云振新(國營970廠，四川成都610051)

摘 要：本文介紹了圓片級封裝的設(shè)計考慮、基礎(chǔ)技術(shù)、可靠性、應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：圓片級封裝；薄膜再分布技術(shù)；焊料凸點技術(shù)

中圖分類號：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

現(xiàn)代電子裝置對小型化、輕量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化方面的要求不斷提高且日益迫切。移動通信手機(jī)、因特網(wǎng)電子商務(wù)無線接人系統(tǒng)及藍(lán)牙系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)(GPS)的無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路就是提出這些要求的典型例子?，F(xiàn)代電子裝置的需求促進(jìn)了微電子技術(shù)的發(fā)展。IC芯片的特征尺寸不斷縮小，現(xiàn)已達(dá)到深亞微米水平；IC芯片的集成規(guī)模迅速擴(kuò)大，目前已可在單芯片上實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。隨著IC芯片技術(shù)的發(fā)展，芯片封裝技術(shù)也不斷達(dá)到新的水平。特別值得注意的是1995年以來出現(xiàn)的焊球陣列封裝(BGA)和芯片尺寸封裝(CSP)。BGA的外引線為焊料球，焊球以陣列方式排列在封裝的底面，焊球節(jié)距為1.5-1.0mm，封裝基板可以為陶瓷或PCB。CSP的硅芯片面積和封裝所占印制板面積之比大于80％，外引線可以是引線框架的引線、焊料球或焊料凸點。目前，已可將CSP的焊料凸點直接做在硅圓片的各個芯片上，然后再切割成獨(dú)立的可以直接倒裝焊的IC芯片，這就是最新一代的圓片級封裝(WLP)。

WLP以BGA技術(shù)的基礎(chǔ)。是一種經(jīng)過改進(jìn)和提高的CSP。有人又將WLP稱為圓片級芯片尺寸封裝(WLP-CSP)它不僅充分體現(xiàn)了BGA、CSP的技術(shù)優(yōu)勢，而且是封裝技術(shù)取得革命性突破的標(biāo)志。圓片級封裝技術(shù)采用批量生產(chǎn)工藝制造技術(shù)，可以將封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降，并且把封裝與芯片的制造融為一體，將徹底改變芯片制造業(yè)與芯片封裝業(yè)分離的局面。正因為圓片級封裝技術(shù)有如此重要的意義，所以，它一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注并迅速獲得巨大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。據(jù)報道，圓片級封裝產(chǎn)品，2000年約為20億只，2005年預(yù)計將增長為120億只。[1]可見，增長速度十分驚人。我們對圓片級封裝技術(shù)應(yīng)給以足夠的重視和研究。

