理解倒裝芯片和晶片級(jí)封裝技術(shù)及其應(yīng)用

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了芯片晶體管數(shù)量和功能,這一集成規(guī)模在幾年前是無(wú)法想象的。因此,如果沒(méi)有IC封裝技術(shù)快速的發(fā)展，不可能實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，制造商開(kāi)發(fā)出更小的封裝類(lèi)型。最小的封裝當(dāng)然是芯片本身，圖1描述了IC從晶片到單個(gè)芯片的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，圖2為一個(gè)實(shí)際的晶片級(jí)封裝(CSP)。

晶片級(jí)封裝的概念起源于1990年，在1998年定義的CSP分類(lèi)中。晶片級(jí)CSP是多種應(yīng)用的一種低成本選擇,這些應(yīng)用包括EEPROM等引腳數(shù)量較少的器件，以及ASIC和微處理器。CSP采用晶片級(jí)封裝(WLP)工藝加工，WLP的主要優(yōu)點(diǎn)是所有裝配和測(cè)試都在晶片上進(jìn)行。隨著晶片尺寸的增大、管芯的縮小，WLP的成本不斷降低。作為最早采用該技術(shù)的公司,Dallas Semiconductor在1999年便開(kāi)始銷(xiāo)售晶片級(jí)封裝產(chǎn)品。

2 命名規(guī)則

業(yè)界在WLP的命名上還存在分歧。CSP晶片級(jí)技術(shù)非常獨(dú)特，封裝內(nèi)部并沒(méi)有采用鍵合方式。封裝芯片的命名也存在分歧。常用名稱(chēng)有：倒裝芯片(STMicroelectronics和Dalias SemiconductorTM)、CSP、晶片級(jí)封裝、WLCSP、WL-CSP、MicroSMD(Na-tional Semiconductor)、UCSP(Maxim Integrated Prod-ucts)、凸起管芯以及MicroCSP(Analog Devices)等。

對(duì)于Maxim/Dallas Semiconductor，"倒裝芯片"和"晶片級(jí)封裝"，最初是所有晶片級(jí)封裝的同義詞。過(guò)去幾年中，封裝也有了進(jìn)一步地細(xì)分。在本文以及所有Maxim資料中，包括公司網(wǎng)站，"倒裝芯片"是指焊球具有任意形狀、可以放在任何位置的晶片級(jí)封裝管芯(邊沿有空隙)。"晶片級(jí)封裝"是指在間隔規(guī)定好的柵格上有焊球的晶片級(jí)封裝管芯。圖3解釋了這些區(qū)別，值得注意的是，并不是所有柵格位置都要有焊球。圖3中的倒裝芯片尺寸反映了第一代Dallas Semiconductor的WLP產(chǎn)品：晶片級(jí)封裝尺寸來(lái)自各個(gè)供應(yīng)商，包括Maxim。目前，Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片級(jí)封裝產(chǎn)品的標(biāo)稱(chēng)尺寸如表1所列。

3 晶片級(jí)封裝(WLP)技術(shù)

提供WLP器件的供應(yīng)商要么擁有自己的WLP生產(chǎn)線(xiàn)，要么外包封裝工藝。各種各樣的生產(chǎn)工藝必須能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。確保最終產(chǎn)品的可靠性。美國(guó)亞利桑那州鳳凰城的FCI、美國(guó)北卡羅萊納州的Unitive建立了WLP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品名為UltraCSP(FCI)和Xtreme(Unitive)。Amkor在并購(gòu)Umitive后，為全世界半導(dǎo)體行業(yè)提供WLP服務(wù)。

在電路/配線(xiàn)板上,將芯片和走線(xiàn)連接在一起的焊球最初采用錫鉛共晶合金(Sn63Pb37)。為了減少電子產(chǎn)品中的有害物質(zhì)(RoHS)，半導(dǎo)體行業(yè)不得不采用替代材料，例如無(wú)鉛焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高鉛焊球(Pb95Sn5)。每種合金都有其熔點(diǎn)，因此，在元器件組裝回流焊工藝中，溫度曲線(xiàn)比較特殊,在特定溫度上需保持一段時(shí)間。
集成電路的目的在于提供系統(tǒng)所需的全部電子功能，并能夠裝配到特定封裝中。芯片上的鍵合焊盤(pán)通過(guò)線(xiàn)鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設(shè)計(jì)原則要求鍵合焊盤(pán)位于芯片周界上。為避免同一芯片出現(xiàn)兩種設(shè)計(jì)(一種是普通封裝，另一種是CSP)，需要重新分配層連接焊球和鍵合焊盤(pán)。

4 晶片級(jí)封裝器件的可靠性

晶片級(jí)封裝(倒裝芯片和UCSP)代表一種獨(dú)特的封裝外形，不同于利用傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性測(cè)試的封裝產(chǎn)品。封裝的可靠性主要與用戶(hù)的裝配方法、電路板材料以及其使用環(huán)境有關(guān)。用戶(hù)在考慮使用WLP型號(hào)之前，應(yīng)認(rèn)真考慮這些問(wèn)題。首先必須進(jìn)行工作壽命測(cè)試和抗潮濕性能測(cè)試,這些性能主要由晶片制造工藝決定。機(jī)械壓力性能對(duì)WLP而言是比較大的問(wèn)題，倒裝芯片和UCSP直接焊接后，與用戶(hù)的PCB連接，可以緩解封裝產(chǎn)品鉛結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力。因此，必須保證焊接觸點(diǎn)的完整性。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前的倒裝芯片和CSP還屬于新技術(shù),處于發(fā)展階段。正在研究改進(jìn)的措施是將采用背面疊片覆層技術(shù)(BSL)，保護(hù)管芯的無(wú)源側(cè)，使其不受光和機(jī)械沖擊的影響，同時(shí)提高激光標(biāo)識(shí)在光照下的可讀性。除了BSL，還具有更小的管芯厚度，保持裝配總高度不變。Maxim UCSP尺寸(參見(jiàn)表1)說(shuō)明了2007年2月產(chǎn)品的封裝狀況。依照業(yè)界一般的發(fā)展趨勢(shì)，這些尺寸有可能進(jìn)一步減小。因此，在完成電路布局之前，應(yīng)該從各自的封裝外形上確定設(shè)計(jì)的封裝尺寸。

此外，了解焊球管芯W(wǎng)LP合金的組成也很重要，特別是器件沒(méi)有聲明或標(biāo)記為無(wú)鉛產(chǎn)品時(shí)。帶有高鉛焊球(Pb95Sn5)的某些器件通過(guò)了無(wú)鉛電路板裝配回流焊工藝測(cè)試，不會(huì)顯著影響其可靠性。采用共晶SnPb焊球的器件需要同類(lèi)共晶SnPb焊接面，因此，不能用于無(wú)鉛裝配環(huán)境。