先進封裝技術的發(fā)展趨勢

摘 要：先進封裝技術不斷發(fā)展變化以適應各種半導體新工藝和材料的要求和挑戰(zhàn)。在半導體封裝外部形式變遷的基礎上，著重闡述了半導體后端工序的關鍵一封裝內部連接方式的發(fā)展趨勢。分析了半導體前端制造工藝的發(fā)展在封裝技術卜的反映。提出了目前和可預見的將來引線鍵合作為半導體封裝內部連接的主流方式與高性能儷成本的倒裝芯片長期共存，共同和硅片鍵合應用在SiP、MCM、3D等新型封裝當中的預測。

1 半導體封裝外部形式的變遷

半導體前端制造工藝不斷縮小的線寬、更高的集成密度、更大的硅片尺寸在后端封裝上體現(xiàn)為封裝的輸入／輸出數目不斷增加，體積逐漸縮小和同一封裝內的芯片數目持續(xù)增長。半導體的封裝形式經歷了從初期雙列直插式(DIP：Dual In-line Package)到四邊扁平封裝(QFP：Quad Flat Package)，再到針格陣列(PGA：Pin Grid Array)、球格陣列(BGA：Ball Grid Array)和盤格陣列(LGA：Land Grid Array)，直至各種形式的芯片尺寸封裝(CSP：Chip Scale／Size Package)和硅片級封裝(WLP：Wafer Level Package)的發(fā)展過程(見圖1)。在這一發(fā)展過程中，半導體封裝的輸入／輸出由最初的沿封裝兩邊的線性排列擴展為沿四邊的排列，再進一步發(fā)展到封裝的整個表面內的二維陣列。 封裝作為保證集成電路最終電氣、光學、熱學和機械性能的關鍵環(huán)節(jié)，隨著芯片輸入／輸出密度不斷加大、速度不斷加快的趨勢，技術難度不斷提高，在半導體制造成本中所占的比例逐漸增加，已經成為制約半導體工業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。

2 半導體封裝內部連接方式的發(fā)展趨勢

半導體封裝內部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部的電氣連接、確保芯片和外界之問的輸入／輸出暢通的重要作用，足整個后端封裝過程中的關鍵。封裝的內部連接方式主要包括傳統(tǒng)的引線鍵合(Wire Bonding)以及新必的倒裝芯片(F1ip Chip)和硅片鍵合(Wafer Bonding)。

2．1 引線鍵合

引線鍵合以金屬引線的兩端分別與芯片和管腳鍵合而形成電氣連接(見圖2)。引線鍵合從最初應用到現(xiàn)在已經有50年的歷史，是最為成熟、應用最為廣泛的封裝內部連接方式。

2．2 倒裝芯片

倒裝芯片在芯片表面預先放置焊球(Bump)，翻轉后面對面和封裝焊接在一起(見圖3)。倒裝芯片代表著封裝輸入／輸出數目不斷增加，內部連接性能要求越來越高的形勢下，電氣連接由引線向焊球發(fā)展的趨勢。這種趨勢在封裝以外的其它應用層次上(例如印刷線路板和芯片)也得到了充分的反映。

倒裝：卷片的凸點(焊球)一般用半導體前端工藝的光刻及蒸發(fā)、電鍍或絲網印刷的方式生成[1]。為了防止焊球金屬(多為鉛錫合金)對芯片電路的擴散，需要在產生凸點前在芯片表面制作球下金屬層(UBM)進行隔離。圖4顯示了倒裝芯片凸點制作的典型過程。首先用濺射生成UBM用的金屬層，然后通過光刻、刻蝕去除多余的材料在凸點位置形成UBM。其后在UBM之上用蒸發(fā)、電鍍或絲網印刷附著焊料，最后通過同流形成凸點。

凸點生成也可以采用引線鍵合機在硅片上直接附著金球的方式來完成(見圖5)。普通引線鍵合工藝會在凸點頂部留下一段線尾，需要壓平以便于后續(xù)的倒裝焊。以金球作為凸點的芯片可以采用絕緣膠、各向異性導電膠(沿受壓方向產生導電路徑)、熱壓或熱超聲的方式與封裝連接[2]?；谝€鍵合工藝的硅片凸點生成具有無需光刻掩模、UBM預制及焊錫／焊料(無鉛污染)，導電性好，工藝簡便靈活的優(yōu)勢。

2．3 硅片鍵合

集成電路不斷增長的運行速度要求盡量縮短封裝中芯片問的連接距離，持續(xù)縮小的封裝尺寸促使芯片三維重疊結構的運用，生產效率的提高需要把單個芯片的連接上藝擴展到整個硅片卜進行。硅片鍵合工藝把多層圓片上下相連同時形成電氣和機械連接以滿足這些要求。硅片在鍵合前經過減薄處理以便有效地利用厚度空間。圖6是通過硅片鍵合上下連接在一起的i層硅片的剖面圖[3]。

