第十三章先进封装技术

第十三章先进封装技术尹小田第一页，共30页1、BGA技术BGA：BallGridArray，球状列阵封装、球形触点阵列、焊球阵列、网格焊球阵列、球面阵。

1990年初美国摩托罗拉和日本西铁城公司共同开发。

基板背面是按阵列方式制出球形触点的引脚，基板正面装配芯片，后来由于倒装技术，也有引脚和芯片在同一面。

尹小田第二页，共30页1、BGA技术BGA的特点：1、提高产品率；2、BGA焊点的中心间距一般为1.27mm可利于SMT工艺设备；3、改进了器件引出端数和本体尺寸的比率；4、明显改善共面问题，极大地减小了共面损坏；5、BGA引脚短，所以比QFP牢固。6、BGA引脚短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了节点性能。7、球形触点阵列有助于散热；8、BGA适合MCM的封装需要，有利于实行MCM的高密度、高性能。尹小田第三页，共30页BGA的类型四种：塑料球栅阵列（PBGA）、陶瓷球栅阵列（CBGA）、陶瓷圆柱栅阵列（CCGA）、载带球栅阵列（TBGA）又称：整体模塑阵列载体（OMPAC）主要特点：1.制造商完全可利用现有装配技术和廉价的材料，成本低；2.与QFP器件比较，较少有机械损伤；3.装配到PCB上可以具有非常高的质量。面临的挑战：保持封装体平面化、增强防潮（即防止“爆米花”现象）、管芯尺寸的可靠性问题。尹小田第四页，共30页BGA的类型陶瓷球栅阵列（CBGA）又称：焊料球载体（SBC）主要特点：1.组件拥有优异的热性能和电性能；2.与QFP相比，较少受机械损伤的影响；3.当装配到具有大量I/O（>250）应用的PCB上时，具有非常高的封装效率；尹小田第五页，共30页BGA的类型陶瓷圆柱栅阵列（CCGA）又称：圆柱焊料载体（SCC）CCGA是尺寸为32mm2的CBGA器件的代替品，其它跟CBGA相似，只有：CCGA是采用焊料圆柱阵列，CBGA是采用焊球阵列，而圆柱焊料比球形更能承受由热应力不匹配而产生的应力作用，但比焊球跟容易受到机械损伤。？？尹小田第六页，共30页BGA的类型又称：阵列载带自动键合（ATAB），是较新颖的BGA形式。特点：1、比绝大多数的BGA封装要轻和小；2、比QFP器件和绝大多数BGA封装的电性能好；3、装配到PCB上具有非常高的封装效率。载带球栅阵列（TBGA）尹小田第七页，共30页BGA的制备和安装以美国摩托罗拉公司生产的OMPAC为例：基板：BT树脂/玻璃芯材被层压在两层18µm的铜箔间。芯片用充银的环氧树脂粘在镀镍/金的薄膜上，固化；芯片和基板间用热超声波焊接；用填有石灰粉的环氧树脂膜压料进行密封，固化；用自动捡放机械手系统放焊料球，再流焊。球在上、球在下尹小田第八页，共30页BGA的质量检测和返工BGA的焊点在芯片下面，检测焊点质量比较困难。采用X射线断面自动工艺检测设备进行BGA焊点的质量检测。返工流程：确认缺陷BGA组件→拆卸BGA→BGA焊盘预处理→检测焊膏涂覆→重新安装组件并再流→检测。尹小田第九页，共30页尹小田第十页，共30页2、CSP技术芯片尺寸封装：指封装外壳的尺寸不超过裸片尺寸1.2倍的一种封装形式。是BGA向小型化、薄型化方向的延伸。是目前体积最小的超大规模集成电路封装之一。表13.1.特点：1、封装尺寸小；2、电学性能优良；3、测试、筛选、老化容易；4、散热性能优良；5、内无须填料；6、制造工艺、设备的兼容性好。