摘要：本文論述了圓片級(jí)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(xiàng)。

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(dòng)著微電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。IC芯片的特征尺寸不斷縮小，現(xiàn)已達(dá)到深亞微米級(jí)水平；IC圓片的尺寸逐漸增大，當(dāng)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(kuò)大，目前已可在單芯片上實(shí)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。

在眾多的新型封裝技術(shù)中，圓片級(jí)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(biāo)志。圓片級(jí)封裝技術(shù)以圓片為加工對(duì)象，在圓片上同時(shí)對(duì)眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，最后切割成單個(gè)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(jí)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(dòng)電話等便攜式產(chǎn)品中，已普遍采用圓片級(jí)封裝型的EPROM、IPD(集成無源器件)、模擬芯片等器件。采用圓片級(jí)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(jí)封裝型功率MOSFET器件。圓片級(jí)封裝技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的新技術(shù)。為了提高圓片級(jí)封裝的適用性并擴(kuò)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(shí)解決產(chǎn)業(yè)化過程中出現(xiàn)的問題。我們對(duì)圓片級(jí)封裝技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研究，無疑是有意義的。

2 圓片級(jí)封裝的誕生

圓片級(jí)封裝起源于倒裝芯片。圓片級(jí)封裝的開發(fā)進(jìn)程由集成器件制造商(IDM)率先啟動(dòng)。1964年，美國IBM公司在其M360計(jì)算機(jī)中最先采用了FCOB焊料凸點(diǎn)倒裝芯片器件。1969年，美國Delco公司在汽車中使用了焊料凸點(diǎn)器件。上世紀(jì)70年代，NEC、日立等日本公司開始在一股計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)中采用FCOB器件。到了上世紀(jì)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(diǎn)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(diǎn)技術(shù)和薄膜再分布技術(shù)開發(fā)了圓片級(jí)封裝技術(shù)。FCD公司和富上通公司的超級(jí)CSP(Ultra CSP與Supper CSP)是首批進(jìn)入市場的圓片級(jí)封裝產(chǎn)品。

1999年，圓片凸點(diǎn)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(jí)封裝也就逐漸在世界各地推廣開來。例如，臺(tái)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(jí)CSP(Ultra CSP)的。

3 圓片級(jí)封裝的優(yōu)勢

二十世紀(jì)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(jí)封裝(WLP)等多種新型封裝。圓片級(jí)封裝以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過改進(jìn)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①封裝加工效率高，它以圓片形式的批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造；②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn)，即輕、薄、短、小；③圓片級(jí)封裝生產(chǎn)設(shè)施費(fèi)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(jí)封裝的芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)可以統(tǒng)一考慮、同時(shí)進(jìn)行，這將提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用；⑤圓片級(jí)封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個(gè)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(jí)封裝的成本與每個(gè)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(jí)封裝的成本也越低。圓片級(jí)封裝是尺寸最小的低成本封裝。圓片級(jí)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(jí)封裝的優(yōu)點(diǎn)，我們在表1對(duì)倒裝芯片封裝(FCP)、芯片尺寸封裝(CSP)和圓片級(jí)封裝(WLP)的各種特性進(jìn)行了比較。由此可見，圓片級(jí)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(diǎn)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(rèn)為，圓片級(jí)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(jí)封裝的種類

圓片級(jí)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(shí)力的制造廠商進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)最多的圓片級(jí)封裝是圖1所示的薄膜型圓片級(jí)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(diǎn)技術(shù)制造的。制造這種封裝時(shí)，在IC圓片上，將各個(gè)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(gè)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(diǎn)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(jìn)行回流焊，這就完成了封裝焊球陣列的制造。這種圓片級(jí)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(jí)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(diǎn)型圓片級(jí)封裝(Copper-posttype WLP)，如圖2所示。銅凸點(diǎn)圓片級(jí)封裝的結(jié)構(gòu)與薄膜型圓片級(jí)封裝不同。它的陣列焊區(qū)上制作有約100mm高的柱形銅凸點(diǎn)。每個(gè)銅凸點(diǎn)的端面上設(shè)置有UBM層。除了端面外，銅凸點(diǎn)的其余部份均涂覆環(huán)氧樹脂.大焊料球制作在銅凸點(diǎn)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(jí)封裝。以色列生產(chǎn)的殼型BGA(Shell BGA)就是一個(gè)例子。這種封裝是由殼形外殼(Shell case)演變而來。殼型BGA圓片級(jí)封裝芯片有一面用透光的玻璃作防護(hù)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(jí)封裝的應(yīng)用

尺寸小、成本低是圓片級(jí)封裝獲得廣泛應(yīng)用的兩個(gè)主要原因。圓片級(jí)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?，F(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)圓片級(jí)封裝器件都用在手機(jī)、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、便攜式計(jì)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(fèi)類產(chǎn)品，對(duì)成本的要求十分嚴(yán)格。在其生產(chǎn)過程中，通常是把圓片級(jí)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(jí)封裝。另一方面，圓片級(jí)封裝通常采用不具備下填充工藝的常規(guī)SMT技術(shù)來進(jìn)行安裝。這樣一來，熱循環(huán)試驗(yàn)的可靠性要求對(duì)圓片級(jí)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(jī)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(yàn)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(jí)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(jí)封裝技術(shù)。在一種Handspring VisorEdge PDA中，就使用了四個(gè)圓片級(jí)封裝的防靜電IPD器件。

