微电子封装技术的发展与展望
微电子封装技术的发展与展望
The development and the prospect for microelectronics packaging technology
周智强
湖南工学院 电气与信息工程学院
电子0902班 学号:[1**********]
摘要
微电子技术的发展, 推动着微电子封装技术的不断发展、封装形式的不断出新。介绍了微电子封装的基本功能与层次, 微电子封装技术发展的三个阶段, 并综述了微电子封装技术的历史、现状、发展及展望。
关键词: 微电子; 集成电路; 封装技术
Abstract
The development of microelectronics technology promotes the development of microelectronics packaging technology continuously, and new packaging forms appear time and again. In this paper, the basic functions and series of microelectronics packaging, the three stages of microelectronics packaging technology are introduced. And the history, the current state and the future trend of the microelectronics packaging technology are summarized.
Keyword: microelectronics; integrated circuit; packaging technology
引 言
随着微电子技术的发展, 集成电路复杂度的增加, 一个电子系统的大部分功能都可集成于一个单芯片的封装内, 这就要求微电子封装具有很高的性能: 更多的引线、更密的内连线更小的尺寸、更大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。于封装的热、电、可靠性等性能直接影响着集成电路的性能, 一个电路的封装成本几乎已和芯片的成本相当。不同用途的集成电路对封装有不同的要求, 所以从80 年代初起, 微电子封装技术也已逐渐成了影响微电子技术发展的重要因素之一, 微电子封装技术也已逐渐发展成为一门几种学科交叉的热门科技。微电子技术的发展, 极大的推动着微电子封装技术的不断发展、封装形式的不断出新。
1. 微电子封装的基本功能与层次
微电子封装包括组装( Assembly) 和封装( Packag ing) 两个方面[ 1] , 它是将数十万乃至数百万个半导体元器件组装成一个紧凑的封装体, 由外界提供电源并与外界进行信息交流。
封装的基本功能包括电源供给、信号交流、散热、芯片保护和机械支撑。 微电子封装一般可分为四个层次, 即:
( 1) 0 级封装) ) ) 芯片层次上的互连;
( 2) 一级封装) ) ) 芯片( 单芯片或多芯片) 上的I/ O 与基板互连; ( 3) 二级封装) ) ) 集成块( 封装体) 连入PCB 或板卡( Card) 上; ( 4) 三级封装) ) ) 电路板或卡板连入整机母板上。
微电子封装逐步从传统的面向器件转为面向系统, 最终面向用户。封装的功能也将在此基础上被极大的扩展开来。
2.微电子封装技术发展的三个阶段
微电子封装技术的发展可分为三个阶段, 在80年代和90年代分别出现了两次飞跃, 如图所示。
2. 1 第一阶段
20 世纪80 年代以前, 封装的主体技术是针脚插装( PTH) , 其特点是插孔安装到PCB上, 它的主要形式有SIP、DIP、PGA。它们的不足之处是密度、频率难以提高, 难以满足高效自动化生产的要求。
2. 2 第二阶段
80 年代中期, 表面贴装技术( SMT) 成为最热门的组装技术, 它改变了传统的PTH 插装形式, 通过细微的引线将集成电路贴装到PCB 板上, 大大提高了集成电路的电气特性, 生产的自动化也得到很大的提高。
