摘要：本文論述了圓片級封裝的發(fā)展、優(yōu)勢、種類、應(yīng)用、研究課題及產(chǎn)業(yè)化注意事項。

1 引言

現(xiàn)代電子裝置的小型化、輕量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化，推動著微電子技術(shù)的進步與發(fā)展。IC芯片的特征尺寸不斷縮小，現(xiàn)已達到深亞微米級水平；IC圓片的尺寸逐漸增大，當前正從200mm向300mm直徑的圓片發(fā)展；IC芯片的集成規(guī)模迅速擴大，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)也不斷達到新的水平。

在眾多的新型封裝技術(shù)中，圓片級封裝技術(shù)最具創(chuàng)新性、最受世人矚目，是封裝技術(shù)取得革命性突破的標志。圓片級封裝技術(shù)以圓片為加工對象，在圓片上同時對眾多芯片進行封裝、老化、測試，最后切割成單個器件。它使封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降。圓片級封裝技術(shù)的優(yōu)勢使其一出現(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。在移動電話等便攜式產(chǎn)品中，已普遍采用圓片級封裝型的EPROM、IPD(集成無源器件)、模擬芯片等器件。采用圓片級封裝的器件門類正在不斷增多。美國國際整流器公司最近就推出了供小型化裝置使用的圓片級封裝型功率MOSFET器件。圓片級封裝技術(shù)是一項正在迅速發(fā)展的新技術(shù)。為了提高圓片級封裝的適用性并擴大其應(yīng)用范圍，人們正在研究和開發(fā)各種新型技術(shù)同時解決產(chǎn)業(yè)化過程中出現(xiàn)的問題。我們對圓片級封裝技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和發(fā)展進行研究，無疑是有意義的。

2 圓片級封裝的誕生

圓片級封裝起源于倒裝芯片。圓片級封裝的開發(fā)進程由集成器件制造商(IDM)率先啟動。1964年，美國IBM公司在其M360計算機中最先采用了FCOB焊料凸點倒裝芯片器件。1969年，美國Delco公司在汽車中使用了焊料凸點器件。上世紀70年代，NEC、日立等日本公司開始在一股計算機和超級計算機中采用FCOB器件。到了上世紀90年代，世界上成立了諸如Kulicke and Soffa's Flip Chip Division、Unitive、Fujitsu Tohoku Electronics、IC Interconnect等眾多圓片凸點商業(yè)制造公司，它們擁有的基礎(chǔ)技術(shù)是電鍍工藝與焊膏工藝。這些公司利用凸點技術(shù)和薄膜再分布技術(shù)開發(fā)了圓片級封裝技術(shù)。FCD公司和富上通公司的超級CSP(Ultra CSP與Supper CSP)是首批進入市場的圓片級封裝產(chǎn)品。

1999年，圓片凸點商業(yè)制造公司開始給主要的封裝配套廠商發(fā)放技術(shù)許可證。這樣，倒裝芯片和圓片級封裝也就逐漸在世界各地推廣開來。例如，臺灣的ASE公司和Siliconware公司以及韓國的Amkor公司就是按照FCD公司的技術(shù)授權(quán)來制造超級CSP(Ultra CSP)的。

3 圓片級封裝的優(yōu)勢

二十世紀九十年代以來，微電子封裝技術(shù)蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了焊球陣列封裝、芯片尺寸封裝、同片級封裝(WLP)等多種新型封裝。圓片級封裝以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過改進和提高的CSP，充分體現(xiàn)了BGA、CSP的技術(shù)優(yōu)勢。它具有許多獨特的優(yōu)點：①封裝加工效率高，它以圓片形式的批量生產(chǎn)工藝進行制造；②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點，即輕、薄、短、??；③圓片級封裝生產(chǎn)設(shè)施費用低，可充分利用圓片的制造設(shè)備，無須投資另建封裝生產(chǎn)線；④圓片級封裝的芯片設(shè)計和封裝設(shè)計可以統(tǒng)一考慮、同時進行，這將提高設(shè)計效率，減少設(shè)計費用；⑤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；⑥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。圓片級封裝是尺寸最小的低成本封裝。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)。

