微电子封装技术的发展趋势

微电子封装技术的发展趋势陆逢（中国矿业大学材料学院，221116）【摘要】:论述了微电子封装的发展历程，发展现状和发展趋势，主要介绍了几种重要的微电子封装技术（BGA封装技术.CSP封装技术.MCM封装技术.3D封装技术.SIP封装技术等）。封装技术的进步满足了人们的需求，促进了电子产业的发展。【关键词】：微电子技术；封装；BGA；MCM；3D封装；SIP0引言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[9]，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和单位时间处理速度的提高成为促进微电子封装技术发展的重要因素。封装承接承接集成电路的制作，是电子产品制造过程的重要环节，它保护芯片，并提供元器件之间的信号传递。人们对电子产品的要求逐步提高，因而对PCB的依赖性越来越大。PCB的制作逐步向高密度.多层化.细线路发展，电子产品也趋于轻.薄.密.小，推动了封装小型化[1]。1微电子封装的发展历程集成电路封装的引线和安装类型有很多，按安装到电路板的方式可分通孔插入式和表面安装式，目前的电子封装主要采用表面贴装方式，通孔插入的方式已经很少使用，只用在在个别部件。集成电路封装的历史，其发展主要划分为三个阶段。第一阶段，在二十世纪七十年代之前，以插装型封装为主。包括最初的金属圆形(TO型)封装，后来的陶瓷双列直插封装、陶瓷-玻璃双列直插封装和塑料双列直插封装(PDIP)。尤其是PDIP，由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。第二阶段，在二十世纪八十年代以后，以表面安装类型的四边引线封装为主。当时，表面安装技术被称作电子封装领域的一场革命，得到迅猛发展。与之相适应，一批适应表面安装技术的封装形式，如塑料有引线片式裁体、塑料四边引线扁平封装、塑料小外形封装以及无引线四边扁平封装等封装形式应运而生，迅速发展。由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装，使PQFP成为这一时期的主导产品。第三阶段，在二十世纪九十年代以后，以面阵列封装形式为主。二十世纪九十年代初，集成电路发展到了超大规模阶段，要求集成电路封装向更高密度和更高速度发展[1]。一般说来，微电子封装分为三级[14]。所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后，将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB)和倒装芯片键合(FCB)连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类。应该说，一级封装包含了从圆片裂片到电路测试的整个工艺过程，即我们常说的后道封装，还要包含单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)的设计和制作，以及各种封装材料如引线键合丝、引线框架、装片胶和环氧模塑料等内容。这一级也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装到印制板或其它基板上，成为部件或整机。这一级所采用的安装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术(SMT)和芯片直接安装技术(DCA)。二级封装还应该包括双层、多层印制板、柔性电路板和各种基板的材料、设计和制作技术。这一级也称板级封装。三级封装就是将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统，这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材料、设计和组装技术[3]。这一级也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从一极封装到三极封装的全部技术内容。在国际上，微电子封装是一个很广泛的概念，包含组装和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCP)设计和制造、多芯片封装(MCM)设计和制造、芯片后封装工艺、各种封装基板设计和制造、芯片互连与组装、封装总体电性能、机械性能、热性能和可靠性设计、封装材料、封装工模夹具以及绿色封装等多项内容[3]。有人说，微电子封装就是封装外壳；又有人说微电子封装不过是无源元件，不可能是有源；还有人说，微电子封装不过是个包封体，可有可无，等等。这些看法都是片面的，不正确的。我们应该把现有的认识纳入国际微电子封装的轨道，这样既有利于我国微电子封装界与国外的技术交流，也有利于我国微电子封装自身的发展。下面着重介绍几种重要的微电子封装技术。1.1BGABGA芯片具有多引脚、信息处理量大、芯片尺寸小等特点[4]。BGA器件的封装结构按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点按封装材料分为陶瓷球栅阵列，载带球栅阵列，塑料球栅阵列。柱状焊点按封装形式又称为陶瓷柱栅阵列。目前主板控制芯片组多采用此类封装技术，材料多为陶瓷。采用BGA技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下，内存容量提高两到三倍，BGA与TSOP相比，具有更小体积，更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP封装的三分之一；与传统TSOP封装方式相比，BGA封装方式有更加快速有效的散热途径。BGA封装技术是采用将圆型或者柱状焊点隐藏在封装体下面，其特点是引线间距大、引线长度短[16]。在组装过程中，它的优点是消除了精细间距器件由于引线而引起的共平面度差和翘曲度的问题。缺点是由于BGA的多I/O端位于封装体的下面，其焊接质量的好坏不能依靠可见焊点的形状等进行判断，运用市面上昂贵的专用检测设备，也不能对BGA的焊接质量进行定量判定。因此，在BGA的组装过程中，由于焊点的不可见因素，其焊接质量很难控制。全面了解影响BGA焊接技术的质量影响因素，在生产过程中有针对性的进行控制，能有效提高BGA芯片的焊接质量，确保通信产品的可靠性和稳定性。BGA封装，即焊球阵列封装，它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I／O端与印刷线路板(PCB)互接[4]。