超越BGA封裝技術(shù)

楊建生（天水華天微電子有限公司技術(shù)部，甘肅 天水 741000）摘要：簡(jiǎn)要介紹了芯片級(jí)封裝技術(shù)諸如芯片規(guī)模封裝（CSP）、微型SMT封裝（MSMT）、迷你型球柵陣列封裝（miniBGA）、超級(jí)型球柵陣列封裝（SuperBGA）和 mBGA封裝。

關(guān)鍵詞：芯片規(guī)模封裝；微型球柵陣列封裝

中圖分類號(hào)： TN305.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)：1003-353X(2003)09-0052-03

BGAs封裝已成為當(dāng)今制造的主流，并已發(fā)展成為新一代微型BGA封裝技術(shù)。芯片規(guī)模封裝就是比裸芯片略大一些或幾乎與裸芯片一樣大的封裝形式，即微型的BGA封裝技術(shù)。雖然芯片規(guī)模封裝的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面與別的封裝產(chǎn)品存在差異，并依賴于供應(yīng)商而定，但是它們具有一些共同的特性，擁有顯而易見(jiàn)的優(yōu)越性。

其一為高密度，芯片規(guī)模封裝器件中硅片部分與封裝部分的比率接近于1。這表明與BGAs或別的表面安裝技術(shù)封裝相比較，利用率和效率更高，封裝效率已達(dá)到50%～90%。

其二為操作技術(shù)，在芯片規(guī)模封裝技術(shù)中，把芯片在典型狀況下進(jìn)行密封，從而避免了裸芯片所需要的任何專門的操作技術(shù)。

其三為可測(cè)試性，芯片可在具有各種外部連接的封裝中測(cè)試，而不履行芯片的各種探測(cè)技術(shù)，并且也不冒可能把焊盤損壞的危險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的體尺寸會(huì)使測(cè)試夾具裝置易于使用，再者，芯片規(guī)模封裝器件通常具有從芯片焊盤到外部連接的短連接途徑，這可有助于電特性的改善。

總之，芯片規(guī)模封裝提供了裸芯片封裝技術(shù)尺寸和性能方面的優(yōu)越性，從而避免了部分缺陷，具有較高的I/O 密度，引腳更短，與PCB的接點(diǎn)面積更大，體積更小，因而有效地改善了電性能和熱設(shè)計(jì)性能。如今，芯片規(guī)模封裝已成為主流封裝形式，主要應(yīng)用于存儲(chǔ)卡、PC卡、便攜式電子產(chǎn)品和移動(dòng)電話等領(lǐng)域。

2三菱公司的CSP封裝

日本三菱公司稱其設(shè)計(jì)的芯片規(guī)模封裝為 CSP。在此封裝中，把一芯片進(jìn)行模塑包封，并把其焊盤通過(guò)芯片上的導(dǎo)體圖形與外部凸點(diǎn)相連接。與傳統(tǒng)的表面安裝技術(shù)不同，此類封裝不包括引線框架或焊絲，因?yàn)椴皇褂媒z焊技術(shù)，芯片焊盤可做得比正常的小些。

日本三菱公司的研究人員研制出三種模式的 CSP封裝形式，主體尺寸為6.35mm×15.24mm×0.65mm，芯片尺寸為5.95mm×14.84mm×0.4mm。第一種模式擁有一個(gè)（5×12）60個(gè)凸點(diǎn)的陣列，直徑為0.68mm，間距為1.0mm。第二種模式，陣列增加為96個(gè)凸點(diǎn)（6×16），而在較窄的0.8mm間距上采用較小的直徑為0.55mm的凸點(diǎn)。第三種模式，僅呈現(xiàn)為外部?jī)膳抨嚵械男问剑裹c(diǎn)數(shù)32（2×16）。其典型結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，CSP的凸點(diǎn)斷面圖形如圖1。

CSP封裝從外表看上去是簡(jiǎn)單的，但是此封裝的構(gòu)造并不是直截了當(dāng)?shù)?。三菱公司選取了TiN和Ni/Au二重冶金技術(shù)，使芯片從內(nèi)部焊盤到外部凸點(diǎn)形成線連接。為了確定凸點(diǎn)的位置，在圓片上涂覆起保護(hù)作用的聚酰壓胺膜。通過(guò)一層厚的光刻膠把鉛和錫焊膏蒸敷到圓片上，以便在凸點(diǎn)位置形成高濕焊料層（95%Pb/5%Sn）。