為了更全面地了解圓片級封裝的優(yōu)點，我們在表1對倒裝芯片封裝(FCP)、芯片尺寸封裝(CSP)和圓片級封裝(WLP)的各種特性進行了比較。由此可見，圓片級封裝在成本、封裝尺寸、電性能、可組裝性、可批量生產(chǎn)性等方面與其它兩種封裝相比具有綜合優(yōu)勢。倒裝芯片雖然在封裝尺寸、傳輸速度等方面的優(yōu)點突出，但因芯片與基板的組裝方面仍然存在一些問題，在推廣應(yīng)用上受到一定的限制。因此，人們普遍認為，圓片級封裝技術(shù)是最有發(fā)展前途、十分重要的IC芯片封裝技術(shù)。

4 圓片級封裝的種類

圓片級封裝最初的結(jié)構(gòu)形式較多，后來只剩幾種可靠性好、易于制造的封裝類型。這些封裝類型都是由少數(shù)幾家有實力的制造廠商進行生產(chǎn)。生產(chǎn)最多的圓片級封裝是圖1所示的薄膜型圓片級封裝。這種封裝是由FCD、Unitive、IC Interconnect等公司利用薄膜再分布技術(shù)與焊料凸點技術(shù)制造的。制造這種封裝時，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)。在陣列分布焊區(qū)上均勻制作了凸點下金屬化層(UBM層)。接著把直徑0.3mm～0.5mm的焊料球放置在UBM層上，然后進行回流焊，這就完成了封裝焊球陣列的制造。這種圓片級封裝在外觀上與一般的倒裝芯片封裝十分相似，但其設(shè)汁原理、結(jié)構(gòu)和制造方法卻與倒裝芯片封裝完全不同。薄膜型圓片級封裝可以采用大節(jié)距和大焊料球，而倒裝芯片封裝就不能這樣做。

卡西歐、富士通、精工等日本公司生產(chǎn)另外一種銅凸點型圓片級封裝(Copper-posttype WLP)，如圖2所示。銅凸點圓片級封裝的結(jié)構(gòu)與薄膜型圓片級封裝不同。它的陣列焊區(qū)上制作有約100mm高的柱形銅凸點。每個銅凸點的端面上設(shè)置有UBM層。除了端面外，銅凸點的其余部份均涂覆環(huán)氧樹脂.大焊料球制作在銅凸點的UBM層上。

在市場上還可見到一些其它結(jié)構(gòu)形式的圓片級封裝。以色列生產(chǎn)的殼型BGA(Shell BGA)就是一個例子。這種封裝是由殼形外殼(Shell case)演變而來。殼型BGA圓片級封裝芯片有一面用透光的玻璃作防護層。它廣泛用于CCD、CMOS等圖像傳感器這類光學(xué)元件之中。

5 圓片級封裝的應(yīng)用

尺寸小、成本低是圓片級封裝獲得廣泛應(yīng)用的兩個主要原因。圓片級封裝的尺寸小，是真正意義上的芯片尺寸封裝，特別適合便攜式裝置使用。現(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)圓片級封裝器件都用在手機、PDA(個人數(shù)字助理)、便攜式計算裝置以及其它便攜式無線裝置之中。

便攜式裝置屬于消費類產(chǎn)品，對成本的要求十分嚴格。在其生產(chǎn)過程中，通常是把圓片級封裝安裝在低成本的普通印制板(PCB)上。這種PCB板布線精度低，一般只能使用0.5mm以上的大節(jié)距圓片級封裝。另一方面，圓片級封裝通常采用不具備下填充工藝的常規(guī)SMT技術(shù)來進行安裝。這樣一來，熱循環(huán)試驗的可靠性要求對圓片級封裝所能包封的芯片尺寸的大小就提出了限制。而且，要求硅與安裝基板(有機多層板或陶瓷多層板)的熱膨脹系數(shù)要十分一致，匹配良好。大尺寸芯片在熱循環(huán)試驗中產(chǎn)生的形變與應(yīng)力都比小尺寸芯片大，焊料球容易出現(xiàn)疲勞和失效。因此，0.5mm節(jié)距的圓片級封裝通常僅適用于I／O數(shù)為4～36的器件。

