淺析倒裝芯片和晶片級封裝技術及其應用

1引言

半導體技術的進步大大提高了芯片晶體管數量和功能,這一集成規(guī)模在幾年前是無法想象的。因此,如果沒有IC封裝技術快速的發(fā)展,不可能實現(xiàn)便攜式電子產品的設計。在消費類產品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢的推動下,制造商開發(fā)出更小的封裝類型。最小的封裝當然是芯片本身,圖1描述了IC從晶片到單個芯片的實現(xiàn)過程,圖2為一個實際的晶片級封裝(CSP)。

晶片級封裝的概念起源于1990年,在1998年定義的CSP分類中,晶片級CSP是多種應用的一種低成本選擇,這些應用包括EEPROM等引腳數量較少的器件,以及ASIC和微處理器。CSP采用晶片級封裝(WLP)工藝加工, WLP的主要優(yōu)點是所有裝配和測試都在晶片上進行。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的公司, Dallas Semiconductor在1999年便開始銷售晶片級封裝產品。

2命名規(guī)則

業(yè)界在WLP的命名上還存在分歧。CSP晶片級技術非常獨特,封裝內部并沒有采用鍵合方式。封裝芯片的命名也存在分歧。常用名稱有:倒裝芯片(STMicroelectronics和Dallas Semiconductor TM )、CSP、晶片級封裝、WLCSP、WL- CSP、MicroSMD(Na-tional Semiconductor)、UCSP (Maxim Integrated Prod-ucts)、凸起管芯以及MicroCSP(Analog Devices)等。

對于Maxim/Dallas Semiconductor ,“倒裝芯片”和“晶片級封裝”,最初是所有晶片級封裝的同義詞。過去幾年中,封裝也有了進一步地細分。在本文以及所有Maxim資料中,包括公司網站,“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封裝管芯(邊沿有空隙)。“晶片級封裝”是指在間隔規(guī)定好的柵格上有焊球的晶片級封裝管芯。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產品;晶片級封裝尺寸來自各個供應商,包括Maxim。目前, Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片級封裝產品的標稱尺寸如表1所列。

3晶片級封裝(WLP)技術

提供WLP器件的供應商要么擁有自己的WLP生產線,要么外包封裝工藝。各種各樣的生產工藝必須能夠滿足用戶的要求,確保最終產品的可靠性。美國亞利桑那州鳳凰城的FCI、美國北卡羅萊納州的Unitive建立了WLP技術標準,產品名為UltraCSP (FCI)和Xtreme (Unitive)。Amkor在并購Unitive后,為全世界半導體行業(yè)提供WLP服務。

在電路/配線板上,將芯片和走線連接在一起的焊球最初采用錫鉛共晶合金(Sn63Pb37)。為了減少電子產品中的有害物質(RoHS) ,半導體行業(yè)不得不采用替代材料,例如無鉛焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高鉛焊球(Pb95Sn5)。每種合金都有其熔點,因此,在元器件組裝回流焊工藝中,溫度曲線比較特殊,在特定溫度上需保持一段時間。

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。芯片上的鍵合焊盤通過線鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設計原則要求鍵合焊盤位于芯片周界上。為避免同一芯片出現(xiàn)兩種設計(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。

4晶片級封裝器件的可靠性

晶片級封裝(倒裝芯片和UCSP)代表一種獨特的封裝外形,不同于利用傳統(tǒng)的機械可靠性測試的封裝產品。封裝的可靠性主要與用戶的裝配方法、電路板材料以及其使用環(huán)境有關。用戶在考慮使用WLP型號之前,應認真考慮這些問題。首先必須進行工作壽命測試和抗潮濕性能測試,這些性能主要由晶片制造工藝決定。機械壓力性能對WLP而言是比較大的問題,倒裝芯片和UCSP直接焊接后,與用戶的PCB連接,可以緩解封裝產品鉛結構的內部壓力。因此,必須保證焊接觸點的完整性。

5結束語

目前的倒裝芯片和CSP還屬于新技術,處于發(fā)展階段。正在研究改進的措施是將采用背面疊片覆層技術(BSL) ,保護管芯的無源側,使其不受光和機械沖擊的影響,同時提高激光標識在光照下的可讀性。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(參見表1)說明了2007年2月產品的封裝狀況。依照業(yè)界一般的發(fā)展趨勢,這些尺寸有可能進一步減小。因此,在完成電路布局之前,應該從各自的封裝外形上確定設計的封裝尺寸。

此外,了解焊球管芯WLP合金的組成也很重要,特別是器件沒有聲明或標記為無鉛產品時。帶有高鉛焊球(Pb95Sn5)的某些器件通過了無鉛電路板裝配回流焊工藝測試,不會顯著影響其可靠性。采用共晶SnPb焊球的器件需要同類共晶SnPb焊接面,因此,不能用于無鉛裝配環(huán)境。

審核編輯：劉清