2概述

2.1術(shù)語

在討論圓片級封裝技術(shù)時要用到一些術(shù)語。為避免混淆，我們對這些術(shù)語作一簡要說明。

(1)凸點芯片

凸點芯片是指采用焊料凸點實現(xiàn)電氣互連的芯片，而且芯片從圓片上切割下來投入使用時需要進(jìn)行額外的封裝加工。

(2)芯片尺寸封裝

芯片尺寸封裝是由凸點芯片封裝而成，封裝尺寸比芯片尺寸稍微大一些。

(3)圓片級封裝

圓片級封裝具有與芯片相同的尺寸，而且它的封裝加工是在圓片上進(jìn)行的，圓片切割后的單個封裝可直接用于最終的安裝。

(4)圓片級封裝技術(shù)用來加工可直接在最終基板或最終系統(tǒng)平臺上安裝的芯片或器件。

2.2圓片級封裝簡介

一般來說，IC芯片與外部的電氣連接是用金屬引線以鍵合的方式把芯片上的IlO(輸人端口／輸出端口)連至封裝載體并經(jīng)封裝引腳來實現(xiàn)的。IC芯片上的IlO(鋁焊區(qū))通常分布在周邊上。隨著IC芯片特征尺寸的減小和集成規(guī)模的擴(kuò)大，I／O的間距不斷減小、數(shù)量不斷增大。當(dāng)IlO間距減小至70μm以下時，引線鍵合技術(shù)就不再適用，必須尋求新的技術(shù)途徑。圓片級封裝技術(shù)利用薄膜再分布工藝，使I/O可以分布在IC芯片的整個表面上而不再僅僅局限于窄小的IC芯片的周邊區(qū)域，從而成功解決了上述高密度、細(xì)間距I/O芯片的電氣連接問題。傳統(tǒng)封裝技術(shù)是以圓片劃片后的單個芯片為加工目標(biāo)，封裝過程在芯片生產(chǎn)線以外的封裝廠或封裝生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行。圓片級封裝技術(shù)截然不同，它是以圓片為加工對象，直接在圓片上同時對眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，其封裝的全過程都在圓片生產(chǎn)廠內(nèi)運(yùn)用芯片的制造設(shè)備完成，使芯片的封裝、老化、測試完全融合在圓片生產(chǎn)流程之中。封裝好的圓片經(jīng)切割所得到的單個IC芯片，可直接貼裝到基板或印制電路板上。由此可見，圓片級封裝技術(shù)是真正意義上的批量生產(chǎn)芯片封裝技術(shù)。

圓片級封裝是尺寸最小的低成本封裝。它像其它封裝一樣，為IC芯片提供電氣連接、散熱通路、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)，并能滿足表面貼裝的要求。圓片級封裝成本低與多種因素有關(guān)。第一，它是以批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造的；第二，圓片級封裝生產(chǎn)設(shè)施的費(fèi)用低，因為它充分利用了圓片的制造設(shè)備，無須投資另建封裝生產(chǎn)線；第三，圓片級封裝的芯片設(shè)計和封裝設(shè)計可以統(tǒng)一考慮、同時進(jìn)行，這將提高設(shè)計效率，減少設(shè)計費(fèi)用；第四，圓片級封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個過程中，中間環(huán)節(jié)大大減少，周期縮短很多，這必將導(dǎo)致成本的降低。此外，應(yīng)注意圓片級封裝的成本與每個圓片上的芯片數(shù)量密切相關(guān)。圓片上的芯片數(shù)越多，圓片級封裝的成本也越低。

圓片級封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點技術(shù)等兩大基礎(chǔ)技術(shù)。前者用來把沿芯片周邊分布的鋁焊區(qū)轉(zhuǎn)換為在芯片表面上按平面陣列形式分布的凸點焊區(qū)。后者用于在凸點焊區(qū)上制作凸點，形成焊球陣列。

3 I／O數(shù)與芯片尺寸

當(dāng)沿芯片周邊分布的I／O轉(zhuǎn)換為在芯片整個表面上呈陣列分布的IlO時，能設(shè)置的I／O數(shù)將大大增加，設(shè)置IlO的方式也很靈活、多樣。對于高IlO數(shù)芯片，可在整個芯片表面設(shè)置焊球陣列。對于I／O數(shù)較低的芯片，可選擇芯片表面的部分區(qū)域設(shè)置焊球。

對于復(fù)雜的高IlO數(shù)IC芯片而言，芯片的尺寸取決于IlO的密度，而不取決于電路的規(guī)模。芯片的尺寸與I／O數(shù)有著極為密切的關(guān)系。當(dāng)我們要確定一種IC芯片能否采用圓片級封裝時，必須對芯片上鋁焊區(qū)的數(shù)目和要求的焊球(凸點)的節(jié)距進(jìn)行分析，要弄清楚芯片表面是否有足夠面積容納所需的I／O數(shù)。圖1給出了周邊分布I／O(節(jié)距為100μm)和陣列分布I/O(節(jié)距為250μm)兩種情況下，方形芯片邊長與I/O數(shù)的關(guān)系曲線。[2]從圖中可以看出，周邊分布時，芯片的邊長隨I／O數(shù)的上升而急劇變大；陣列分布時，芯片的邊長隨I／O數(shù)的增長僅僅是緩慢地變大。圖中的比較充分說明了I／O陣列分布的優(yōu)越性。像CSP一樣，圓片級封裝也是按SMT(表面貼裝)所要求的0．8mm、0．75mm、0．65mm、0．5mm等節(jié)距來制造陣列分布I／O的。圖2給出了這四種節(jié)距情況下，方形芯片邊長與陣列分布I／O數(shù)的關(guān)系曲線。[3]圖中的曲線表明，節(jié)距為0.8mm-0.5mm時，芯片尺寸可容納的陣列分布I／0數(shù)。同樣的芯片尺寸，節(jié)距越小，可設(shè)置的陣列分布I／O數(shù)也越多。當(dāng)SMT采用0．5mm、0．4mm這類較小的節(jié)距時，采用同樣節(jié)距的圓片級封裝的I／O數(shù)也將大幅度增加，從而使種類更多的IC芯片適合使用圓片級封裝。根據(jù)匯芯片的尺寸、I／O數(shù)和陣列分布I／0的節(jié)距要求，可以用圖2的曲線來初步評估該IC芯片采用圓片級封裝是否可行。