结构有4部分：IC芯片、互连层、焊球（凸点）、保护层。尹小田第十一页，共30页CSP的类型CSP的类型：柔性基板封装、刚性基板封装、引线框架式CSP封装、晶圆级CSP封装、薄膜型CSP。尹小田第十二页，共30页柔性基板封装：美国tessra开发，常采用PI或TAB工艺中相似的带状材料做垫片，互连在垫片的一个面，焊球穿过垫片与互连层相连，方式：TAB、倒装、引线键合。1、TAB晶片→减薄、划片→TAB内焊点键合→切割成型→TAB外焊点键合→模塑包封→基板上安装焊球→测试筛选→激光打码2、倒装式：晶片→二次布线→（减薄）形成凸点→划片→倒装键合→模塑包封→基板上安装焊球→测试筛选→激光打码3、引线键合式晶片→减薄、划片→芯片键合→引线键合→模塑包封→基板上安装焊球→测试筛选→激光打码尹小田第十三页，共30页刚性基板封装：日本toshiba开发，常采用树脂和陶瓷做垫片，内层互连是通过多层陶瓷叠加或通孔实行，方式：倒装、引线键合。1、倒装式：要先做凸点和用薄膜或厚膜技术在垫片上布线，然后进行凸点倒装焊或超声波热压焊。2、引线键合式先制作多层布线的垫片后，常规引线键合。尹小田第十四页，共30页引线框架式CSP封装：日本fujitsu开发，互连做在引线框架上，方式：TAB/倒装式、引线键合式。晶片→减薄、划片→芯片键合→引线键合→模塑包封→电镀→切筛、引线成型→测试筛选→激光打码晶圆级CSP封装：chipscale开发，是在晶圆阶段，利用芯片间较宽的划片槽，在其中构造周边互连，随后用玻璃、树脂、陶瓷等材料封装而完成。再分布式，模塑基片式。尹小田第十五页，共30页薄膜型CSP封装：日本三菱开发。无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再布线工艺，与凸点实现互连；外引脚的凸点可在基片上任意部位，易于标准化。尹小田第十六页，共30页薄膜型CSP封装：日本三菱开发。无引线框架和焊丝，体积特别小；芯片上再布线工艺，与凸点实现互连；外引脚的凸点可在基片上任意部位，易于标准化。制造工艺：1、布线工艺2、装配工艺3、CSP焊点接合部的疲劳特性。尹小田第十七页，共30页CSP的应用具有短、小、轻、薄的特点，在便携式、低针脚数、低功率产品中最小获得应用，内存是最大量采用CSP技术的产品。截止到1997年，CSP已经应用到手机电话的内存、笔记本的存储器、摄录一体机、IC卡等产品。1998年，推广到磁盘驱动器、个人数字助理、印码器；都是小型的便携产品。应用存在的问题：标准化、可靠性、成本。尹小田第十八页，共30页3、倒装芯片技术FCP是直接通过阵列排布的凸点实现芯片与封装衬底（或电路板）的互连。相当于普通封装中粘装、引线键合两个步骤。尹小田第十九页，共30页FCP有三种连接形式：控制塌陷芯片连接（C4）、直接芯片连接（DCA）、倒装芯片。C4类似于BGA组件，主要大批量应用在高性能、高I/O数量的元器件，如：CBGA、CCGA、MCM的应用中C4的优点：1、具有优异的热性能和电性能；2、在焊球间距中等的情况下，能够支持极大的I/O数量；3、不存在I/O焊盘尺寸的限制；4、通过使用群焊技术，进行大批量可靠的装配。5、可以实现最小的元器件尺寸和质量。C4元器件在管芯和基片之间能够采用单一互连，从而提供最短、最简单的信号通路。降低界面的数量，减小结构的复杂程度，提高其固有的可靠性。尹小田第二十页，共30页FCP有三种连接形式：控制塌陷芯片连接（C4）、直接芯片连接（DCA）、倒装芯片。