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微电子封装工艺的发展摘要：本文介绍微电子封装技术的发展过程和趋势，同时介绍了各个时期不同种类的封装技术，也做了对现在国内对于微电子封装技术不足的分析和对发展前景的展望和构想。关键字：为电子封装 发展趋势 优点一、封装技术的发展从80年代中后期，开始电子产品正朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化方向发展，这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求，单位体积信息的提高(高密度)和单位时间处理速度的提高(高速化)成为促进微电子封装技术发展的重要因素。1.1 片式元件：小型化、高性能片式元件是应用最早、产量最大的表面组装元件。它主要有以厚薄膜工艺制造的片式电阻器和以多层厚膜共烧工艺制造的片式独石电容器，这是开发和应用最早和最广泛的片式元件。随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求，对电子电路性能不断地提出新的要求，片式元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压、集成化和高性能化方向发展。在铝电解电容和钽电解电容片式化后，现在高Q值、耐高温、低失真的高性能MLCC已投放市场；介质厚度为10um的电容器已商品化，层数高达100层之多；出现了片式多层压敏和热敏电阻，片式多层电感器，片式多层扼流线圈，片式多层变压器和各种片式多层复合元件；在小型化方面，规格尺寸从3216212516081005发展，目前最新出现的是0603(长0.6mm，宽0.3mm)，体积缩小为原来的0.88%。集成化是片式元件未来的另一个发展趋势，它能减少组装焊点数目和提高组装密度，集成化的元件可使Si效率(芯片面积/基板面积)达到80%以上，并能有效地提高电路性能。由于不在电路板上安装大量的分立元件，从而可极大地解决焊点失效引起的问题。1.2 芯片封装技术：追随IC的发展而发展数十年来，芯片封装技术一直追随着IC的发展而发展，一代IC就有相应一代的封装技术相配合，而SMT的发展，更加促进芯片封装技术不断达到新的水平。六七十年代的中、小规模IC，曾大量使用TO型封装，后来又开发出DIP、PDIP，并成为这个时期的主导产品形式。八十年代出现了SMT，相应的IC封装形式开发出适于表面贴装短引线或无引线的LCCC、PLCC、SOP等结构。在此基础上，经十多年研制开发的QFP不但解决了LSI的封装问题，而且适于使用SMT在PCB或其他基板上表面贴装，使QFP终于成为SMT主导电子产品并延续至今。为了适应电路组装密度的进一步提高，QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm 。由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另一方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。于是一种先进的芯片封装BGA(Ball Grid Array)应运而生，BGA是球栅阵列的英文缩写，它的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/O数带来的生产成本和可靠性问题。BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难，但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求，所以更新的封装CSP(Chip Size Package)又出现了，它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。CSP之所以受到极大关注，是由于它提供了比BGA更高的组装密度，而比采用倒装片的板极组装密度低。但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂，没有倒装片的裸芯片处理问题，基本上与SMT的组装工艺相一致，并且可以像SMT那样进行预测和返工。正是由于这些无法比拟的优点，才使CSP得以迅速发展并进入实用化阶段。目前日本有多家公司生产CSP，而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记本电脑等产品上。从CSP近几年的发展趋势来看，CSP将取代QFP成为高I/O端子IC封装的主流。为了最终接近IC本征传输速度，满足更高密度、更高功能和高可靠性的电路组装的要求，还必须发展裸芯片(Bare chip)技术。裸芯片技术有两种主要形式：一种是COB技术，另一种是倒装片技术(Flipchip) 。COB技术用COB技术封装的裸芯片是芯片主体和I/O端子在晶体上方，在焊接时将此裸芯片用导电/导热胶粘接在PCB上，凝固后，用 Bonder 机将金属丝(Al或Au)在超声、热压的作用下，分别连接在芯片的I/O端子焊区和PCB相对应的焊盘上，测试合格后，再封上树脂胶。与其它封装技术相比，COB技术有以下优点：价格低廉；节约空间；工艺成熟。COB技术也存在不足，即需要另配焊接机及封装机，有时速度跟不上；PCB贴片对环境要求更为严格；无法维修等。Flip chip 技术Flipchip，又称为倒装片，与COB相比，芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。90年代，该技术已在多种行业的电子产品中加以推广，特别是用于便携式的通信设备中。裸芯片技术是当今最先进的微电子封装技术。随着电子产品体积的进一步缩小，裸芯片的应用将会越来越广泛。从1997年以来裸芯片的年增长率已达到30%之多，发展较为迅速的裸芯片应用包括计算机的相关部件，如微处理器、高速内存和硬盘驱动器等。除此之外，一些便携式设备，如电话机和传呼机，也可望于近期大量使用这一先进的半导体封装技术。最终所有的消费电子产品由于对高性能的要求和小型化的发展趋势，也将大量使用裸芯片技术。元器件的缩小则可以大大推进电子产品体积的缩小，以移动电话为例，90年代重220g，而现在最轻的已达57克，可以很容易地放进上衣口袋里。1.3 微组装：新一代组装技术微组装技术是90年代以来在半导体集成电路技术、混合集成电路技术和表面组装技术(SMT)的基础上发展起来的新一代电子组装技术。微组装技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术。多芯片组件(MCM)就是当前微组装技术的代表产品。它将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内，是电路组件功能实现系统级的基础。