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1、微电子学概论,2011年 春季,第十一章 集成电路封装,先进封装技术,（BGA、CSP、WLP）,BGA技术简介,BGA（Ball Grid Array）即球栅阵列（或焊球阵列）封装，是在基板下面按阵列方式引出球形引脚，在基板上面装配大规模集成电路（LSI）芯片，是LSI芯片的一种表面组装封装类型。,BGA焊球分布形式,BGA封装发展历史,BGA封装从20世纪90年代初期由Motorola和Citizen公司共同开发。BGA的出现源于QFP封装的性能、成本要求：引脚数不断增加、引脚间距越来越小，性价比越来越低。目前BGA已经作为重要的封装形式应用于半导体行业。,BGA技术特点,芯片引脚间距大-
2、贴装工艺和精度,显著增加了引出端子数与本体尺寸比-互连密度高,焊球有效改善了共面性，有助于改善散热性,成品率高、可将窄间距QFP焊点失效率降低两个数量级,BGA引脚短-电性能好、牢固-不易变形,适合MCM封装需要，实现高密度和高性能封装,BGA的分类,目前，市面常用的BGA封装芯片主要包括四种类型：PBGA（塑封BGA）、CBGA（陶瓷BGA）、CCGA（陶瓷焊柱阵列）、TBGA（载带BGA）。此外，还有MBGA（金属BGA）、FCBGA（细间距BGA或倒装BGA）和EBGA（带散热器BGA）等。,PBGA,塑料封装BGA（PBGA）采用塑料材料和塑封工艺制作，是最常用的BGA封装形式。PBG
3、A采用的基板类型为PCB基板材料，Die经过粘结和WB技术连接到基板顶部引脚后采用注塑成型方法实现整体塑模。,PBGA结构,焊球材料为低熔点共晶焊料合金，直径约1mm，间距范围1.27-2.54mm，焊球采用低熔点焊料合金连接在基板底部，组装时焊球熔融，与PCB表面焊盘接合在一起，呈现桶状。,BGA技术通孔技术,PBGA特点,制作成本低，性价比高 焊球参与再流焊点形成，共面度要求宽松 与环氧树脂基板热匹配性好、装配至PCB时质量高、性能好 对潮气敏感，PoPCorn effect严重，可靠性存在隐患，且封装高度之QFP高也是一技术挑战。,IBM的SRAM芯片（FC-PBGA）,CBGA封装,C
4、BGA最早起源于IBM公司，是将裸芯片安装在陶瓷多层基板载体顶部表面形成的，连接好的封装体经过气密性处理可提高其可靠性和物理保护性能。,CBGA采用的是多层陶瓷布线基板，PBGA采用的是BT树脂-玻璃芯多层布线基板。CBGA焊球材料高熔点90Pb10Sn共晶焊料，采用封盖+玻璃封接，属于气密封装范畴。,CBGA封装结构,CBGA技术特点,【对湿气不敏感，可靠性好、电、热性能优良】【与陶瓷基板CTE匹配性好】【连接芯片和元件可返修性较好】【裸芯片采用FCB技术，互连密度更高】【封装成本高】【与环氧树脂等基板CTE匹配性差】,CCGA技术,CCGA封装又称圆柱焊料载体,是CBGA技术的扩展，不同之
5、处在于采用焊球柱代替焊球作为互连基材，是当器件面积大于32平方毫米时CBGA的替代产品.,CCGA承受封装体和PCB基板材料之间热失配应力的能力较好,因此其可靠性要优于CBGA器件,特别是大器件尺寸应用领域，此外清洗也较容易。,CCGA焊料柱直径约0.508mm，高度约1.8mm，间距约1.27mm，由于焊柱高度太大，目前应用的较少。,CCGA技术特点,TBGA技术,载带球栅阵列（TBGA）又称阵列载带自动键合，是一种相对较新颖的BGA封装形式，采用的基板类型为PI多层布线基板，焊料球材料为高熔点焊料合金，焊接时采用低熔点焊料合金。,TBGA技术特点,与环氧树脂PCB基板热匹配性好最薄型BGA
6、封装形式，有利于芯片薄型化成本较之CBGA低对热和湿较为敏感芯片轻、小，自校准偏差较之其他BGA类型大,TBGA适用于高性能、多I/O引脚数场合。,带散热器的FCBGA-EBGA,FCBGA通过FCB技术与基板实现互连，与PBGA区别在于裸芯片面朝下，发展最快的BGA类型芯片。,BGA制作工艺流程-Motorola OMPAC为例,树脂基板和铜箔层；钻通孔与镀通孔基板两面掩膜制作电路图形、预留焊区芯片粘接固化、引线键合注模成型及材料固化植入预制焊料球、再流形成凸点,【锡膏+锡球】：标准植球法，植球焊接性好、光泽好，熔锡过程不会出现滚动现象。先用锡膏印刷到BGA焊盘上，再在上面加上一定大小的预制