DCA技术的基片是PCB，凸点是低共熔点焊膏的高锡含量凸点。DCA的优点：跟C4相似胶粘剂连接的倒装芯片：FCAA，胶粘剂可以贴装陶瓷、PCB基板、柔性电路板、玻璃材料，应用广泛。尹小田第二十一页，共30页倒装芯片的凸点技术凸点结构：IC、UBM、Bump。UBM是在芯片焊盘和凸点间金属过渡层，起粘附和阻碍扩散的作用，是粘附层、扩散阻挡层、浸润层等组成的多层金属膜。UBM的制备：溅射/蒸发、电镀、化学电镀；前两个成本高，效率也高，化学电镀成本低，是将来发展的方向。凸点分：焊料凸点、金凸点和聚合物凸点。焊料凸点：锡焊料。金凸点：金或铜用电镀法形成凸点。聚合物凸点：导电聚合物。焊料凸点应用最广，金凸点工艺简单，但组装中的要求麻烦，聚合物凸点高效、成本低，应用前景很好。凸点的制作？？？？尹小田第二十二页，共30页4、晶圆级封装技术WLP：WLP-CSP，以晶圆片为加工对象，直接在晶圆片上同时对众多芯片封装、老化、测试，封装的全过程都在晶圆片生产厂内，运用芯片的制造设备完成。封装完后才切割成多个芯片，直接贴装到基板上。WLP的成本低：1、批量生产工艺进行制造；2、充分利于芯片制造设备，无须再建封装厂，施舍费用低；3、芯片设计和封装设计可统一考虑和进行，提高效率；4、中间环节减小，周期缩短，成本降低。尹小田第二十三页，共30页4、晶圆级封装技术WLP主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点技术薄膜再分布技术：各个芯片按周边分布的I/O焊区，通过薄膜技术再布线，变成阵列分布焊区并形成焊料凸点的技术。基本步骤：1、在芯片上涂金属布线层间的介质材料；2、淀积金属薄膜并光刻制备金属导线和凸点焊区；3、在凸点焊区淀积UBM层；4、在NBM上制作凸点；尹小田第二十四页，共30页4、晶圆级封装技术WLP主要采用的两大技术：薄膜再分布技术、凸点制作技术凸点制作技术：三种制备方法：应用预制焊球：用于焊球间距大于700µm。丝网印刷：焊球间距为200µm。电镀：间距任意。焊球要去共面性好、单个和各个焊球的成分均匀。尹小田第二十五页，共30页4、晶圆级封装技术WLP的优点：1、封装效率高。2、具备轻、薄、短、小。3、倒装的引线短，引线电感、电阻等寄生参数小，电、热性能较好。4、制作的技术都是在现有的技术上改进。5、符合SMT的潮流。WLP的局限性：1、WLP的外引出端只能分布在管芯有源一侧面内，使I/O数不是很大。2、具体结构形式、封装工艺、支撑设备有待优化。3、可靠性数据不完整，影响扩大使用。4、进一步降低成本。尹小田第二十六页，共30页5、多芯片组件封装MCM封装：用多层连线基板，再以打线键合、TAB或C4键合法把多个芯片与基板连接，使其成为具有特点功能的组件。主要优点：1、可大幅提高电路连接密度，增进封装的效率；2、具备轻、薄、短、小的封装设计；3、封装的可靠度可获得提升。尹小田第二十七页，共30页MCM主要技术有：多层互连基板的制作、芯片连接技术多层互连基板：可以用陶瓷、金属、高分子材料，用薄膜、厚膜、多层陶瓷共烧等技术制成。芯片连接技术：打线接合、TAB或C4技术。表13.65、多芯片组件封装尹小田第二十八页，共30页6、三维封装技术3D封装模块：指芯片在Z方向垂直互连结构。类型：叠层IC间的外围互连、叠层IC间的区域互连、叠层MCM间的外围互连、叠层MCM间的区域互连3D封装技术的优点：1、3D设计替代