采用该项技术封装的器件是一种表面贴装型器件。与传统的脚形贴装器件(LeadedDe~ce如QFP、PLCC等)相比，BGA封装器件具有如下特点:I／O数较多。BGA封装器件的I／O数主要由封装体的尺寸和焊球节距决定。由于BGA封装的焊料球是以阵列形式排布在封装基片下面，因而可极大地提高器件的I／O数，缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。BGA阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。明显地改善了I／O端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。1.2CSPCSP,即芯片尺寸封装。它的面积与芯片尺寸相同或比芯片尺寸稍大一些,而且很薄。CSP技术是在电子产品的更新换代时提出来的,它的目的是在使用大芯片替代以前的小芯片时,其封装体占用印刷板的面积保持不变或更小。由于CSP产品的体积小、薄,因而它改进了封装电路的高频性能,同时也改善了电路的热性能[11]:另外,CSP产品的重量也比其它封装形式的轻得多,除了在手持式移动电子设备中应用外,在航天、航空,以及对电路的高频性能、体积、重量有特殊要求的军事方面也将获得广泛应用。CSP封装内存不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2毫米，大大提高了内存芯片在长时间运行后的可靠性，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度提高。CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%-20%。在CSP的封装方式中，内存颗粒是通过一个个锡球焊接在PCB板上，由于焊点和PCB板的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去[15]。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为35℃/W，而TSOP热阻40℃/W[16]。CSP封装具有如下特点：体积小.输入输出端可以很多.电性能好.热性能好.重量轻[15]。1.3MCMMCM（多芯片组件）是将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术[7]。MCM是在混合集成电路的基础上发展起来的一项微电子技术，其与混合集成电路没有本质的区别，只是MCM封装具有更高的性能.更多的功能和更小的体积。MCM技术可以概括为：多层互联基板的制作与芯片连接两大技术部分。芯片连接可以用打线键合.TAB或C4等技术完成；基板可以是陶瓷.金属.高分子，利用厚膜.薄膜或多层陶瓷共烧等技术制成多层互联结构。随着电子装备日趋复杂,工作频率提高,功耗更大,微电子封装对器件和系统的影响越来越大。封装材料的性能决定着封装能够满足要求的程度。由于产生大量热的器件需要一个高热导通道来散热,以保证芯片在安全的工作温度下工作。如果芯片温度超出此安全工作温度,器件就会发生早期失效。MCM有很好的散热条件，可以解决这一问题。根据所用多层布线基板的类型不同，MCM可分为：叠层多芯片组建（MCM-L）陶瓷多芯片组建（MCM-C）沉积多芯片组建（MCM-D）混合多芯片组建（MCM-C/D）MCM-L是采用多层印制电路板做成的MCM，制造工艺较成熟，生产成本较低，但因芯片的安装方式和基板的结构所限，高密度布线困难，因此电性较差。MCM-C是采用高密度多层布线陶瓷基板制成的MCM，结构和制造工艺都与先进IC几乎先似。其优点是布线层数多，布线密度、封装效率和性能均较高。MCM的优点：可大幅提高电路连线密度，增进封装的效率可完成“轻、薄、短、小”的封装设计封装的可靠度可获得提升MCM的缺点及发展的制约因素：由于没有标准的设计规范和生产工艺，缺乏KGD，以及设备、材料和工艺成本比较贵，此外只要一个元器件失效，整个组件就得报废。MCM所组装的LSI、VLSI和ASIC通常为裸芯片，确定好裸芯片来源的问题一直没有从根本上解决3D封装模型1.43D封装随着消费类电子设计降低到45nm甚至32nm节点,在二维平面上封装电子元件的集成度已经达到了极限[5]。为了在相同的空间内集成共多的电子元器件，人们把目光投向了三维封装。三维（3D）封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。它使单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增。它将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小；再则，它将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路；最后，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小数十倍。正是由于3D封装拥有无可比拟的技术优势，加上多媒体及无线通信设备的使用需求，才使这一新型的封装方式拥有广阔的发展空间。采用3D封装技术能提高封装密度、增强产品性能、提高速度、降低功耗、降低噪声、实现电子设备的小型化和多功能化,还能使设计自由度提高,开发时间缩短。另外,可靠性也是其一大优势,可以利用3DTSV取代引线键合或倒装互连,利用3D堆叠晶圆级光学元件取代注塑模透镜模组,通过若干层的垂直集成,制造出可靠性更高的系统。3D封装的形式有很多种,主要可分为填埋型、有源基板型和叠层型三类。填埋型即将元器件填埋在基板多层布线内或填埋、制作在基板内部。有源基板型是用硅圆片集成技术做基板时,先采用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成化,形成有源基板,然后再实施多层布线,顶层再安装各种其他IC芯片或元器件,实现3D封装。这一方法是人们最终追求并力求实现的一种3D封装方法。叠层型是将两个或多个裸芯片或封装芯片在垂直芯片方向上互连形成3D结构。目前有许多种基于堆叠方法的3D封装,主要包括:硅片与硅片的堆叠、芯片与硅片的堆叠以及芯片与芯片的堆叠。封装的工艺成本主要取决于已知合格芯片。最常见的裸芯片叠层3D封装先将生长凸点的合格芯片倒扣并焊接在薄膜基板上[6]，这种薄膜基板的材质为陶瓷或环氧玻璃，其上有导体布线，内部也有互连焊点，两侧还有外部互连焊点，然后再将多个薄膜基板进行叠装互连。