4 圓片級封裝的基礎(chǔ)技術(shù)

4.1薄膜再分布技術(shù)

薄膜再分布技術(shù)是指在IC圓片上，將各個芯片按周邊分布的I／O鋁焊區(qū)，通過薄膜工藝的再布線，變換成整個芯片上的陣列分布焊區(qū)并形成焊料凸點的技術(shù)。它不僅生產(chǎn)成本低，而且能完全滿足批量生產(chǎn)便攜式電子裝置板級可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求，是目前應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。K&S公司、Apack公司、UnitiveElectronics公司、Fraunhoferlnstitute公司和Amkor公司是應(yīng)用薄膜再分布技術(shù)的代表性公司。

常規(guī)工藝制成的IC圓片經(jīng)探針測試分類并給出相應(yīng)的標(biāo)記后就可用于圓片級封裝。在封裝之前，首先要對IC芯片的設(shè)計布局進(jìn)行分析與評價，以保證滿足陣列焊料凸點的各項要求。其次，要進(jìn)行再分布布線設(shè)計。再分布布線設(shè)計分為初步設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計兩個階段進(jìn)行。初步設(shè)計是將芯片上的I／O鋁焊區(qū)通過布線再分布為陣列焊區(qū)，目的在于證實圓片級封裝的可行性。按初步設(shè)計制造的圓片級封裝，在設(shè)計、結(jié)構(gòu)、成本等方面不一定是最佳的。圓片級封裝的可行性將到驗證之后，就可將初步設(shè)計階段轉(zhuǎn)入改進(jìn)設(shè)計階段。在這一階段，要對初步設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計信號線、電源線和接地線，簡化工藝過程及相關(guān)設(shè)備，以求獲得生產(chǎn)成本最低的再分布布線設(shè)計。

薄膜再分布技術(shù)的具體工藝過程比較復(fù)雜，而且隨著IC芯片的不同而有所變化，但一般都包含以下幾個基本的工藝步驟：

①在IC圓片上涂復(fù)金屬布線層間介質(zhì)材料；

②沉積金屬薄膜并用光刻方法制備金屬導(dǎo)線和所連接的凸點焊區(qū)。這時，IC芯片周邊分布、小至幾十微米的鋁焊區(qū)就轉(zhuǎn)成陣列分布的幾百微米大的凸點焊區(qū)，而且鋁焊區(qū)和凸點焊區(qū)之間有金屬導(dǎo)線相連接；

③在凸點焊區(qū)沉積UBM(凸點下金屬層)；

④在UBM上制作焊料凸點。

4.2凸點技術(shù)

焊料凸點通常為球形。制備焊球陣列的方法有三種：

①應(yīng)用預(yù)制焊球；
②絲網(wǎng)印刷；
③電化學(xué)沉積(電鍍)。

當(dāng)焊球節(jié)距大于7001μm時，一般采用預(yù)制焊球的方法。絲網(wǎng)印刷法常用于焊球節(jié)距約為200μm的場合。電化學(xué)沉積法可以在光刻技術(shù)能分辨的任何焊球節(jié)距下沉積凸點。因此，電化學(xué)沉積法比其它方法能獲得更小的凸點和更高的凸點密度。采用上述三種方法制備的焊料凸點，往往都須經(jīng)回流焊形成要求的焊球。