像IPD、EEPROM和功率MOSFET等多種大批生產(chǎn)的小芯片器件也在采用圓片級封裝技術(shù)。在一種Handspring VisorEdge PDA中，就使用了四個圓片級封裝的防靜電IPD器件。

日本卡西歐公司已把多功能圓片級封裝器件用在手表、袖珍照相機等超小型產(chǎn)品之中。在卡西歐彩色數(shù)碼袖珍照相機中就采用了兩個圓片級封裝器件：一個是I／O數(shù)為109、節(jié)距為0.5mm的圓片級封裝CPU；另一個是I／O數(shù)為48、節(jié)距為0.5mm的8Mb圓片級封裝快閃存儲器。

圓片級封裝技術(shù)當前還只能適用于I/O數(shù)不高的芯片，而且成本也有待降低。這樣，圓片級封裝技術(shù)在小型化、低成本裝置和產(chǎn)品的應(yīng)用方面，并不能完全取代其它先進的封裝技術(shù)，而是各有其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。每一種先進的封裝技術(shù)都有其獨特的優(yōu)點，對某種具體應(yīng)用場合可能特別適用。

FCBGA(倒裝芯片焊球陣列)封裝技術(shù)適合中、低I／O數(shù)器件使用，但成本較高。隨著這種技術(shù)的推廣應(yīng)用，產(chǎn)品銷量的擴大，成本自然會不斷降低。另外，疊層芯片封裝(Stacked die package)技術(shù)也是一種頗具優(yōu)勢的技術(shù)。其封裝的硅效率為圓片級封裝技術(shù)的2～3倍，能實現(xiàn)ASIC、SRAM、快閃存儲器等多種功能器件的集成，并用低成本引線鍵合焊球陣列工藝批量生產(chǎn)。Intel、夏普、富士通等公司均在大批生產(chǎn)5芯片的疊層芯片封裝。僅Intel公司一家向市場提供的疊層芯片封裝。僅Intel公司一家向市場提供的疊層芯片封裝器件就有上百萬個之多。此外，引線鍵合型的芯片尺寸封裝(CSP)與焊球陣列封裝(BGA)門類較多，品種規(guī)格較全，而且價格便宜。雖然這兩種封裝的尺寸比圓片級封裝大，但卻能滿足許多便攜式裝置對小型化的要求。最近，日本開發(fā)了一種先進的2.5G手機。這種手機僅僅采用引線鍵合型的芯片尺寸封裝與焊球陣列封裝就實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化以及彩色顯示、MP3播放、上網(wǎng)漫游等多種優(yōu)異功能，完全沒有采用圓片級封裝這類最先進的封裝。由此可見，在具體應(yīng)用場合究竟選用什么樣的封裝類型，要根據(jù)使用要求來確定，不一定是越先進越好。在應(yīng)用圓片級封裝時也應(yīng)充分注意這一點。

6 圓片級封裝的研究課題

為了提高圓片級封裝的適用性、進一步擴大應(yīng)用范圍，有幾個技術(shù)問題有待研究與解決。

6.1 凸點的可靠性

目前，圓片級封裝技術(shù)用于高I／O數(shù)大尺寸焊球陣列器件時，在熱循環(huán)試驗中凸點形式的焊料球存在疲勞失效的可靠性問題。這就限制了圓片級封裝的應(yīng)用?，F(xiàn)在，人們正在開發(fā)幾種不使用下填充工藝的新技術(shù)來提高凸點的可靠性。例如，美國Kulicke & Soffa公司采用在凸點底部四周制作聚合物加固層的辦法來改進凸點的可靠性。這種聚合物加固層減小了焊料凸點的形變和應(yīng)力，提高了焊料凸點抗疲勞的壽命。該公司一種0.5mm節(jié)距、10×10焊球陣列的圓片級封裝采用這種加固技術(shù)之后，其熱循環(huán)試驗的可靠性指標提高了64％。

