理解倒裝芯片和晶片級封裝技術(shù)及其應(yīng)用

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1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了芯片晶體管數(shù)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(shù)快速的發(fā)展, 不可能實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在消費(fèi)類產(chǎn)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(dāng)然是芯片本身, 圖 1 描述了 IC 從晶片到單個(gè)芯片的實(shí)現(xiàn)過程, 圖 2 為一個(gè)實(shí)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(yīng)用的一種低成本選擇, 這些應(yīng)用包括 EEPROM 等引腳數(shù)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(diǎn)是所有裝配和測試都在晶片上進(jìn)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(shù)的公司, Dallas Semiconductor 在 1999 年便開始銷售晶片級封裝產(chǎn)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(shù)非常獨(dú)特, 封裝內(nèi)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(jìn)一步地細(xì)分。在本文以及所有 Maxim 資料中, 包括公司網(wǎng)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(chǎn)品; 晶片級封裝尺寸來自各個(gè)供應(yīng)商, 包括 Maxim 。目前, Maxim 和 Dallas Semiconductor推出的新型晶片級封裝產(chǎn)品的標(biāo)稱尺寸如表 1 所列。

3 晶片級封裝 (WLP) 技術(shù)

提供 WLP 器件的供應(yīng)商要么擁有自己的 WLP生產(chǎn)線, 要么外包封裝工藝。各種各樣的生產(chǎn)工藝必須能夠滿足用戶的要求, 確保最終產(chǎn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn), 產(chǎn)品名為 UltraCSP (FCI) 和 Xtreme (Unitive) 。 Amkor 在并購 Unitive后, 為全世界半導(dǎo)體行業(yè)提供 WLP 服務(wù)。

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(chǎn)品中的有害物質(zhì) (RoHS) , 半導(dǎo)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(diǎn), 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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì) ( 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(dú)特的封裝外形, 不同于利用傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性測試的封裝產(chǎn)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(guān)。用戶在考慮使用 WLP 型號之前, 應(yīng)認(rèn)真考慮這些問題。首先必須進(jìn)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(jī)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(chǎn)品鉛結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力。因此, 必須保證焊接觸點(diǎn)的完整性。

5 結(jié)束語

目前的倒裝芯片和 CSP 還屬于新技術(shù), 處于發(fā)展階段。正在研究改進(jìn)的措施是將采用背面疊片覆層技術(shù) (BSL) , 保護(hù)管芯的無源側(cè), 使其不受光和機(jī)械沖擊的影響, 同時(shí)提高激光標(biāo)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(chǎn)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(jìn)一步減小。因此, 在完成電路布局之前, 應(yīng)該從各自的封裝外形上確定設(shè)計(jì)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(biāo)記為無鉛產(chǎn)品時(shí)。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 黃宇