圓片級封裝是一種表面貼裝器件，對焊球陣列有嚴(yán)格的工藝要求。首先，在芯片和圓片范圍內(nèi)，焊球的高度都要有很好的一致性，以獲得良好的焊球"共面性"。共面性是表面貼裝的重要要求。只有共面性好，才能使圓片級封裝的各個焊球與印制板間同時形成可靠的焊點連接。其次，焊球的合金成分要均勻，不僅要求單個焊球的成分要均勻，而且要求各個焊球的成分也要均勻一致。焊球材料成分均勻性好，回流焊特性的一致性也會好。 焊點連接的可靠性同焊料量的多少有密切的關(guān)系。焊點的高度和直徑增加時，將使熱疲勞壽命提高。焊點連接的可靠性對焊球的直徑有一定的要求。對于節(jié)距為0．75-0．8mm的IC器件來說，焊球的直徑通常為0．5mm。當(dāng)節(jié)距減至0．5mm時，焊球直徑將減小到0．30-0．35mm。

目前，用得最多的焊球合金材料是Sn／Pb共晶焊料。還使用一些其它焊球合金材料，例如，用于大功率鍵合的高Pb(95Pb／Sn)合金，用于環(huán)保"綠色"產(chǎn)品的無Pb合金等。

5圓片級封裝的可靠性

當(dāng)需要對一種新型圓片級封裝技術(shù)進(jìn)行評價時，封裝制造廠應(yīng)向用戶提供必要的可靠性資料。如果未提供，用戶應(yīng)向封裝制造廠索取。焊點的典型失效機(jī)理、可靠性試驗的條件等都應(yīng)包括在所提供的可靠性資料之中。封裝制造廠要開展試驗與研究來確定焊點最常見的失效機(jī)理。焊料疲勞、銹蝕和電遷移就是這類失效機(jī)理的典型代表。應(yīng)注意可靠性試驗條件詳細(xì)資料的提供。OEM(原設(shè)備制造)廠商的要求可能因終端應(yīng)用的不同而有很大的變化，甚至同類應(yīng)用也會有不完全相同的要求。以蜂窩電話的熱循環(huán)要求為例，一種用戶可能要求-40℃~125℃、500次循環(huán)，而另一種用戶就可能要求0~100℃、800次循環(huán)。與此相似，DRAM-SRAM的要求為-40℃~100℃、600~1000次循環(huán)，具體循環(huán)次數(shù)由用戶確定。

進(jìn)行可靠性試驗時，有幾個問題需要特別注意。擬定的失效判據(jù)必須合理，試驗樣本的大小應(yīng)恰當(dāng)。具有統(tǒng)計意義的樣本量，是每個試驗組選取22、45或77個樣品。這樣的樣本量可以提高試驗結(jié)果的置信度。較小的樣本所得到的試驗數(shù)據(jù)可以用于可靠性的初步評估，但不能用來評價項目總的可靠性特性。另外，要正確區(qū)分熱循環(huán)試驗與熱沖擊試驗的差別，不要將二者相混淆。熱循環(huán)試驗采用單工作室系統(tǒng)，以不超過10~15℃／分的溫度變化率在兩個溫度極值之間往復(fù)進(jìn)行。通過熱循環(huán)試驗可以獲得焊點的蠕變失效隨時間變化的關(guān)系。這一試驗結(jié)果與現(xiàn)場觀察到的失效模型完全一致。熱循環(huán)試驗的溫度變化率比較接近實際情況，可以用來模擬應(yīng)用現(xiàn)場。熱沖擊試驗是專門為具有不同結(jié)構(gòu)和不同失效模式的各種封裝而設(shè)置的，其溫度變化率為0~25℃/分。利用熱沖擊試驗可以了解焊點的彈性形變和塑性形變隨時間變化的關(guān)系。這些形變可引發(fā)早期失效。鑒于上述情況，圓片級封裝、芯片尺寸封裝和焊球陣列封裝都不宜采用熱沖擊試驗而應(yīng)選用溫度循環(huán)試驗。溫度循環(huán)試驗數(shù)據(jù)必須用 可靠性工程分析方法進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，才能獲取有用的可靠性數(shù)據(jù)和信息。應(yīng)當(dāng)指出，為了揭示失效機(jī)理，封裝級試驗和板級試驗都必須進(jìn)行，單獨(dú)作封裝試驗是不行的。表1列出了一種美國圓片級封裝產(chǎn)品封裝級與板級的可靠性試驗結(jié)果。[3]