7、锡球，锡膏粘住锡球，并在加热时使锡球接触面增大-受热更快更全面，保证锡球熔锡后与BGA焊盘焊接性更好，减少虚焊,【助焊膏+锡球】：助焊膏代替锡膏，但助焊膏在温度升高时会变成液态，易使锡球滚动，此外助焊膏焊接性较差,BGA植球,BGA检测技术与质量控制,BGA性能优于常规元器件，但很多厂家仍不愿投资开发BGA，其主要原因在于BGA器件焊点的测试难度，影响了其质量和可靠性。,传统电子测试判断、筛选BGA焊接缺陷方法不可行：【阵列焊点测试点选择困难】【内部引脚电性能测试通常无法进行】【电子测试误判率高】,BGA安装与焊接,安装焊接前需检查BGA焊球共面性和有无焊球脱落，贴装及焊接工艺与当前其他类型元
8、器件采用的SMT设备和工艺完全兼容。,印刷焊膏-光学对位并贴片-标准再流焊工艺 PBGA焊料球为低熔点焊料合金，焊接时会融化与焊膏一起形成C4焊点；CBGA和CCGA焊接时焊料球或焊料柱不熔化，焊点高度基本不变。,BGA质量检测,焊接好的BGA焊点全部位于芯片下面，尤其是焊点较多的BGA，目检和采用传统检测设备难以进行，因此常采用X射线进行断面检测：明显的对位失准和桥连,BGA的返修,BGA的可返修性是其一大特点，但尽管如此，BGA的返修成本很高，通常只要有一个焊球出现缺陷，均需要卸下整个部件进行返修：更换或重新植球,返修工艺步骤：【电路板和芯片预热】-去除潮气【拆除芯片】-控制温度【清洁焊盘
9、】-清除助焊剂、焊锡膏等【涂助焊剂、焊锡膏】【贴片、焊接】-专门光学对中设备,BGA返修,CSP技术简介,CSP（Chip Size Package或Chip Scale Package）称为芯片尺寸封装，目前尚无确切定义，JEDEC给出的标准规定：LSI芯片封装面积小于或等于LSI裸芯片面积120%的产品称为CSP，制备CSP芯片的技术称CSP技术。,【体积小、单位面积容纳引脚数多】,CSP技术简介,【电性能良好】内部布线长度远短于QFP和BGA,【散热性能优良】芯片面朝下安装，能从背面散热,【测试、筛选、老化容易】,【无需内填料】不必进行下填充工艺,【制造工艺、设备兼容性好】,CSP技术的
10、结构和分类,CSP是BGA进一步微型化的产物，又称uBGA，按结构可分柔性基板封装CSP、刚性基板封装CSP、引线框架式CSP、晶圆级CSP以及薄膜型CSP等。,柔性基板封装CSP,此封装类型由美国Tessra公司首次开发，日本NEC公司开发的FPBGA（细间距BGA）属于此类型，采用PI或类似材料作垫片，内层互连采用TAB、FC或WB方式。互连层在垫片的一个面，焊球穿过保护层与互连层相连。,刚性基板封装CSP,此封装类型由日本Toshiba公司首次开发，与柔性基板封装不同之处在于刚性垫片是通过多层陶瓷叠加或经通孔与外层焊球相连。采用的键合方式为FC和WB。,引线框架式CSP,此封装类型由日本
11、Fujitsu公司首次开发，引线框架常由金属材料制作，互连通过外引线框架实现。该类型封装与传统的塑封工艺完全相同，只是采用的框架小一些、薄一些。键合方式为TAB、FCB及WB。,晶圆级CSP封装,此封装类型由Chip-scale公司首次开发，是在晶圆阶段利用芯片较宽的划片槽，在周边构造互连，随后用玻璃、树脂等材料进行封装完成。WL-CSP代表了未来芯片发展的趋势。,薄膜型CSP封装,此封装类型由日本三菱公司首次开发，主要结构是LSI芯片、模塑树脂和焊料凸点。此封装无引线框架键合线，易于实现小型化和薄型化。制作过程在半导体制造后工程中进行，采用薄膜工艺形成金属布线图形和焊盘，采用PI作为缓冲膜材
12、料。,薄膜型CSP封装,CSP与Die可靠性对比,以薄膜型CSP为例进行可靠性试验，应力模拟和温度循环测试实验结果表明，CSP封装结构得到的芯片可靠性优于裸芯片。,上述五类CSP制作方式大多是利用常规IC裸芯片进行加工，在垫片上对引脚进行阵列式重新布局：有的在垫片上布线，有的则在晶圆片上布线，且大多数采用的薄膜工艺进行多层或单层布线，焊接工艺上与传统工艺方法没有差别。,CSP技术综述,CSP技术应用现状,CSP封装具有轻薄短小的特点，在便携式、低引脚数和低功率产品中应用广泛，主要用于闪存、RAM、DRAM存储器等产品中。目前，超过100家公司开发CSP产品：Amkor、Tessera、Chip
