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1、先进封装技术述评摘要 本文主要论述了近几年来电子组装行业中应用的先进封装技术，包括板上倒装片、凸点互连技术、MCM、CSP、塑料球栅阵列（PBGA）、SMT中应用的光电子技术及先进封装技术中实施的“绿色制造”无铅焊料等技术状况。并对这些技术进行了评论及前景展望。关键词：先进封装技术； 倒装片； 多芯片模块； CSP； 无铅焊料Abstract: This paper mainly introduces advanced packaging technology applied in electronic assembly industry in recent years including f
2、lip chip on board (FCOB), bump interconnect technology (BIT), MCM, CSP, PBGA, OE technology (OET) used in SMT and the application green manufacturing lead free solder in advanced packaging technology. Also their commends and promising were made.Key words: advanced packaging technology, flip chip on
3、board, multichip module, CSP, lead-free solder1前言世界经济正在发生剧烈的变化，国外工业发达国家的电子组装生产厂家为挤身于世界先进行列竟相展开了激烈的竞争。CSP、BGA、倒装芯片等先进的封装技术就是这场竞争的产物。先进封装是由多个元件和/或非传统互连技术组合而成的任意组件。通常当要求尺寸和重量必须在最低极限时，需要高速数据传输或需采用成本合理的方法来解决特殊的问题，就可应用先进的封装技术。如图1所示，传统的IC技术是由三个步骤组成的：芯片粘结、线焊到引线框架和用塑模壳封装起来。当组装QFP、LCC和SO时，仍可使用这种技术，而且这种技术在其它产品
4、的应用中，将具有广阔的应用前景。不过，1996年传统的IC占有91.3%的IC市场份额（先进封装技术仅占有8.7%的市场份额），据预测，到2006年，先进封装技术可望达到27.13%，先进封装技术快速增长的动力是电子工业要求IC封装满足用户的互连性、便携性和功能性的需求。 图1 目前，传统的封装技术在市场上占有90%以上的份额，不过，可望到2006年先进封装技术在市场上将占有30%的份额。随着封装技术的进步，层出不穷的新材料、新技术随之问世，如象；为顺应潮流的发展，无铅焊料产品也被应用到封装技术中，这种材料对今后的技术发展将起到很重要的作用及在保护环境方面立下功劳。光电子技术在最近两年也已面市
5、，使电子组装技术又上了一个台阶，产生了新的飞跃。2 基于SMT的先进封装技术先进的封装和互连优于传统技术。先进的封装和互连技术将半导体与表面组装技术相结合，不仅降低了产品成本、改善了性能、提高了密度，而且还使封装的尺寸更小。与传统的封装比较，明显地降低了新产品互连点的数量。例如；板子上装有倒装片的塑料BGA有几个通过高熔点的焊料凸点直接连接于小型BT纤维玻璃基板的硅芯片。然后，把共晶焊料凸点用于基板和PCB组装之间的互连点。其它几个主要差别是：新型封装相当小，使用柔性电路或层压基板替代引线框架，可用焊料凸点或导电胶连接芯片，而不是用线焊的方法（和通过针脚或凸点的面阵列使封装和PCB之间形成互连
