倒裝芯片和芯片級封裝的由來

導語

在更小、更輕、更薄的消費產(chǎn)品趨勢的推動下，越來越小的封裝類型已經(jīng)開發(fā)出來。事實上，封裝已經(jīng)成為在新設(shè)計中使用或放棄設(shè)備的關(guān)鍵決定因素。本文首先定義了“倒裝芯片”和“芯片級封裝”這兩個術(shù)語，并闡述了晶圓級封裝(WLP)技術(shù)的發(fā)展。接下來討論了使用晶圓級封裝器件的實際方面。討論的主題包括：確定給定器件的倒裝芯片/UCSP封裝的可用性；通過其標記識別倒裝芯片/UCSP；圓片級封裝件的可靠性；尋找適用的可靠性信息。

半導體技術(shù)的進步創(chuàng)造了具有晶體管數(shù)量和功能的芯片，這在幾年前是不可想象的。如果沒有IC封裝同樣令人興奮的發(fā)展，我們今天所知道的便攜式電子產(chǎn)品是不可能實現(xiàn)的。在更小、更輕、更薄的消費產(chǎn)品趨勢的推動下，更小的封裝類型已經(jīng)被開發(fā)出來。最小的封裝將永遠是芯片本身的大小。圖1說明了集成電路從晶圓到單個芯片的步驟。圖2顯示了一個實際的芯片級封裝(CSP)。

芯片尺寸封裝的概念在20世紀90年代發(fā)展起來。在1998年定義的CSP類別中，晶圓級CSP成為各種應(yīng)用的經(jīng)濟選擇，從低引腳數(shù)器件到ASIC和微處理器。CSP器件的制造過程稱為晶圓級封裝(WLP)。WLP的主要優(yōu)點是所有封裝制造和測試都是在晶圓上完成的。WLP的成本隨著晶圓尺寸的增加和芯片的縮小而下降。

圖1 晶圓級封裝(簡化)最終將單個芯片與加工過的晶圓分離

圖2 一個12個凸起的芯片級封裝,其中2個凸起位置未填充

#1命名的由來

Nomenclature

業(yè)界對WLP的命名仍然存在困惑。CSP的晶圓級方法是獨特的，因為封裝內(nèi)部沒有鍵合技術(shù)。進一步的困惑存在于如何稱呼封裝芯片。常用的描述性名稱有:Flip Chip、CSP、芯片級封裝、WLCSP、WL-CSP、Micro SMD、UCSP、凸模和Micro CSP。

“倒裝芯片”和“芯片級封裝”最初是所有類型的晶圓級封裝芯片的同義詞。隨著時間的推移，這二者之間的區(qū)別越來越明顯?！暗寡b芯片”描述的是具有任何形狀的凸點的晶圓級封裝芯片，可以位于任何位置(與邊緣有間隙)。而“芯片級封裝”描述的是晶圓級封裝芯片，其球形凸起位于具有預定義間距的網(wǎng)格上，圖3說明了這些差異。

圖3 顯示芯片級封裝和倒裝芯片封裝之間的典型尺寸和差異

#2晶圓級封裝(WLP)技術(shù)

Wafer-Level Packaging (WLP) Technology

提供WLP零件的供應(yīng)商要么有自己的WLP工廠，要么外包封裝過程。因此，制造過程各不相同，用戶必須滿足的要求也各不相同，以確保最終產(chǎn)品的可靠性。

連接芯片到電路/配線板上的走線的凸起最初是由錫和鉛的共晶合金(Sn63Pb37)制成的。減少電子產(chǎn)品中有害物質(zhì)含量(RoHS)的舉措迫使半導體行業(yè)采用替代品，例如無鉛凸起(Sn96.5Ag3Cu0.5)或高鉛凸起(Pb95Sn5)。每種合金都有自己的熔點，因此，在組件組裝回流過程中需要特定的溫度曲線(在特定溫度下的持續(xù)時間)。

集成電路的設(shè)計是為了提供所需的所有電路功能，并適合一組特定的封裝。芯片上的鍵合墊通過導線鍵合連接到傳統(tǒng)封裝的引腳上。傳統(tǒng)封裝的設(shè)計規(guī)則要求鍵合墊位于芯片的周長。為了避免同一芯片的兩種設(shè)計(一種用于傳統(tǒng)封裝，另一種用于CSP)，通常需要一個再分配層來連接凸起和鍵合墊。

#3設(shè)備標識

Device Identification

大多數(shù)倒裝芯片和UCSP沒有空間用于塑料封裝常見的傳統(tǒng)標記。最小的UCSP(4個凸起)有足夠的空間來放置方向標記和分布在兩行的6個字符的代碼。方向標記還指示封裝是“標準”(共晶凸起)、高鉛(#)還是無鉛(+)，參見圖4。

圖4 倒裝芯片和UCSP標記模板

一旦制造完成，TSV通常會留下輕微的錐度，其中結(jié)構(gòu)底部的通孔更薄。較薄的區(qū)域由于其截面積較小，因此電流密度較大，因此電遷移更有可能首先發(fā)生在那里。結(jié)果會形成空洞，最終導致開路。一旦空洞開始形成，空洞也會成為應(yīng)力集中的區(qū)域，并可能發(fā)生機械斷裂。

#4晶圓級封裝部件的可靠性

Reliability of Wafer-Level Packaged Parts

晶圓級封裝(倒裝芯片和UCSP)代表了一種獨特的封裝形式，通過傳統(tǒng)的機械可靠性測試，其性能可能與封裝產(chǎn)品不一樣。封裝的可靠性與用戶的組裝方法、電路板材料和使用環(huán)境密切相關(guān)。在考慮使用WLP零件時，應(yīng)仔細審查這些問題。通過工作壽命測試和防潮性能保持不變，因為它主要由晶圓制造工藝決定。

機械應(yīng)力性能是WLP更關(guān)注的問題。倒裝芯片和UCSP通過直接焊接接觸連接到用戶的PC板上，因此放棄了封裝產(chǎn)品引線框架的固有應(yīng)力緩解。因此，必須考慮焊點接觸完整性。

#5結(jié)論

Conclusion

如今，倒裝芯片和CSP仍然是一種不斷發(fā)展的新技術(shù)。正在進行的改進將應(yīng)用背面層壓涂層(BSL)，保護模具的非活動面免受光和機械沖擊，并提高在明光場照明下激光打標的可讀性。隨著BSL，應(yīng)該期望減少模具厚度，以保持整體組裝高度不變。此外，重要的是要知道凹凸模WLP的具體合金成分，特別是如果一個設(shè)備沒有廣告和標記為無鉛。一些具有高鉛凸起的器件(Pb95Sn5)已經(jīng)用無鉛電路板組裝回流工藝進行了測試，發(fā)現(xiàn)其兼容性沒有顯著影響其可靠性。帶有共晶SnPb凸起的器件需要類似的共晶SnPb焊膏，與無鉛的組裝環(huán)境并不兼容。 接下來，給各位推薦一個大型行業(yè)技術(shù)交流論壇。

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審核編輯：湯梓紅