常規(guī)的硅片鍵合方式包括擴散、共晶、陽極電解和中問層粘合。另外也存在常溫、無電壓的鍵合方式。

3 半導體前端制造工藝對封裝技術的影響

半導體前端制造工藝的發(fā)展總是直接迅速地反應在后端生產技術上。圖7顯示了引線鍵合及倒裝芯片的焊盤間距隨半導體集成電路線寬的變化趨勢[4]。集成電路的線寬將由目前的O．09μm不斷縮小，在2008年達到0．057μm，直至2018年的0．018μm。與此相應，引線鍵合的焊盤間距將在同一段時問內從35μm減小到20μm而倒裝芯片的焊盤問距也由150μm減小到70μm。焊盤間距隨著前端線寬不斷減小是半導體封裝內部連接方式的重要發(fā)展趨勢。同時，作為芯片到上一級(封裝或印刷線路板)的連接方式，封裝內部連接方式受連接對象物理尺寸的限制，其焊盤問距不象前端線寬一樣持續(xù)縮小，而是存達到一定的臨界值后不再顯著變化。這又是封裝技術不同于前端工藝的重要特性。

4 各種半導體封裝內部連接方式的相互關系

引線鍵合與倒裝芯片作為目前半導體封裝內部兩種代表性的連接方式，關于各自的發(fā)展趨勢以及相互問的關系長時間以來產生了大量的討論和預測。

毋庸置疑，倒裝芯片代表著電氣連接由引線向焊球發(fā)展的總趨勢。倒裝芯片方法形成的電氣連接路徑最短，相應的電阻、電感都較小，適合高性能集成電路的封裝。然而倒裝芯片和引線鍵合的關系并不是簡單的前者在短時間內迅速全面取代后者。半導體行業(yè)內關于引線鍵合技術不久即將過時并被淘汰的預測已經存在十多年了，而引線鍵合至今不僅沒有消失，還依然作為主導的半導體封裝內部連接方式活躍在低端到高端的各種封裝形式中并不斷向前發(fā)展。引線鍵合以上藝實現(xiàn)簡單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主導地位，目前所有封裝管腳的90％以上采用引線鍵合連接。圖8給出了由引線鍵合和倒裝芯片完成的內連數的預測?？梢钥闯龅寡b芯片的增長速度雖然較快，但直至2011年引線鍵合仍然占主導地位。無論是封裝行業(yè)多年的事實還是權威的預測都表明，引線鍵合在可預見的未來(目前到2020年)仍將是半導體封裝尤其是低端封裝內部連接的主流方式。如前所述，基于引線鍵合工藝的硅片凸點生成可以完成倒裝芯片的關鍵步驟并且具有相塒于常規(guī)工藝的諸多優(yōu)勢，這是引線鍵合長久生命力和向新興連接方式延伸的巨大潛力的有力例證。倒裝芯片發(fā)展迅猛但仍受到成本和可靠性等因素的限制，無法存大范圍內取代引線鍵合向成為主流的封裝內部連接方式。它將作為高性能/高成本的內部連接方式和引線鍵合長期共存，共同應用在各種新型封裝當中。引線鍵合與倒裝芯片都將按照自身的規(guī)律不斷發(fā)展下去。

封裝中系統(tǒng)(SiP)是近年來半導體封裝的重要趨勢，代表著未來的發(fā)展方向。封裝中系統(tǒng)在一個封裝中集成多個形式各異、相對獨立義緊密相連的模塊以實現(xiàn)完整強大的功能，具有較短的開發(fā)周期和極大的靈活性。圖9顯示了一個SiP封裝中引線鍵合、倒裝芯片和硅片鍵合各有所用，共同存在的情況。這三種封裝內部連接方式將一起長期被應用在未來的半導體封裝當中。

5 結論

隨著集成電路的發(fā)展，封裝內部連接方式呈現(xiàn)出引線向焊球和硅片無焊球連接等非引線方式以縮短電氣連接路徑并縮小封裝尺寸的總趨勢。在傳統(tǒng)的引線鍵合之外發(fā)展了倒裝芯片連接和硅片鍵合工藝。引線鍵合在可預見的未來仍將是半導體封裝內部連接的主流方式。倒裝芯片將作為高性能/高成本的內部連接方式迅速發(fā)展并和引線鍵合長期共存，共同和硅片鍵合應用在SiP、MCM、3D等新型封裝當中。

半導體前端工藝向封裝的延伸(倒裝芯片凸點生成)和封裝技術向前端工藝的擴展(基于引線鍵合的硅片凸點生成)以及封裝工藝由單個芯片向整個硅片的過渡(硅片鍵合)使封裝、芯片和硅片之間的界限目趨模糊，封裝已經成為半導體產品本質和有機的組成部份。