6、，替代了四周引线的连接方法），可把半导体芯片和无源元件组合构成一个组件。目前，使用的先进封装技术种类繁多，本文介绍其中的几种：3 板上倒装片和板上芯片板上倒装片（FCOB）是20多年前IBM公司为了满足用户对高速计算机的需求而研制的。首次研制成功的倒装片工艺是可控坍塌芯片连接（C4），其设计是采用机电一体化的方法将硅芯片与陶瓷基板相连接（见图2所示）。从某些方面来看，由于液化焊料凸点表面张力的作用，这种技术可使芯片自身能够对准板上的焊盘，为此，使这种技术实现了高产量。然而，由于通孔的方法在通用芯片的封装中成本相对来说比较合理，而陶瓷基板价格昂贵，使得C4倒装片不能够得到广泛的应用。而事实上，倒
7、装片技术远比市场上的传统技术先进得多。 图2 虽然陶瓷上的FCOB的问世，成本令人难于接受，但是，对于高速计算机组装来说，其提供了可靠的封装技术。然而，不久前，开发出了一种技术，这样的话，就可应用FCOB来降低FR-C4环氧玻璃板的成本（图3）。虽然FR-4成本低，但是，它带来了新的挑战：由于FR-4和芯片使用的热膨胀系数（CTE）不同，所以，就会由于热变形造成移位，使IC互连更为牢固。补救的方法是在芯片和板子之间用环氧树脂进行底层填料，用力要均匀，保护互连点。 图3 通过使用环氧树脂底层填料。使得FCOB技术与传统的FR-4基板实现了成功的组合，其起到了缓解热膨胀差异的作用。底层填料工艺得到
8、延续使用及普及。由于某些原因，使得倒装芯片很可能被广泛地用于MCM的互连中。虽然，在1996年只有1%的MCM采用了倒装片互连，到2001年将增加到18%。随着质量的提高和成本的下降，FCOB的产量也随之增长。由于芯片是直接贴装到板上的，所以，不需使用引线框架材料和线焊、模压、边缘修整和成型工艺，使得这种技术能够得到有效的应用。上述优点还可使互连点的布局更加致密，提高了密度。与传统的互连方法比较，FCOB的芯片和板之间的导电通路更短，这样就减少了电子干扰和降低了噪音，同时提高了性能。板上芯片（COB）类似于FCOB，其芯片的互连面朝上，在传统的工艺中，都是采用线焊的方法将其与板上焊盘互连。由于
9、没有了引线框架，不仅使COB降低了成本，而且还提高了性能，不过，必须用环氧树脂“顶部植球”的方法来保护芯片和线焊。4 凸点互连技术凸点互连技术（BIT）要求使用与半导体工业在背面未端组装中使用的设备和材料相同。应用这种先进的封装，将Au凸点植于晶圆上，用银环氧填料形成与基板的互连（见图4）。为了解决底层填料的慢速流淌的问题而开发研究了BIT工艺，并要求在贴装倒装片之前，将环氧材料施加到基板上。金凸点不同于C4工艺中使用的材料，其不会坍塌或回流。Au凸点会起到整平的作用，而且使用少量的导电胶就可实施涂覆操作，并脱离底层填料，在芯片和板之间形成电子连接。图4 在组装半导体背面未端时，用Au给晶圆植
10、球，并通过底层填料，使用导电胶实现与基板上焊盘的互连，这样，就可解决夹在中间层的化合物慢速流淌的问题。BIT的缺点是：由于金凸点不能液化，就没有可使芯片与基板对准的表面张力，金凸点在其被施加的位置上固化。由于这个原因，BIT对贴装的可重复性要求很高。5 多芯片模块（MCM）几年前，在推荐使用MCM时，要求使用容纳了两个或更多硅芯片的小型层压基板、陶瓷基板或硅基板。据说它对提高IC密度是一种有效的方法。然而，MCM自身还存在着一些问题。业已证实，PCB上的细印迹的设计和制造即耗时，成本又高。此外，随着各种半导体加工工艺的进步，芯片尺寸的缩小，由于基板对细印迹的更高要求，为此需要重新进行设计。最后
11、，是否能够提供经济、可靠的“已知合格芯片”（KGD）也是一个重要问题。对于传统的应用来说，在将芯片组装到电路中之前，对封装的芯片进行老化和电子测试是切实可行的。如果IC有问题的话，可将封装与有缺陷的芯片一同丢弃掉，也值不了多少钱。而使用MCM，一个芯片有缺陷将导致整个模块报废。由于在晶片级封装中芯片不能得到适当的老化，所以，必须对其进行测试，以便确定其是否为KGD，工艺成本高否及效果是否不佳。（KGD的焊盘并不象传统封装的IC那样已有了标准）。因此，通常只能从一个渠道获得KGD，这种渠道将要花费很多的时间和付出很大一笔资金。MCM主要是用于对尺寸和性能有较高要求的高成本军事和航空产品中。为此，