表面贴装封装的主要特点是引线代替针脚, 引线为翼形或丁形, 两边或四边引出, 节距为1. 27 到0. 4 mm, 适合于3 ) 300 条引线。主要形式为SOP( 小外型封装) 、PLCC( 塑料有引线片式载体) 、PQFP( 塑料四边引线扁平封装)、J 型引线QFJ 和SOJ、LCCC( 无引线陶瓷芯片载体) 等。它们的主要优点有: 引线细、短, 间距小, 封装密度提高; 电气性能提高; 体积小, 重量轻; 易于自动化生产。它所存在的问题是: 在封装密度、I / O 数以及电路频率方面还是难以满足ASIC、微处理器发展的需要。
2. 3 第三阶段
90年代出现了第二次飞跃, 进入了/ 爆炸式0的发展时期, 就器件封装而言, 随着封装尺寸的进一步小型化、微型化, 出现了许多新的封装技术和封装形式。这些新技术都采用面阵引脚, 封装密度大为提高。其中最具代表性的有球栅阵列( BGA) , 倒扣芯片( FC) 和多芯片模块( MCMs) 等技术。FC 技术已经成为当今封装领域人们寄托最大期望的热点, 在此基础上, 密度很高的芯片规模封装CSP( chip scale package) 和芯片尺寸封装CSP( chip size package)已成为可能。直接芯片贴装( DCA) 也得到发展, 使得传统的三级封装在二十一世纪最终进入一级封装。
3.当前封装技术的发展及其特点
3. 1 载带封装(TCP)
TCP 可提供超窄的引线间距和很薄的封装外形, 以及在PCB 板上占据很小的面积, 可以用于高I/ O 数的ASIC 和微处理器。载带的价格较贵, 但它的引线间距可到0.15mm。
3. 2 球栅阵列(BGA)
BGA 的引出端在封装底面, 外引线为焊料球, 焊球节距为1. 5 — 1. 0mm, 适合于100 —1000 以上的引线。由于BGA 完全采用了与QFP( 四边引线扁平封装) 相同的SMT 回流焊接, 避免了QFP 中的超窄间距, 可以提供较大的焊盘区, 因此焊接工艺容易得多, 强度大大提高, 可靠性明显改善。与QFP 相比, BGA 在高I/ O 数的封装方面有很大的优势。除此之外, BGA 还有以下优点: 不需引线框架, 体薄、尺寸小; 与通常引线相比, 无引线损伤问题; 电气性能和热性能好; 安装和焊接方便, 短路搭桥事故少, 焊接可靠性高和封装合格率高; 有自对准效应, 贴片精度要求低, 生产效率高。
BGA 存在的问题是: BGA 器件和电路板间材料热膨胀系数较难匹配; 焊点目测较困难,需用X 射线探测; 用于小体积集成电路时, 成本竞争还不够高。
3. 3 倒扣芯片技术( FCT )
倒扣芯片技术是目前半导体封装领域的又一热门技术, 以往的一级封装技术都是将芯片的有原区面朝上, 背对基板粘贴后键合( 引线键合和载带自动键合TAB) , 而FCT 则是将芯片有源区面对基板进行键合。
FCT 的基本特点是在芯片和基板上分别制备焊盘, 然后面对面键合, 键合
材料可以是金属引线或载带, 也可以是合金焊料或有机导电聚合物制成的凸缘。它可以利用芯片上所有面积来获得I/ O 端。FCT 的优点是: 能够提供最高的封装密度; 最高的I/ O 数; 最小的封装外形; 可散热的聚合物凸缘能改善热性能; FCT 的引线可以做得最短, 电抗最小, 因此可以获得相对来说最高的工作频率和最小的噪声。
研究低成本的FCT 是近年来FCT 中的一个发展方向, 如用有机导电聚合物代替合金焊料, 研究各向异性导电胶及其互连技术, 研究下部填充树脂等, 这些都有利于进一步降低成本, 减小引线间距, 防止引线间电信号的互相干扰, 增强封装可靠性。
3. 4 芯片规模封装( CSP)
这是一种单芯片封装形式, 其定义为封装比( 封装面积/ 芯片面积) 小于1. 2, 是一种封装面积只比芯片面积稍大一点( 不超过20%) 的封装。其外引线为小凸焊点或焊盘, 即可四周引线, 也可在底面上阵列式布线。芯片规模封装技术现分为四类[ 2] : 柔性电路垫片类、刚性基片类、引线框架类、晶圆片级封装类。所用的工艺包括内引线键合, 以及FCT 等各种技术。未来的芯片规模封装将更多的利用刚性和柔性的基片, 以及晶圆片级封装。大多数CSP 是用在要求尺寸小和互连密度高的产品上, 如DSP、ASIC、微控制器、各种类型的存储器等。
3. 5 直接芯片贴装技术(DCA)
DCA 是将芯片倒扣直接贴焊在电路板上, 这种技术省略了将芯片制成封装体的一系列的过程, 直接进入第二级封装。它可以比常规SMT 提供更高的封装密度和更好的空间占有率, 使得电子产品做得更薄、更小、更轻, 生产周期缩短, 成本降低, 效率提高。DCA 可通过引线键合、TAB 和合金焊料键合等形式实现。但DCA 需要高密度的PCB 来支撑, 所以推广DCA 还有一定难度。