MCM采用DCA(裸芯片直接安装技术)或CSP，使电路图形线宽达到几微米到几十微米的等级。在MCM的基础上设计与外部电路连接的扁平引线，间距为0.5mm，把几块MCM借助SMT组装在普通的PCB上就实现了系统或系统的功能。当前MCM已发展到叠装的三维电子封装(3D)，即在二维X、Y平面电子封装(2D)MCM基础上，向Z方向，即空间发展的高密度电子封装技术，实现3D，不但使电子产品密度更高，也使其功能更多，传输速度更快，性能更好，可靠性更好，而电子系统相对成本却更低。对MCM发展影响最大的莫过于IC芯片。因为MCM高成品率要求各类IC芯片都是良好的芯片(KGD)，而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选，给组装MCM带来了不确定因素。CSP的出现解决了KGD问题，CSP不但具有裸芯片的优点，还可像普通芯片一样进行测试老化筛选，使MCM的成品率才有保证，大大促进了MCM的发展和推广应用。二、封装技术种类自二十世纪几十年代以来迅速发展的新型微电子封装技术，包括寒秋阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、原片级封装（WLP）、三位封装（3D）和系统封装（SIP）等项技术。2.1焊球阵列封装(BGA)阵列封装(BGA)是世界上九十年代初发展起来的一种新型封装。这种BGA的突出的优点：电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感;封装密度更高;由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。例如边长为31mm的BGA，当焊球节距为1mm时有900只引脚，相比之下，边长为32mm，引脚节距为0.5mm的QFP只有208只引脚;BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠;由于焊料熔化时的表面张力具有自对准效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率;BGA引脚牢固，转运方便;焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA得到爆炸性的发展。BGA因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装(PBGA)，陶瓷焊球阵列封装(CBGA)，载带焊球阵列封装(TBGA)，带散热器焊球阵列封装(EBGA)，金属焊球阵列封装(MBGA)，还有倒装芯片焊球阵列封装(FCBGA。PQFP可应用于表面安装，这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距达到0.5mm时，它的组装技术的复杂性将会增加。所以PQFP一般用于较低引线数(208条)和较小的封装休尺寸(28mm见方)。因此，在引线数大于200条以上和封装体尺寸超过28mm见方的应用中，BGA封装取代PQFP是必然的。在以上几类BGA封装中，FCBGA最有希望成为发展最快的BGA封装，我们不妨以它为例，叙述BGA的工艺技术和材料。FCBGA除了具有BGA的所有优点以外，还具有：热性能优良，芯片背面可安装散热器;可靠性高，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲劳寿命大大增强;可返修性强。FCBGA所涉及的关键技术包括芯片凸点制作技术、倒装芯片焊接技术、多层印制板制作技术(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充技术、焊球附接技术、散热板附接技术等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料：Au、PbSn和AuSn等;凸点下金属化材料：Al/Niv/Cu、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料：PbSn焊料、无铅焊料;多层基板材料：高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)、BT树脂基板;底部填充材料：液态树脂;导热胶：硅树脂;散热板：铜。目前，国际上FCBGA的典型系列示于表1。2.2 芯片尺寸封装(CSP)芯片尺寸封装(CSP)和BGA是同一时代的产物，是整机小型化、便携化的结果。美国JEDEC给CSP的定义是：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%的封装称为CSP。由于许多CSP采用BGA的形式，所以最近两年封装界权威人士认为，焊球节距大于等于lmm的为BGA，小于lmm的为CSP。由于CSP具有更突出的优点：近似芯片尺寸的超小型封装;保护裸芯片;电、热性优良;封装密度高;便于测试和老化;便于焊接、安装和修整更换。因此，九十年代中期得到大跨度的发展，每年增长一倍左右。由于CSP正在处于蓬勃发展阶段，因此，它的种类有限多。如刚性基板CSP、柔性基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片级CSP(WLCSP)等。CSP的引脚节距一般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列。一般地CSP，都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的，而WLCSP则不同，它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP) 。因此，除了CSP的共同优点外，它还具有独特的优点：封装加工效率高，可以多个圆片同时加工;具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小;与前工序相比，只是增加了引脚重新布线(RDL)和凸点制作两个工序，其余全部是传统工艺;减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型IC封装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高。图4示出了WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流程。WLCSP所涉及的关键技术除了前工序所必须的金属淀积技术、光刻技术、蚀刻技术等以外，还包括重新布线(RDL)技术和凸点制作技术。