6.2 圓片級老化與測試

圓片級老化與測試技術(shù)是在IC圓片上直接進行老化和電氣測試，這對圓片級封裝簡化工藝流程和降低成本都具有重要的意義。圓片級老化與測試技術(shù)涉及功率分布、電氣接觸、熱匹配、成本等諸多問題。圓片級封裝技術(shù)要在一種新門類器件上獲得應(yīng)用，是否建立了適合該類器件且成本低廉的圓片級老化與測試技術(shù)是十分關(guān)鍵的。目前，僅有存儲器、MEMS等I／O數(shù)較低的器件能夠使用圓片級老化與測試技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，使用圓片級老化與測試技術(shù)的器件門類將會逐漸增加。

6.3 圓片減薄

硅與安裝基板熱膨脹系數(shù)匹配不良是封裝焊料球在熱循環(huán)試驗及現(xiàn)場使用中產(chǎn)生疲勞失效的重要原因。另外，這種失效也與每個元件自身的強度如何密切相關(guān)。芯片越薄，柔性也越好，焊料球抗疲勞的性能必將得到提高。因此，將圓片減薄并由此減小芯片厚度，也是改進焊料凸點可靠性的重要措施之一。在圓片級封裝加工之前減薄圓片，容易使圓片變形甚至破碎，這是不可取的。在圓片級封裝加工完成之后進行圓片減薄是一種較好的辦法，但實施起來比較困難。供圓片級封裝制造用的圓片和減薄技術(shù)和設(shè)備正在開發(fā)之中。

6.4 圓片用可再流非流動下填充技術(shù)

大家知道，下填充(Underfill)技術(shù)可以提高倒裝芯片器件焊球陣列抗疲勞的性能。然而，這種技術(shù)成本高，不適合一般的表面安裝工藝使用，希望在制造圓片級封裝的圓片階段就直接使用下填充技術(shù)。這樣制得圓網(wǎng)片級封裝器件既具有下填充帶來的焊料球可靠性高的優(yōu)點，又不需要對標準表面安裝生產(chǎn)線作任何改變就可使用。這無疑是一種低成本的技術(shù)解決方案。人們將這種解決方案稱為圓片用可再流非流動下填充[Wafer-Applied Refloable ( NoFlow Underfill )]技術(shù)。日前，人們正在大力研究開發(fā)這種技術(shù)。

6.5 印制板的設(shè)計和成本

縮小圓片級封裝的節(jié)距可以減小焊球陣列的尺寸，改進焊料球的抗疲勞性能。日本公司正在把圓片級封裝的標準節(jié)距從0.5mm減小至0.4mm甚至更小。圓片級封裝的節(jié)距越小，對印制板的要求也越高。圓片級封裝節(jié)距的精細化導(dǎo)致印制板成本大幅度上升。印制板過于昂貴成了精細節(jié)距圓片級封裝推廣應(yīng)用的制約因素。如何降低印制板的設(shè)計、制造費用，已成為重要的研究課題。當前，業(yè)界正集中力量開發(fā)0.4mm節(jié)距圓片級封裝用的低成本印制板。

6.6 封裝低成本化

圓片級封裝獲得廣泛應(yīng)用的原因，一是尺寸小，二是成本低。但是，圓片級封裝的低成本優(yōu)勢當前只有在芯片尺寸小、芯片的I／O數(shù)不高的條件下才能實現(xiàn)。芯片尺寸小，每個圓片上的芯片數(shù)多，每個芯片分攤的生產(chǎn)成本就低。這是圓片級封裝用圓片方式進行批量生產(chǎn)的特點決定的。焊料球的制作成本是圓片級封裝成本的重要組成部分。焊料球數(shù)量越多，制作成本越高。芯片的I／O數(shù)少，焊料球數(shù)量少，制作成本較低。