3. 6 多芯片模块( MCMs)
相对于单芯片封装而言, MCMs 是直接把多个裸芯片安装在多层高密度互连衬底上,层与层之间的金属线条由通孔连接, 然后一起密封起来, 封装外壳与电路板的连接与其他外壳相同。MCMs 封装比起单芯片封装来允许芯片与芯片之间靠得更近, 因此互连线变短;影响信号传输速度的传输延迟大大降低, 同时也解决了串扰噪声、电感、电容耦合以及电磁辐射等问题。多芯片模块封装与等效的单芯片封装相比, 体积减少了4/ 5 至9/ 10, 芯片到芯片的延迟减小了3/ 4。此封装的缺点是成本较高, 多年来, 工业界一直在期待着多芯片封装能降低成本, 从军用和航天领域进入民用。
3. 7 三维封装技术
集成电路厂商为寻求继续提高封装密度的途径, 开发了三维( 立体) 封装技术, 来取代二维封装技术。东芝公司利用这种技术, 可在相当于单片CSP 厚度( 10 毫米) 单片结构内叠压8 层薄纸型封装电路, 因而极大提高了封装密度。同样, 这种技术还可在一片存储器结构内叠压4 层智能媒体, 从而使存储器的容量比普通产品扩大四倍。这种封装的特点是制作超薄型的集成电路芯片。普通芯片的厚度极限为200 微米左右, 而东芝的这种超薄型芯片厚度只有50 微米, 为达到这一厚度, 东芝公司开发了预先切割技术, 将磨光和切割工序颠倒。普通工艺是首先对硅片进行磨光加工, 随后再进行切割加工。然而普通集成电路芯片厚度无法低于200 微米的原因之一, 是因为传统加工工序在磨薄的硅片中会产生许多裂纹, 而这会在背表面芯片的边缘部位产生许多裂痕。东芝公司采用的技术是在衬底的正面叠压一层保护带, 然后利用半切割技术在这一表面上形成许多有规则的沟纹, 然后从背面对其磨光,使衬底沿这些沟纹分离, 从而形成一块块尺寸统一、有裂纹的芯片。这种技术有许多优点,例如, 它免除了对大而薄的芯片的加工的必要, 避免了在硅片中产生裂纹的传统问题, 使芯片厂商能制造厚度为50 微米的芯片。
4 微电子封装技术发展的现状及展望
4. 1 BGA 以其性能和价格优势已经成为封装技术的主流。
4. 2 在减小封装体积的努力中, 人们将致力于将低I/ O 数的CSP 和高I/ O 数的CSP 广泛应用于工业中。
4. 3 倒扣芯片封装技术, 从1996 年起在日本已进入封装的主流, 1997 年后进入美国的封装主流。FCT 以其无与伦比的优点, 成为高I/ O 数CSP 的保证。人们对FCT 的发展呈乐观的态度, 认为FCT 将成为芯片封装的最终技术。
4. 4 就芯片水平来看, 二十一世纪的封装技术发展将呈现以下趋势: ( 1) 单芯片向多芯片发展; ( 2) 平面封装( MCMs) 向立体封装( 三维封装) 发展; ( 3) 独立芯片封装向集成封装发展;( 4) SOC( system on a chip) 和圆片规模集成WSI( w afer scale integrat ion) 将是人们致力研究和应用的方向。
4. 5 由于DCA 采用高密度多层PCB 的趋势不可避免, SLIM( Single Level Integrated Module)
技术将使目前的三级封装走向一级封装。
4. 6 芯片制造、封装和PCB 制造这三者的独立性将明显减小, 相互联系会进一步加强, 材料、物理、化学、界面、机械以及工程等方面的研究将在封装领域发挥重要的作用。
4. 7 在先进的封装技术发展的同时, 一些常规的SMT 技术如SOP、QFP 等也将进一步的发展, 薄型SOP 将在应用中占有最大的份额。当前产量增长最快的是BGA 和CSP, 其次为PPGA、SOP、PQFP。预计到2002 年时, BGA/ SCP 的总产量虽将增长为1997 年的16 倍, 但总产量仍排在第七位。
4. 8 封装材料仍将以塑料封装为主, 陶瓷封装的产量将进一步下降, 但品种将有所增加, 随着对高密度、高导热、高性能、高可靠封装的需求, 一批新型陶瓷材料将实用于微电子封装,如导电率很高的SiC 和AlN 陶瓷, 可在其基板上制作高电导率引线的低温烧成玻璃瓷等,但这类封装数量不会大。以上从技术发展角度讨论了现代微电子封装技术的现状和发展趋势。随着微电子产业的发展, 电子封装将成为一个技术含量高、经济效益高、具有重要地位的工业领域。
参考文献
[ 1] 刘复汗、孙程坤、宗祥福. 固态技术, 1997( 9) : 9
[ 2] 芯片规模封装技术发展前景看好. 卢文豪译. 今日电子, 1998( 11) : 10