通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层，为了使WLP适应了SMT二级封装较宽的焊盘节距，需将这些焊盘重新分布，使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布，这就需要重新布线(RDL)技术。另外将方形铝焊盘改为易于与焊料粘接的圆形铜焊盘，重新布线中溅射的凸点下金属(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu应有足够的厚度(如数百微米)，以便使焊料凸点连接时有足够的强度，也可以用电镀加厚Cu层。焊料凸点制作技术可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法最为广泛，其次是焊膏印刷法。重新布线中UBM材料为Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。所用的介质材料为光敏BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)凸点材料有Au、PbSn、AuSn、In等。2.3 3D封装3D封装主要有三种类型，即埋置型3D封装，当前主要有三种途径：一种是在各类基板内或多层布线介质层中埋置R、C或IC等元器件，最上层再贴装SMC和SMD来实现立体封装，这种结构称为埋置型3D封装;第二种是在硅圆片规模集成(WSl)后的有源基板上再实行多层布线，最上层再贴装SMC和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型3D封装;第三种是在2D封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型3D封装。在这些3D封装类型中，发展最快的是叠层裸芯片封装。原因有两个。一是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动，要求在增加功能的同时减薄封装厚度。二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容，经过改进很快能批量生产并投入市场。据Prismarks预测，世界的手机销售量将从2001年的393M增加到2006年的785M1140M。年增长率达到1524%。因此在这个基础上估计，叠层裸芯片封装从目前到2006年将以5060%的速度增长。图6示出了叠层裸芯片封装的外形。它的目前水平和发展趋势示于表3。叠层裸芯片封装有两种叠层方式，一种是金字塔式，从底层向上裸芯片尺寸越来越小;另一种是悬梁式，叠层的芯片尺寸一样大。应用于手机的初期，叠层裸芯片封装主要是把FlashMemory和SRAM叠在一起，目前已能把FlashMemory、DRAM、逻辑IC和模拟IC等叠在一起。叠层裸芯片封装所涉及的关键技术有如下几个。圆片减薄技术，由于手机等产品要求封装厚度越来越薄，目前封装厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm。而叠层芯片数又不断增加，因此要求芯片必须减薄。圆片减薄的方法有机械研磨、化学刻蚀或ADP(Atmosphere DownstreamPlasma)。机械研磨减薄一般在150m左右。而用等离子刻蚀方法可达到100m，对于75-50m的减薄正在研发中;低弧度键合，因为芯片厚度小于150m，所以键合弧度高必须小于150m。目前采用25m金丝的正常键合弧高为125m，而用反向引线键合优化工艺后可以达到75m以下的弧高。与此同时，反向引线键合技术要增加一个打弯工艺以保证不同键合层的间隙;悬梁上的引线键合技术，悬梁越长，键合时芯片变形越大，必须优化设计和工艺;圆片凸点制作技术;键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑技术。由于键合引线密度更高，长度更长，形状更复杂，增加了短路的可能性。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的转移速度有助于减小键合引线的摆动。目前已发明了键合引线无摆动(NOSWEEP)模塑技术。2.4系统封装(SIP)实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。一种是系统级芯片(Systemon Chip)，简称SOC。即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能;另一种是系统级封装(SysteminPackage)，简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲，这是两条技术路线，就象单片集成电路和混合集成电路一样，各有各的优势，各有各的应用市场。在技术上和应用上都是相互补充的关系，作者认为，SOC应主要用于应用周期较长的高性能产品，而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品。SIP是使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。主要的优点包括：采用现有商用元器件，制造成本较低;产品进入市场的周期短;无论设计和工艺，有较大的灵活性;把不同类型的电路和元件集成在一起，相对容易实现。美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单级集成模块(SingleIntegrated Module)简称SLIM，就是SIP的典型代表，该项目完成后，在封装效率、性能和可靠性方面提高10倍，尺寸和成本较大下降。到2010年预期达到的目标包括布线密度达到6000cm/cm2;热密度达到100W/cm2;元件密度达到5000/cm2;I/O密度达到3000/cm2。尽管SIP还是一种新技术，目前尚不成熟，但仍然是一个有发展前景的技术，尤其在中国，可能是一个发展整机系统的捷径三、国内外比较我国封装技术与国外封装技术的差距所在（1）封装技术人才严重短缺、缺少制程式改善工具的培训及持续提高培训的经费及手段。（2）先进的封装设备、封装材料及其产业链滞后，配套不拿且质量不稳定。(3)封装技术研发能力不足，生产工艺程序设计不周伞，可操作性差，执行能力弱。(4)封装设备维护保养能力欠伟，缺少有经验的维修工程师，且可靠性实验设备不齐全，失效分析(FA)能力不足。(5)国内封装企业除个别企业外，普遍规模较小，从事低端产品生产的居多，可持续发展能力低，缺乏向高档发展的技术和资金。(6)缺少团队精神，缺乏流程整合、持续改善、精细管理的精神，缺少现代企业管理的机制和理念。四、思考和建议先进封装在推动更高性能、更低功耗、更低成本和更小形状因子的产品上发挥着至关重要的作用。在芯片-封装协同设计以及为满足各种可靠性要求而使用具成本效益