12、不应将MCM看作一种可行的技术。此外，即使焊盘生产向着标准化的方向发展，生产厂家仍在开发更新的、更有效的KGD生产的测试方法。6 芯片尺寸封装（CSP）芯片尺寸封装（CSP）目前被定义为封装尺寸与芯片尺寸相当的一种先进IC封装形式，封装体与芯片尺寸相比不大于120%。其尺寸大约为传统的多引脚QFP的1/3，CSP在成本、密度、组装量和性能上都占优势。CSP还可以解决与FCOB、COB和MCM裸芯片组装工艺相关的IC测试问题，也就是说，在使用标准的IC时，所有的CSP实际上都能够贴放到管座中，并滞留。某些CSP的布局看上去及操作上很象倒装片，不过，不需要底层填料。CSP的片式引线和热塑胶粘剂是柔
13、性的，这样的话，基板就会由于不均衡的CTE应力和材料而膨胀，因此，就不需要底层填料了。微型BGA就是一个例子。它是用弹性胶粘剂将芯片以机械方法与柔性电路连接和以热感应的方法与柔性电路上的“S”形带形成连接。柔性电路可将IC焊盘上的I/O重新分配到共晶焊料球的标准阵列上。焊料球被支撑在弹性材料隔离片上，可随意移动，而不会使焊点上或芯片面上产生应力（见图5所示）。CSP允许使用这种标准化的管脚出线，这样，对于降低了芯片尺寸和可使不同厂家生产的芯片能够在使用中保持稳定性。CSP主要用于存储器元件，但是，最终将被用于芯片的I/O大于2000引线的高性能应用中。由于CSP是以现有的SMT技术作为基础，预
14、计CSP将向着大规模生产过渡，以满足裸芯片MCM的需求。 图5 柔性基板将IC的I/O重新分配到共晶焊料球的标准阵列上7 Z轴材料的互连先进封装技术之一是Z轴材料互连，为一种倒装片工艺。这种技术使用液体或薄膜类型的专用导电胶。Z轴材料是由包裹在导电材料的非导电物质中的悬浮焊料珠组成的。当对植有焊料球的芯片施加压力时，Z轴材料压缩，焊料珠分裂，使其凝固，并在焊料球与基板间形成导电通路，为此，也就不需要引线来连接芯片与基板了（见图6所示）。 图6 建立一通道的导电通路，为此就不需分离连接于基板焊盘的芯片的键合或引线。虽然，该技术具有很大的潜力，但是，其毕竟是一种新技术，存在着许多需要克服的不足之处
15、：Z轴互连不能与C4倒装片和共晶焊料BGA共享自对准特性。此外，粘合力必须具有足以分裂非导电焊料珠的能力。8 更先进的封装技术芯片上引线（LOC）和引线上芯片（COL）是目前SMT生产中涌现出的先进封装技术。这两种技术是使用传统的线焊方法使芯片与小型引线框架形成电子连接。因此，使用LOC技术，有引线框架的引线可连接到芯片的面上，而不是连接于底部（沿着芯片的中心轴进行线焊，而不是在四边进行线焊，这样就可使引线更短）。而使用COL技术，通过较短的线焊可将引线框架上的引线连接到芯片的底部，这种技术可获得极好的电子性能。LOC和COL的尺寸基本上与芯片相等。塑料球栅阵列（PBGA）使封装实现了极小化，
16、其使针脚分布于底部。多数PBGA使用不同的COB技术将单芯片连接到有引线框架类型带的BT层压板。芯片和线焊用环氧树脂包封，为了与板子形成互连，添加外部焊料球阵列。提高了间距和共晶焊料球明显地简化了PBGA与板子组装的工艺。PBGA矩阵实现了在单带基板组装几个芯片，可使总成本大幅度下降。PBGA技术在芯片上的应用，延长了传统的芯片连接和线焊背面未端组装设施的使用寿命这是在老工厂的一种新的应用！当倒装片工艺远远满足了可靠性的要求及线焊达到较经济的情况时，可获得其他的性能和有可能节约成本。最终，当制造厂家很少依赖线焊技术时，倒装芯片和PBGA技术将组合起来。9 组装先进封装使用的设备先进封装使得整个