13、-scale、Sharp等，市场潜力巨大。,CSP技术存在的问题,【标准化】-市场准入机制【可靠性】-系统可靠性要求高，可返修性及返修成本高。【成本】-价格影响市场竞争力,晶圆级芯片尺寸封装技术,晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP）以BGA技术为基础，是一种特殊类型的CSP封装型式，又称为圆片级芯片尺寸封装（WL-CSP），由IBM公司在1964年为其360主机系统引入焊料凸点技术时出现并不断发展起来。,芯片尺寸真正减小至IC芯片尺寸将芯片封装与制造融为一体,WLP芯片的制作工艺是在传统圆片制作工艺基础上增加薄膜再布线工艺和凸点制作工艺：采用两层BCB作为保护层和介质层
14、，生产成本大幅降低：,薄膜再分布：通过薄膜技术将沿芯片周边分布的焊区转换为芯片表面上阵列分布的凸点焊区。,晶圆级芯片尺寸封装技术,薄膜再分布技术,钝化的圆片表面涂覆首层BCB,光刻老焊区,淀积金属薄膜制备金属导线连接焊区,溅射淀积、光刻UBM层,二次涂覆BCB,光刻新焊区窗口,电镀或印刷焊料合金,再流形成焊料凸点,WLP测试、打印、包装,WLP优点和应用局限性,【封装效率高：适应大直径晶圆片】【具有FCP和CSP的技术特点：轻薄短小】【引脚短，电、热性能好】【制作WLP的工艺成熟度高，不存在新工艺瓶颈】【符合当今的SMT技术潮流，适用SMT焊接工艺】,WLP的应用局限性,【WLP裸芯片焊盘不能
15、引出，引脚数目有限制】【具体结构形式、封装工艺等有待优化】【可靠性数据积累有限，影响广泛推广】【成本相对较高】,MCM与3D MCM,半导体芯片技术发展趋势,国际半导体技术路线（ITRS）,未来发展趋势-SIP,集成电路外壳的选择,（一）基本选择原则 1.根据器件产品的基本属性，外壳性能应符合器件产品的要求。产品的市场应用分类：,性能要求：安装方式：引脚的形式和布置位置。引出端数。几何尺寸：外形（形状，尺寸），内腔尺寸。电性能：Imax，C，L，R串，R绝缘；电连接；电源/地分配，信号I/O分配，可焊性（芯片，内外引线）等,热性能：热阻RT，最大耗散功率Pcm，最高工作结温Tjm。耐温度范围（
16、工作温度，贮存温度），耐热冲击，温度循环的等级。环境和可靠性试验等级 气密性，振动，冲击，离心 老炼筛选：双85（85/85%RH）。性能基本符合要求，并有一定冗余和较高的成品率。2.经济效益高：性能/价格比高；时效好。性能效益间需折衷考虑!,各类封装的价格比（1999年）,（二）具体选择原则：1.产品等级：军品，气密封装：应选陶瓷或金属外壳。民品，非气密封装：选塑料封装（或准气密性）军品要符合我国国军标GJB 548A要求或美军标MIL-STD 883E要求。对军品外壳有一系列严格的试验程序，其价格是民品的210倍，需特殊设计，不能简单从民品中挑选。,工作温度范围,Rent定律：（60年代中
17、，IBM公司提出！）在一定的逻辑系统中（一块随机逻辑PCB，或一块独立的逻辑IC）其I/O端点数n与该系统（或PCB，或单块逻辑电路）所包含的辑门逻 数g存在下列关系：n=a gb 其中a、b为与所用元件、产品和系统设计有关的常数，通常a1、b1，Bell实验室的研究表明，符合他们的Rent定律为：n=4.5 g0.5（1981年前后）Unisys的门阵列逻辑电路为：n=2.2 g0.6,电源（包括：“地”端）引出端数也与电路技术有关，Bell的样品为：m(电源的引出端数)n/4n/5对于电源引出端数m还要考虑：引线上的直流压降，噪声容限（尤其对高速电路），即要考虑R串、L串、C的作用。N=m+n Rent定律只是对逻辑系统，与模拟电路无关。,1.列出当前用量最大的4种IC封装的：英文缩写符号；中文名称；各自的外引脚形状。2.在选用IC封装时应考虑那些因素？3.试简述当前微电子封装技术的主要发展趋势。4.有一个5万门的逻辑门阵列电路，假定其信号I/0引线数和 电源/地线之比为5：1。试用Rent定律估算此电路所需之 封装引线数，（假定a=1.5，b=0.5）。,