表1 UCSP75型圓片級封裝（節(jié)距0.75mm,6×8I/O)規(guī)范類別失效機(jī)理試驗方法試驗條件試驗結(jié)果（失效芯片數(shù)/總芯片數(shù)）封裝級焊料疲勞熱循環(huán)-65℃/150℃,1000次0/77腐蝕高壓蒸煮121℃,2個大氣壓，100%RH，168小時0/77板級焊料疲勞在FR4板上進(jìn)行熱循環(huán)-40℃/125℃,1000次0/154電遷移，熱遷移高溫工作壽命15mA,1000小時，Tj=150℃,Ta=125℃0/239金屬間化合物生成過多高溫貯存150℃,1000小時0/228腐蝕85℃,85%RH85℃，85%RH，5V偏壓，1000小時0/221

6 圓片級封裝技術(shù)的應(yīng)用

圓片級封裝技術(shù)已廣泛用于集成電路和集成無源元件。當(dāng)器件的鍵合引線和封裝載體所占的空間成為應(yīng)用上考慮的重點或鍵合弓I線的微小電感影響射頻應(yīng)用和調(diào)整應(yīng)用時，選用圓片級封裝技術(shù)是十分適宜的。采用圓片級封裝技術(shù)的Ic器件相當(dāng)廣泛，包括閃速存儲器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驅(qū)動器、射頻器件、邏輯器件、電源／電池管理器件和模擬器件(穩(wěn)壓器、溫度傳感器、控制器、運(yùn)算放大器、功率放大器等)。此外，集成無源元件也在采用圓片級封裝技術(shù)。據(jù)報道，[3]Ericsson公司的藍(lán)牙耳機(jī)中使用了多個圓片級封裝的集成無源元件。目前，大多數(shù)圓片級封裝器件的I／O數(shù)還較少。不過，圓片級封裝技術(shù)正在迅速發(fā)展，將很快就能滿足高I／O數(shù)器件封裝的需要。

7圓片級封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

圓片級封裝技術(shù)要努力降低成本，不斷提高可靠性水平，擴(kuò)大在大型IC方面的應(yīng)用。在焊球技術(shù)方面，將開發(fā)無Pb焊球技術(shù)和高Pb焊球技術(shù)。隨著IC圓片尺寸的不斷擴(kuò)大和工藝技術(shù)的進(jìn)步，IC廠商將研究與開發(fā)新一代圓片級封裝技術(shù)，這一代技術(shù)既能滿足300mm圓片的需要，又能適應(yīng)近期出現(xiàn)的銅布線技術(shù)和低介電常數(shù)層間介質(zhì)技術(shù)的要求。此外，還要求提高圓片級封裝處理電流的能力和承受溫度的能力。WLBI(圓片級測試和老化)技術(shù)也是需要研究的重要課題。WLBI技術(shù)是要在IC圓片上直接進(jìn)行電氣測試和老化，這對圓片級封裝簡化工藝流程和降低生產(chǎn)成本都具有重要的意義。

8 結(jié)束語

圓片級封裝技術(shù)是低成本的批量生產(chǎn)芯片封裝技術(shù)。圓片級封裝與芯片的尺寸相同，是最小的微型表面貼裝器件。由于圓片級封裝的一系列優(yōu)點，它在移動電話、筆記本電腦、電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PDA等現(xiàn)代電子裝置中獲得了日益廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代電子裝置的發(fā)展正推動著圓片級封裝技術(shù)迅速進(jìn)步。世界著名的半導(dǎo)體公司都十分重視圓片級封裝技術(shù)的研究與開發(fā)。Atmel、Bourns、California MicroDevices、Dallas Semiconductor、Fairchild、富士通、日立；International Rectifier、Maxim、Micron、三菱、National Semiconductor、NEC、OKI、Philips、STMicroelectronics、Texaslnstruments、Xicor等眾多半導(dǎo)體廠商都向市場供應(yīng)圓片級封裝產(chǎn)品。這充分反映了圓片級封裝技術(shù)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的重要地位。我們必須抓住機(jī)遇，高度重視圓片級封裝技術(shù)的研究和開發(fā)。

本文摘自《電子與封裝》

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