17、电子工业处于一个过渡时期。当你参与工业竞争时，在过去的35年中，封装的发展状况类似于半导体的发展状况。在过去的68年中，封装获得推广应用，特别是随着BGA和面阵列技术的问世。据预测新型封装的数量将每5年翻一番。实际上，先进封装重点是放在半导体和SMT组装技术产品。半导体工业传统上注重精度和速度。由于贴装的元件只是一种类型，所以柔性并不是主要问题。另一方面，由于不同类型的元件贴装在同一块板子上，批尺寸趋于更小，为此，SMT必须将重点放在柔性和可编程性上。为了利用新封装的优点，制造厂家要求组装厂家将速度、精度和柔性相结合。在种类繁多的先进封装技术中，目前还不清楚哪种封装技术将成为主导技术。不过，首
18、要的一点要求是在贴装半导体晶片时必须达到精确性，由于产量的提高，必须直接从晶圆上拾取切片。在将晶片连接到基板上时使用的附加工艺有：加热、施加胶粘剂或涂覆焊剂。为了提高其竞争力，制造厂家必须做好准备面对和接受所有的先进封装技术。在选择组装设备时，必须观注设备和供应厂商的各方面特性和能力。组装设备特别应满足下面几点要求：1）完全符合倒装片贴装的容差；2）为支持目前机器所加工的品种繁多的元件，应提供柔性和模块；3）应具有能够随时可“插入”的硬件和软件模块式机械和电子控制系统结构，以便在新的技术问世时，能够得到及时的应用。据预测，便携式消费类产品，以 2006年系统的制造将占60%以上的市场份额，而且
19、很有可能被用于某些类型的先进封装技术中。然而，传统的SMD在半导体封装市场仍将占有60%以上的份额 单位。因此，组装设备必须是不仅能够用于各种不同的传统元件的加工，而且还能够满足更多的先进封装新的需求的应用。10 0201无源元件的发展趋势在过去的几年中，随着人们使用的便携式电话、寻呼机和个人辅助用品数量的急剧上升，使得消费类电子工业火爆发展。在更小、更快、成本更低需求的推动下，对小型化技术研究的必要性也成为无止境的需求。多数移动式电话制造厂家现在已将0201无源元件用于其所有的最新设计中，而且在不远的将来，其它工业领域也将采用这种技术。汽车制造工业的无线通讯产品也在将0201技术应用于GPS
20、系统、传感器和通讯设备中。医疗行业也利用0201尺寸小的优点，将其应用于医疗器械中，如象；助听器和心脏起博器。许多公司将0201技术用于多芯片模块（MCM）中，以降低总的封装尺寸。使用这种MCM器件，通过直接用裸芯片进行封装，用于2级板组装上的封装体模压，使得0201技术距半导体工业更近了。还需要做更多的研究来认证焊盘设计、印刷、贴装和再流工艺窗口，以便使0201无源元件在全面的推广应用之前，能够实现较高的一次合格率及高产量。11 SMT中应用的光电技术光电子技术，顾名思义是光子学和电子学的组合技术。光子在电路中可取代电子以形成元件之间的连接。其显著特点是由于光子以光的速度运行，所以其速度要比
21、电子快得多。光学系统的成本很高，所以只有一些尖端技术和主要用户才用得起或必须使用。电信使用的激光占有二极管激光市场的65%，51亿美元的市场份额。激光用于不同的应用领域，不过在每种应用中用途都是一致的：作为光源。 用于SMT中的光电器件是以高频率的光波作为载波，因此，不仅具有功能强、体积小、重量轻、功耗小、工作稳定可靠、便于大规模生产等IC的一般特点外，还具有响应速度快、频带宽和光并行性等光波器件的特点。预计在今后的五年中，这种技术将逐渐推广应用，被组装生产厂家所接受。在人们不断地追求更薄、更小、更轻的产品的推动下，最近两、三年，德国和其它几个国家先后开发研制出了光电器件，并将这种元件用于表面
22、组装技术中。这种器件的主要优点是其提高了数据传送速度。光电电路板是一种可使光电表面组装元件之间完全兼容的混合载体。这种载体的关键元件被称为光电电路板（EOCB）。这种电路板（EOCB）是一种带有波导结构的附加光层（见图9所示）。将波导用于电路板。用标准的PCB制造技术可产生光层。图9 装有光电“导线”的载体， 类似于VCSELs和PINs的光电器件直接与波导耦合。 在光学元件领域，有无数的产品类型。一般，光学元件可以分为无源或有源元件。在这些分类之下，还可将各种元件类型进行细分：诸如多路转换器、隔离器、循环器、波长锁与发射器、放大器、路由器和开关等。加上那些参与竞争的元件制造商使用的各种结构与
