浅析倒装芯片和晶片级封装技术及其应用

1引言

半导体技术的进步大大提高了芯片晶体管数量和功能,这一集成规模在几年前是无法想象的。因此,如果没有IC封装技术快速的发展,不可能实现便携式电子产品的设计。在消费类产品小型化和更轻、更薄发展趋势的推动下,制造商开发出更小的封装类型。最小的封装当然是芯片本身,图1描述了IC从晶片到单个芯片的实现过程,图2为一个实际的晶片级封装(CSP)。

晶片级封装的概念起源于1990年,在1998年定义的CSP分类中,晶片级CSP是多种应用的一种低成本选择,这些应用包括EEPROM等引脚数量较少的器件,以及ASIC和微处理器。CSP采用晶片级封装(WLP)工艺加工, WLP的主要优点是所有装配和测试都在晶片上进行。随着晶片尺寸的增大、管芯的缩小, WLP的成本不断降低。作为最早采用该技术的公司, Dallas Semiconductor在1999年便开始销售晶片级封装产品。

2命名规则

业界在WLP的命名上还存在分歧。CSP晶片级技术非常独特,封装内部并没有采用键合方式。封装芯片的命名也存在分歧。常用名称有:倒装芯片(STMicroelectronics和Dallas Semiconductor TM )、CSP、晶片级封装、WLCSP、WL- CSP、MicroSMD(Na-tional Semiconductor)、UCSP (Maxim Integrated Prod-ucts)、凸起管芯以及MicroCSP(Analog Devices)等。

对于Maxim/Dallas Semiconductor ,“倒装芯片”和“晶片级封装”,最初是所有晶片级封装的同义词。过去几年中,封装也有了进一步地细分。在本文以及所有Maxim资料中,包括公司网站,“倒装芯片”是指焊球具有任意形状、可以放在任何位置的晶片级封装管芯(边沿有空隙)。“晶片级封装”是指在间隔规定好的栅格上有焊球的晶片级封装管芯。图3解释了这些区别,值得注意的是,并不是所有栅格位置都要有焊球。图3中的倒装芯片尺寸反映了第一代Dallas Semiconductor的WLP产品;晶片级封装尺寸来自各个供应商,包括Maxim。目前, Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片级封装产品的标称尺寸如表1所列。

3晶片级封装(WLP)技术

提供WLP器件的供应商要么拥有自己的WLP生产线,要么外包封装工艺。各种各样的生产工艺必须能够满足用户的要求,确保最终产品的可靠性。美国亚利桑那州凤凰城的FCI、美国北卡罗莱纳州的Unitive建立了WLP技术标准,产品名为UltraCSP (FCI)和Xtreme (Unitive)。Amkor在并购Unitive后,为全世界半导体行业提供WLP服务。

在电路/配线板上,将芯片和走线连接在一起的焊球最初采用锡铅共晶合金(Sn63Pb37)。为了减少电子产品中的有害物质(RoHS) ,半导体行业不得不采用替代材料,例如无铅焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高铅焊球(Pb95Sn5)。每种合金都有其熔点,因此,在元器件组装回流焊工艺中,温度曲线比较特殊,在特定温度上需保持一段时间。

集成电路的目的在于提供系统所需的全部电子功能,并能够装配到特定封装中。芯片上的键合焊盘通过线键合连接至普通封装的引脚上。普通封装的设计原则要求键合焊盘位于芯片周界上。为避免同一芯片出现两种设计(一种是普通封装,另一种是CSP) ,需要重新分配层连接焊球和键合焊盘。

4晶片级封装器件的可靠性

晶片级封装(倒装芯片和UCSP)代表一种独特的封装外形,不同于利用传统的机械可靠性测试的封装产品。封装的可靠性主要与用户的装配方法、电路板材料以及其使用环境有关。用户在考虑使用WLP型号之前,应认真考虑这些问题。首先必须进行工作寿命测试和抗潮湿性能测试,这些性能主要由晶片制造工艺决定。机械压力性能对WLP而言是比较大的问题,倒装芯片和UCSP直接焊接后,与用户的PCB连接,可以缓解封装产品铅结构的内部压力。因此,必须保证焊接触点的完整性。

5结束语

目前的倒装芯片和CSP还属于新技术,处于发展阶段。正在研究改进的措施是将采用背面叠片覆层技术(BSL) ,保护管芯的无源侧,使其不受光和机械冲击的影响,同时提高激光标识在光照下的可读性。除了BSL ,还具有更小的管芯厚度,保持装配总高度不变。Maxim UCSP尺寸(参见表1)说明了2007年2月产品的封装状况。依照业界一般的发展趋势,这些尺寸有可能进一步减小。因此,在完成电路布局之前,应该从各自的封装外形上确定设计的封装尺寸。

此外,了解焊球管芯WLP合金的组成也很重要,特别是器件没有声明或标记为无铅产品时。带有高铅焊球(Pb95Sn5)的某些器件通过了无铅电路板装配回流焊工艺测试,不会显著影响其可靠性。采用共晶SnPb焊球的器件需要同类共晶SnPb焊接面,因此,不能用于无铅装配环境。

审核编辑：刘清