凸點(diǎn)由兩部分組成，傳導(dǎo)的內(nèi)部凸點(diǎn)和外部焊料凸點(diǎn)。表面上看起來(lái)，在新的工藝中，使內(nèi)部凸點(diǎn)形成鎳/薄鍍金的銅鍍層（高度100 mm），并粘貼到不銹鋼框架上。把芯片置于該框架之上，并校準(zhǔn)凸點(diǎn)部位與這些內(nèi)部凸點(diǎn)的位置。在氫氣和氮?dú)猸h(huán)境中加熱，芯片上的焊料層使內(nèi)部凸點(diǎn)潤(rùn)濕，從而提供了小的負(fù)載。接著，把芯片進(jìn)行密封，要么通過(guò)傳遞模塑，要么通過(guò)球頂部樹(shù)脂模塑，剝?nèi)ゲ讳P鋼框架，完成內(nèi)部凸點(diǎn)傳導(dǎo)過(guò)程。內(nèi)部凸點(diǎn)熔融之后，把焊料球置于封裝底部覆蓋模板處，然后回流焊到內(nèi)部凸點(diǎn)。

三菱公司已模擬了3種CSP模式的焊點(diǎn)疲勞狀況，并計(jì)算出循環(huán)數(shù)達(dá)50%失效。就裝配到玻璃環(huán)氧樹(shù)脂板的情況而言，60個(gè)凸點(diǎn)陣列數(shù)目為 621，96個(gè)凸點(diǎn)陣列為478，有兩排16個(gè)凸點(diǎn)的模式為129。該公司聲稱，除最后的一種模式之外，這些結(jié)果與可預(yù)料到的寬度為400密耳的TSOP封裝情況相類似。

按照公司的狀況，目前還需要做有關(guān)可測(cè)試性和耐濕性方面的工作。另外，三菱公司提供較低管腳數(shù)的器件，諸如各類存儲(chǔ)器所采用的CSP封裝。更進(jìn)一步把此封裝擴(kuò)展為較高管腳數(shù)的ASIC，將意味著降低了凸點(diǎn)間距。雖然公司聲稱CSP封裝的間距可被收縮到0.3mm，但是此間距問(wèn)題也引起了諸如板設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試和可靠性方面的諸多問(wèn)題。

3MSMT封裝

微型SMT公司研制出一種稱為MSMT封裝的芯片規(guī)模封裝技術(shù)，也就是眾所周知的微型或小型 SMT封裝技術(shù)，封裝部分與芯片部分的面積之比為1.0～1.2。它不同于標(biāo)準(zhǔn)的封裝特征在于MSMT封裝技術(shù)是在圓片級(jí)水平上進(jìn)行的。使圓片的劃線面積（或較高密度的壓焊焊盤面積）在每一芯片周圍形成硅支柱。通過(guò)濺射和蒸發(fā)的貴金屬支撐的梁把這些端子連接到芯片焊盤上。再沿著這些端子—— 梁結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰壓胺或特氟隆密封芯片。

對(duì)較大的IC而言，微型SMT公司指出了在密封劑上使用一個(gè)帽蓋的做法的優(yōu)點(diǎn)，此帽蓋確保了6mm之內(nèi)端子的平面性，從而提供了對(duì)增加的散熱及阻抗的控制能力。有了此帽蓋，MSMT封裝的高度為0.5mm，而無(wú)此帽蓋，斷面降至0.3mm。

該公司預(yù)計(jì)小于80線的IC產(chǎn)品的引線間距將為 0.3～0.4mm，例如在1812尺寸中計(jì)劃的28線的MSMT封裝產(chǎn)品具有0.4mm的引線間距。

微型SMT公司把其生產(chǎn)方向集中于低引線數(shù)領(lǐng)域，樂(lè)于解決100線及100線以下的封裝產(chǎn)品的各類問(wèn)題。深信其MSMT技術(shù)將降低封裝成本，如 SOIC產(chǎn)品，如果加工4英寸圓片的1206器件與SOIC產(chǎn)品的0.08美元和0.12美元的成本相比較，MSMT 封裝的IC產(chǎn)品的成本小于0.05美元。若變?yōu)?英寸圓片的話，成本就降到0.03美元，再者，把MSMT 封裝用于晶體管封裝的優(yōu)越性是其成本為IC封裝中產(chǎn)品成本的70%。該公司列舉了MSMT封裝的其他優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)其端子——梁構(gòu)造，嵌入撓性，不象傳統(tǒng)的倒裝片，不需要下填充物來(lái)補(bǔ)償芯片和板之間的CTE差異。另外，與倒裝片相比，MSMT器件面朝上安裝，這為RF IC提供了屏蔽。最后，該公司聲稱，MSMT封裝的焊盤可經(jīng)得住多種探測(cè)。

4miniBGA、superBGA和μBGA

Tessera公司已研制出又一種芯片規(guī)模封裝的方法，稱其為mBGA。mBGA使用撓曲電路插件把芯片上的各種周邊連接轉(zhuǎn)換為面陣列，把柔性聚酰壓胺電路短的金引線超聲熱壓焊到芯片焊盤。該公司聲稱mBGA通常在間距為80 mm狀況下壓焊，并可變得更窄。用厚度為幾個(gè)微米的彈性體焊盤/粘合劑把撓曲電路粘附到芯片的表面。此彈性材料具有兩個(gè)功能，它壓縮插頭測(cè)試，并且與柔性引線一起壓焊，起著從基板上隔絕芯片的熱膨脹的作用。此封裝提供了真正的芯片尺寸封裝，消除了來(lái)自印制電路板的應(yīng)力。