23、技术，元件仍将朝着多品种的方向发展。由于技术的快速发展，使得标准化工作滞后，跟不上发展，致目前为止，还没有可供参照的标准文件。虽然电子工业的许多领域已进入萧条，但是光电子学(optoelectronics)却作为新的亮点闪现出来。光学电子是连接光子元件与电气电路的元素。光子是有源元件和无源元件以及产生光学通路的互联元件。光电封装是光子、光学电子和电子元件的系统集成，它遵循许多物理限制，如(dB)插入损失、温度、材料、可靠性、成型因素、可制造性和成本。封装和装配包括元件、模块、板与子系统等级别。11.1 光电子技术存在的问题在OE中，一个关键问题是自动化。OE元件装配工艺，特别是光纤对位与连接，
24、速度慢，而且还是一种劳动密集型技术。精度和速度是自动化的两个应考虑的因素。例如，多路转换器和放大器要求12m的精度。在现有的机器上每小时200300个元件的速度可以用来仿真这些元件。激光器和光敏二极管要求5m的精度。为了自动放置这些元件，每小时50100个元件的速度是可以达到的。还有一些情况是透镜、激光器和放大器需要小于1m的精度。这些元件只能以每天3040的速度放置。对于那些可以准确和迅速地贴放元件的设备供应商将是一个巨大的市场。在某些情况下，只是精确地放置是不足以满足技术的需求的 通过相同的机器在放置之后立刻安装。这意味着我们需要集成化的装配系统，而不只是贴放的机器。12 绿色制造无铅焊料
25、由于含铅焊料，尤其是锡-铅（Sn/Pb）合金集成本低、优良的焊接特性、抗疲劳性、充分的熔融温度范围及理想的物理、机械和冶金特性等优点于一体，所以，被广泛地用于电子制造业中。然而，由于铅的毒性，使得铅在电子制造中的应用受到控制及立法的约束，这也是人们越来越关心的问题。虽然，在电子组装中将铅用于焊料中至今并没有完全禁止，但是随着人们环保意识的提高和越来越重视工人的健康推动着电子组装工业开发无铅焊料替代物。目前已开发出的常用锡铅合金替代物已面市，这些无铅产品各有利弊，不能满足所有的要求，只能满足某种应用要求，为此，在今后的几年中有关人员将花费大力气来开发研制可与锡铅焊料蓖美的替代产品。适用于电子组装
26、的无铅焊料替代物必须满足下列标准：熔融温度类似于锡铅焊料。塑性范围小。充分的润湿性能。等同于锡铅焊料的物理性能。优良的抗疲劳特性。具有与现有的液体助焊剂系统的兼容性。具有象焊膏那样的充分的贮存寿命和性能。能够形成现有焊料具有的物理特性的焊点。无毒性。当用于波峰焊接工艺中时，产生的浮渣少。成本低。12.1 替代物成分实际上，所有的无铅焊料替代物都将锡作为每种替代物中的主要成分之一。为了满足熔融温度的技术要求，而往焊料合金中掺入的其它成分有（Bi）、镉（Cd ）、铟（In）、锌（Zn）、金（Au）、钛（Ti）、镓（Ga）、水银（Hg）、铜（Cu）、锑（Sb）和银（Ag）但是，可使用的元素远不止这些
27、。本文仅列出了几种常用的成分。12.2 合金焊料的评估到目前为止，已对某些共晶合金体系，如象；铋-锡；铟-锡；锡-银；锡-铜和锡-锌进行了广泛深入的研究，其它的焊料合金，如象；锡-铋-银；锡-铟-银；锡-锑；锡-锌-铟及上述的共晶合金与其它元素的混合物，由于这些合金的机械强度和抗蠕变性显示出其具有广阔的发展前景。在今后的几年中，无铅替代产品的成本成为竞争的焦点，有关制造厂家正在围绕多功能和价格低廉方面努力创新。因此，在未来的二、三年中将会有不少新型的无铅焊料问世。13 未来需求自动化的制造实际上是不存在的，封装和组装标准有待制定。由于元件的数量，效率低；而潜在的产量是大的，今天的市场小，缺乏规模经济。为了使市场达到全部的潜力，要求在光电产品的设计者与那些将制造这些元件、模块和系统的公司之间进一步的沟通。虽然，先进的封装仍处于初期的应用阶段，但是，通过提高IC密度，降低互连的总长度和数量，可满足用户的“更小、价廉、更快”的产品需求，从而实现提高设备的可靠性的目的。因此，制造厂家应充分利用先进封装技术的这些优势，参与市场的激烈竞争和挑战。