人們正在開發(fā)各種技術(shù)，使圓片級封裝技術(shù)在大尺寸、多功能芯片上獲得應(yīng)用。芯片尺寸大、I／O數(shù)高，圓片級封裝的制造成本急劇上升。在這種情況下，圓片級封裝生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢就無法體現(xiàn)，應(yīng)用推廣也受到了限制。如何降低大尺寸、高I／O數(shù)芯片圓片級封裝的成本是一個重要的研究課題，開發(fā)工作正在積極地進行。

7 圓片級封裝技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

圓片級封裝技術(shù)的研究與開發(fā)無疑是重要的。但是，將這些技術(shù)盡快推廣應(yīng)用、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也是很關(guān)鍵的。為了加快圓片級封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有許多問題需要研究與解決。

7.1 重視知識產(chǎn)權(quán)(IP)轉(zhuǎn)讓工作

圓片級封裝的各種實用技術(shù)是所屬公司的知識產(chǎn)權(quán)。為了廣泛推廣這些技術(shù)，應(yīng)通過發(fā)放技術(shù)許可證等方式積極開展知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)讓工作。這是圓片級封裝技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。這項工作將直接影響技術(shù)推廣的速度與范圍。

7．2 建立多家商業(yè)性圓片級封裝代工廠商

產(chǎn)品生產(chǎn)批量大、實力雄厚的公司大都自己建立生產(chǎn)線進行圓片級封裝器件的生產(chǎn)。存儲器生產(chǎn)廠、集成器件廠商(IDM)就是如此。但是，有許多公司產(chǎn)品批量不大，無力投資生產(chǎn)設(shè)施，卻需要加工圓片級封裝器件。這類規(guī)模較小的公司希望有商業(yè)性圓片級封裝代工廠商為它們進行委托加工服務(wù)。即使那些有自己的圓片級封裝生產(chǎn)線的大型廠商，也希望有商業(yè)性圓片級封裝代工廠作為其產(chǎn)品的另外一個加工場所，以便提高市場應(yīng)變能力。因此，建立多家商業(yè)性圓片級封裝代工廠、提供靈活多樣的服務(wù)，是必要的、有重要意義的。

為了提高代工服務(wù)的質(zhì)量與效率，商業(yè)性圓片級封裝代工廠的廠址要慎重選擇。要高效率地把圓片從芯片生產(chǎn)廠發(fā)往圓片級封裝生產(chǎn)線、再到測試生產(chǎn)線，需要有良好的后勤保障能力。后勤保障能力是確定商業(yè)性圓片級封裝代工廠廠址的決定性因素。圓片級封裝代工廠必須位于集成器件廠商和IC圓片代工廠商附近，而且要求交通方便、設(shè)施完善。這樣就可保證從芯片制造廠來的器件經(jīng)測試到發(fā)貨的整個過程高速運行。

7.3 加強標準化

圓片級封裝結(jié)構(gòu)的標準化和技術(shù)的標準化對促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重要作用。圓片級封裝的標準化不僅可以縮短產(chǎn)品的入市時間而且當產(chǎn)品變換生產(chǎn)廠家時可減少重新認證的工作量。

8 結(jié)束語

圓片級封裝技術(shù)在現(xiàn)代電子裝置小型化、低成本化需求的推動下，正在蓬勃向前發(fā)展。當前，圓片級封裝技術(shù)通常適用于I／O數(shù)低的小尺寸芯片。業(yè)界還需要開發(fā)新的技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，發(fā)展大尺寸芯片的圓片級封裝和精細節(jié)距焊球陣列圓片級封裝。

現(xiàn)代電子裝置選擇封裝類型時，既要滿足設(shè)計要求又要成本最低?，F(xiàn)有水平的圓片級封裝還只是一種可供選擇的封裝類型。要使圓片級封裝技術(shù)成為未來量大面廣的產(chǎn)品主流制造技術(shù)，還有許多工作要做。