藝窗口，以便使0201無源元件在全面的推廣應用之前，能夠實現(xiàn)較高的一次合格率及高產(chǎn)量。11 SMT中應用的光電技術光電子技術，顧名思義是光子學和電子學的組合技術。光子在電路中可取代電子以形成元件之間的連接。其顯著特點是由于光子以光的速度運行，所以其速度要比電子快得多。光學系統(tǒng)的成本很高，所以只有一些尖端技術和主要用戶才用得起或必須使用。電信使用的激光占有二極管激光市場的65%，51億美元的市場份額。激光用于不同的應用領域，不過在每種應用中用途都是一致的：作為光源。 用于SMT中的光電器件是以高頻率的光波作為載波，因此，不僅具有功能強、體積小、重量輕、功耗小、工作穩(wěn)定可靠、便于大規(guī)模生產(chǎn)等IC的一般特點外，還具有響應速度快、頻帶寬和光并行性等光波器件的特點。預計在今后的五年中，這種技術將逐漸推廣應用，被組裝生產(chǎn)廠家所接受。在人們不斷地追求更薄、更小、更輕的產(chǎn)品的推動下，最近兩、三年，德國和其它幾個國家先后開發(fā)研制出了光電器件，并將這種元件用于表面組裝技術中。這種器件的主要優(yōu)點是其提高了數(shù)據(jù)傳送速度。光電電路板是一種可使光電表面組裝元件之間完全兼容的混合載體。這種載體的關鍵元件被稱為光電電路板（EOCB）。這種電路板（EOCB）是一種帶有波導結構的附加光層（見圖9所示）。將波導用于電路板。用標準的PCB制造技術可產(chǎn)生光層。圖9 裝有光電“導線”的載體， 類似于VCSELs和PINs的光電器件直接與波導耦合。 在光學元件領域，有無數(shù)的產(chǎn)品類型。一般，光學元件可以分為無源或有源元件。在這些分類之下，還可將各種元件類型進行細分：諸如多路轉換器、隔離器、循環(huán)器、波長鎖與發(fā)射器、放大器、路由器和開關等。加上那些參與競爭的元件制造商使用的各種結構與技術，元件仍將朝著多品種的方向發(fā)展。由于技術的快速發(fā)展，使得標準化工作滯后，跟不上發(fā)展，致目前為止，還沒有可供參照的標準文件。雖然電子工業(yè)的許多領域已進入蕭條，但是光電子學(optoelectronics)卻作為新的亮點閃現(xiàn)出來。光學電子是連接光子元件與電氣電路的元素。光子是有源元件和無源元件以及產(chǎn)生光學通路的互聯(lián)元件。光電封裝是光子、光學電子和電子元件的系統(tǒng)集成，它遵循許多物理限制，如(dB)插入損失、溫度、材料、可靠性、成型因素、可制造性和成本。封裝和裝配包括元件、模塊、板與子系統(tǒng)等級別。11.1 光電子技術存在的問題在OE中，一個關鍵問題是自動化。OE元件裝配工藝，特別是光纖對位與連接，速度慢，而且還是一種勞動密集型技術。精度和速度是自動化的兩個應考慮的因素。例如，多路轉換器和放大器要求12m的精度。在現(xiàn)有的機器上每小時200300個元件的速度可以用來仿真這些元件。激光器和光敏二極管要求5m的精度。為了自動放置這些元件，每小時50100個元件的速度是可以達到的。還有一些情況是透鏡、激光器和放大器需要小于1m的精度。這些元件只能以每天3040的速度放置。對于那些可以準確和迅速地貼放元件的設備供應商將是一個巨大的市場。在某些情況下，只是精確地放置是不足以滿足技術的需求的 通過相同的機器在放置之后立刻安裝。這意味著我們需要集成化的裝配系統(tǒng)，而不只是貼放的機器。12 綠色制造無鉛焊料由于含鉛焊料，尤其是錫-鉛（Sn/Pb）合金集成本低、優(yōu)良的焊接特性、抗疲勞性、充分的熔融溫度范圍及理想的物理、機械和冶金特性等優(yōu)點于一體，所以，被廣泛地用于電子制造業(yè)中。然而，由于鉛的毒性，使得鉛在電子制造中的應用受到控制及立法的約束，這也是人們越來越關心的問題。雖然，在電子組裝中將鉛用于焊料中至今并沒有完全禁止，但是隨著人們環(huán)保意識的提高和越來越重視工人的健康推動著電子組裝工業(yè)開發(fā)無鉛焊料替代物。目前已開發(fā)出的常用錫鉛合金替代物已面市，這些無鉛產(chǎn)品各有利弊，不能滿足所有的要求，只能滿足某