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

圓片級(jí)封裝技術(shù)當(dāng)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(jí)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(jìn)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(jìn)的封裝技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(kuò)大，成本自然會(huì)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(jí)封裝技術(shù)的2～3倍，能實(shí)現(xiàn)ASIC、SRAM、快閃存儲(chǔ)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(gè)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(jià)格便宜。雖然這兩種封裝的尺寸比圓片級(jí)封裝大，但卻能滿足許多便攜式裝置對(duì)小型化的要求。最近，日本開發(fā)了一種先進(jìn)的2.5G手機(jī)。這種手機(jī)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(shí)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(jí)封裝這類最先進(jìn)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(jìn)越好。在應(yīng)用圓片級(jí)封裝時(shí)也應(yīng)充分注意這一點(diǎn)。

6 圓片級(jí)封裝的研究課題

為了提高圓片級(jí)封裝的適用性、進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，有幾個(gè)技術(shù)問題有待研究與解決。

6.1 凸點(diǎn)的可靠性

目前，圓片級(jí)封裝技術(shù)用于高I／O數(shù)大尺寸焊球陣列器件時(shí)，在熱循環(huán)試驗(yàn)中凸點(diǎn)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(jí)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(diǎn)的可靠性。例如，美國Kulicke & Soffa公司采用在凸點(diǎn)底部四周制作聚合物加固層的辦法來改進(jìn)凸點(diǎn)的可靠性。這種聚合物加固層減小了焊料凸點(diǎn)的形變和應(yīng)力，提高了焊料凸點(diǎn)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(jí)封裝采用這種加固技術(shù)之后，其熱循環(huán)試驗(yàn)的可靠性指標(biāo)提高了64％。

6.2 圓片級(jí)老化與測試

圓片級(jí)老化與測試技術(shù)是在IC圓片上直接進(jìn)行老化和電氣測試，這對(duì)圓片級(jí)封裝簡化工藝流程和降低成本都具有重要的意義。圓片級(jí)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(jí)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(jí)老化與測試技術(shù)是十分關(guān)鍵的。目前，僅有存儲(chǔ)器、MEMS等I／O數(shù)較低的器件能夠使用圓片級(jí)老化與測試技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，使用圓片級(jí)老化與測試技術(shù)的器件門類將會(huì)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(yàn)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(gè)元件自身的強(qiáng)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(jìn)焊料凸點(diǎn)可靠性的重要措施之一。在圓片級(jí)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(jí)封裝加工完成之后進(jìn)行圓片減薄是一種較好的辦法，但實(shí)施起來比較困難。供圓片級(jí)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(dòng)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(jí)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(jí)封裝器件既具有下填充帶來的焊料球可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，又不需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(jì)和成本

縮小圓片級(jí)封裝的節(jié)距可以減小焊球陣列的尺寸，改進(jìn)焊料球的抗疲勞性能。日本公司正在把圓片級(jí)封裝的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距從0.5mm減小至0.4mm甚至更小。圓片級(jí)封裝的節(jié)距越小，對(duì)印制板的要求也越高。圓片級(jí)封裝節(jié)距的精細(xì)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(xì)節(jié)距圓片級(jí)封裝推廣應(yīng)用的制約因素。如何降低印制板的設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用，已成為重要的研究課題。當(dāng)前，業(yè)界正集中力量開發(fā)0.4mm節(jié)距圓片級(jí)封裝用的低成本印制板。

6.6 封裝低成本化

圓片級(jí)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(jí)封裝的低成本優(yōu)勢當(dāng)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(shí)現(xiàn)。芯片尺寸小，每個(gè)圓片上的芯片數(shù)多，每個(gè)芯片分?jǐn)偟纳a(chǎn)成本就低。這是圓片級(jí)封裝用圓片方式進(jìn)行批量生產(chǎn)的特點(diǎn)決定的。焊料球的制作成本是圓片級(jí)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(jí)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(jí)封裝的制造成本急劇上升。在這種情況下，圓片級(jí)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(jí)封裝的成本是一個(gè)重要的研究課題，開發(fā)工作正在積極地進(jìn)行。

7 圓片級(jí)封裝技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

圓片級(jí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也是很關(guān)鍵的。為了加快圓片級(jí)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(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)轉(zhuǎn)讓工作

圓片級(jí)封裝的各種實(shí)用技術(shù)是所屬公司的知識(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)讓工作。這是圓片級(jí)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(xiàng)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(jí)封裝代工廠商

產(chǎn)品生產(chǎn)批量大、實(shí)力雄厚的公司大都自己建立生產(chǎn)線進(jìn)行圓片級(jí)封裝器件的生產(chǎn)。存儲(chǔ)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(jí)封裝器件。這類規(guī)模較小的公司希望有商業(yè)性圓片級(jí)封裝代工廠商為它們進(jìn)行委托加工服務(wù)。即使那些有自己的圓片級(jí)封裝生產(chǎn)線的大型廠商，也希望有商業(yè)性圓片級(jí)封裝代工廠作為其產(chǎn)品的另外一個(gè)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)封裝代工廠廠址的決定性因素。圓片級(jí)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(gè)過程高速運(yùn)行。

7.3 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化

圓片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重要作用。圓片級(jí)封裝的標(biāo)準(zhǔn)化不僅可以縮短產(chǎn)品的入市時(shí)間而且當(dāng)產(chǎn)品變換生產(chǎn)廠家時(shí)可減少重新認(rèn)證的工作量。

8 結(jié)束語

圓片級(jí)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(dòng)下，正在蓬勃向前發(fā)展。當(dāng)前，圓片級(jí)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(jí)封裝和精細(xì)節(jié)距焊球陣列圓片級(jí)封裝。

現(xiàn)代電子裝置選擇封裝類型時(shí)，既要滿足設(shè)計(jì)要求又要成本最低?，F(xiàn)有水平的圓片級(jí)封裝還只是一種可供選擇的封裝類型。要使圓片級(jí)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。