μBGA的凸點(diǎn)高度為85mm，典型狀況下由鍍薄金的鎳構(gòu)成，間距范圍為0.5mm～1.5mm。雖然此封裝通常情況下密封于金屬殼體之中，但是為了熱耗可把芯片的背部暴露。為了保護(hù)封裝邊緣，可使用載體環(huán)。除尺寸之外，可測(cè)試性、封裝上短的軌跡和背部冷卻已成為mBGA封裝的顯著優(yōu)點(diǎn)。Tessera公司聲稱，該封裝的彈性體材料和撓曲層提供了對(duì)來(lái)自鉛放射性衰變的α粒子放射物的足夠的阻擋層，因?yàn)棣亮Ｗ涌梢疖浾`差。另外， mBGA是一種小、薄、高性能單片封裝，Hitachi公司已引進(jìn)了672個(gè)管腳的 mBGA封裝的ASIC系列，并已形成批量生產(chǎn)。

Sandia National Laboratories的miniBGA（mBGA）封裝也是基于芯片規(guī)模封裝考慮的封裝技術(shù)。mBGA封裝技術(shù)把傳統(tǒng)的芯片轉(zhuǎn)變成適合于倒裝片粘貼的芯片，此封裝僅僅是又一種形式的倒裝片封裝，因此屬于裸芯片范疇。mBGA封裝的尺寸更小，比芯片尺寸大不了多少。此封裝是把BGA 和倒裝片技術(shù)的最佳特點(diǎn)相結(jié)合而形成的CSP封裝形式。

裸芯片不是空間和重量受限制的商用電子產(chǎn)品的唯一的新的封裝方式，Amkor/Anam公司已引進(jìn)了superBGA封裝技術(shù)，對(duì)此超越BGA封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮速度、熱控制、I/O 數(shù)和安裝高度。在典型的256 I/O模式中，較薄的BGA擁有的安裝高度為1.0mm，重2.0g，根據(jù)模型數(shù)據(jù)，352 I/O的superBGA封裝提供的熱阻小于10℃/W，此種類型的新封裝考慮到的速率大于1.5GHz。

superBGA為一種腔體向下型設(shè)計(jì)的封裝，把芯片置于封裝球側(cè)面的腔體中，并直接粘貼到覆蓋封裝頂部表面的薄的銅散熱器上。采用超聲熱球壓焊技術(shù)，完成BGA的PCB基板從芯片到粘結(jié)層的金絲連接，芯片和腔體均用液態(tài)樹(shù)脂裝置填充。在BGA基板中，典型的線寬和間隔寬度分別為0.075mm和0.100mm，并且使用各種通路使電連接或熱連接在設(shè)計(jì)方面多達(dá)5個(gè)金屬層。但是為了增大電特性，應(yīng)使各種通路的使用減到最小程度，散熱片起著接地平面的作用，并使軌跡長(zhǎng)度變短。對(duì)一27mm 2的superBGA而言，典型的自身電感數(shù)值，小于方形扁平封裝（QFP）的狀況。Amkor/ Anam公司聲稱此新型的BGA封裝具有優(yōu)越的可靠性，這是由于各種材料和工藝所形成的。通路數(shù)量的減少、剛性散熱層以及PCB散熱結(jié)構(gòu)的各種技術(shù)使撓曲和翹曲最小化。SuperBGA封裝經(jīng)受的測(cè)試技術(shù)條件為JEDEC等級(jí)2標(biāo)準(zhǔn)：85℃/60%RH/168h。SuperBGA封裝在Amkor/Anam公司已形成批量生產(chǎn)。

5結(jié)語(yǔ)

由于便攜式電子產(chǎn)品，如手機(jī)、筆記本電腦等，體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，功能越來(lái)越多，要求元器件的尺寸和元器件之間的間距尺寸越來(lái)越小。CSP，mBGA，miniBGA、superBGA和MSMT封裝等超越BGA封裝技術(shù)的出現(xiàn)正是順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)的產(chǎn)物，這些封裝技術(shù)在高密度微電子封裝技術(shù)中占據(jù)著重要的位置，封裝的引腳間距已從原來(lái)的1.5mm，1.27mm，1.0mm逐步向窄間距0.8mm和0.5mm轉(zhuǎn)移。根據(jù)從世界上各大公司已經(jīng)推向市場(chǎng)并進(jìn)入實(shí)用階段的超越BGA封裝品種的分析，21世紀(jì)初，這些微型BGA封裝將以成熟的工藝、低廉的成本、便利的更小的更靈巧的和更薄的封裝形式出現(xiàn)，在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用量會(huì)逐漸上升，并將取代QFP成為高I/O 數(shù)IC封裝的主流。