超越BGA封装技术

杨建生（天水华天微电子有限公司技术部，甘肃 天水 741000）摘要：简要介绍了芯片级封装技术诸如芯片规模封装（CSP）、微型SMT封装（MSMT）、迷你型球栅阵列封装（miniBGA）、超级型球栅阵列封装（SuperBGA）和 mBGA封装。

关键词：芯片规模封装；微型球栅阵列封装

中图分类号： TN305.94 文献标识码： B 文章编号：1003-353X(2003)09-0052-03

BGAs封装已成为当今制造的主流，并已发展成为新一代微型BGA封装技术。芯片规模封装就是比裸芯片略大一些或几乎与裸芯片一样大的封装形式，即微型的BGA封装技术。虽然芯片规模封装的产品在设计和结构方面与别的封装产品存在差异，并依赖于供应商而定，但是它们具有一些共同的特性，拥有显而易见的优越性。

其一为高密度，芯片规模封装器件中硅片部分与封装部分的比率接近于1。这表明与BGAs或别的表面安装技术封装相比较，利用率和效率更高，封装效率已达到50%～90%。

其二为操作技术，在芯片规模封装技术中，把芯片在典型状况下进行密封，从而避免了裸芯片所需要的任何专门的操作技术。

其三为可测试性，芯片可在具有各种外部连接的封装中测试，而不履行芯片的各种探测技术，并且也不冒可能把焊盘损坏的危险。标准的体尺寸会使测试夹具装置易于使用，再者，芯片规模封装器件通常具有从芯片焊盘到外部连接的短连接途径，这可有助于电特性的改善。

总之，芯片规模封装提供了裸芯片封装技术尺寸和性能方面的优越性，从而避免了部分缺陷，具有较高的I/O 密度，引脚更短，与PCB的接点面积更大，体积更小，因而有效地改善了电性能和热设计性能。如今，芯片规模封装已成为主流封装形式，主要应用于存储卡、PC卡、便携式电子产品和移动电话等领域。

2三菱公司的CSP封装

日本三菱公司称其设计的芯片规模封装为 CSP。在此封装中，把一芯片进行模塑包封，并把其焊盘通过芯片上的导体图形与外部凸点相连接。与传统的表面安装技术不同，此类封装不包括引线框架或焊丝，因为不使用丝焊技术，芯片焊盘可做得比正常的小些。

日本三菱公司的研究人员研制出三种模式的 CSP封装形式，主体尺寸为6.35mm×15.24mm×0.65mm，芯片尺寸为5.95mm×14.84mm×0.4mm。第一种模式拥有一个（5×12）60个凸点的阵列，直径为0.68mm，间距为1.0mm。第二种模式，阵列增加为96个凸点（6×16），而在较窄的0.8mm间距上采用较小的直径为0.55mm的凸点。第三种模式，仅呈现为外部两排阵列的形式，凸点数32（2×16）。其典型结构尺寸如表1所示，CSP的凸点断面图形如图1。

CSP封装从外表看上去是简单的，但是此封装的构造并不是直截了当的。三菱公司选取了TiN和Ni/Au二重冶金技术，使芯片从内部焊盘到外部凸点形成线连接。为了确定凸点的位置，在圆片上涂覆起保护作用的聚酰压胺膜。通过一层厚的光刻胶把铅和锡焊膏蒸敷到圆片上，以便在凸点位置形成高湿焊料层（95%Pb/5%Sn）。

凸点由两部分组成，传导的内部凸点和外部焊料凸点。表面上看起来，在新的工艺中，使内部凸点形成镍/薄镀金的铜镀层（高度100 mm），并粘贴到不锈钢框架上。把芯片置于该框架之上，并校准凸点部位与这些内部凸点的位置。在氢气和氮气环境中加热，芯片上的焊料层使内部凸点润湿，从而提供了小的负载。接着，把芯片进行密封，要么通过传递模塑，要么通过球顶部树脂模塑，剥去不锈钢框架，完成内部凸点传导过程。内部凸点熔融之后，把焊料球置于封装底部覆盖模板处，然后回流焊到内部凸点。

三菱公司已模拟了3种CSP模式的焊点疲劳状况，并计算出循环数达50%失效。就装配到玻璃环氧树脂板的情况而言，60个凸点阵列数目为 621，96个凸点阵列为478，有两排16个凸点的模式为129。该公司声称，除最后的一种模式之外，这些结果与可预料到的宽度为400密耳的TSOP封装情况相类似。

按照公司的状况，目前还需要做有关可测试性和耐湿性方面的工作。另外，三菱公司提供较低管脚数的器件，诸如各类存储器所采用的CSP封装。更进一步把此封装扩展为较高管脚数的ASIC，将意味着降低了凸点间距。虽然公司声称CSP封装的间距可被收缩到0.3mm，但是此间距问题也引起了诸如板设计、装配、测试和可靠性方面的诸多问题。

3MSMT封装

微型SMT公司研制出一种称为MSMT封装的芯片规模封装技术，也就是众所周知的微型或小型 SMT封装技术，封装部分与芯片部分的面积之比为1.0～1.2。它不同于标准的封装特征在于MSMT封装技术是在圆片级水平上进行的。使圆片的划线面积（或较高密度的压焊焊盘面积）在每一芯片周围形成硅支柱。通过溅射和蒸发的贵金属支撑的梁把这些端子连接到芯片焊盘上。再沿着这些端子—— 梁结构用环氧树脂、聚酰压胺或特氟隆密封芯片。

对较大的IC而言，微型SMT公司指出了在密封剂上使用一个帽盖的做法的优点，此帽盖确保了6mm之内端子的平面性，从而提供了对增加的散热及阻抗的控制能力。有了此帽盖，MSMT封装的高度为0.5mm，而无此帽盖，断面降至0.3mm。

该公司预计小于80线的IC产品的引线间距将为 0.3～0.4mm，例如在1812尺寸中计划的28线的MSMT封装产品具有0.4mm的引线间距。

微型SMT公司把其生产方向集中于低引线数领域，乐于解决100线及100线以下的封装产品的各类问题。深信其MSMT技术将降低封装成本，如 SOIC产品，如果加工4英寸圆片的1206器件与SOIC产品的0.08美元和0.12美元的成本相比较，MSMT 封装的IC产品的成本小于0.05美元。若变为6英寸圆片的话，成本就降到0.03美元，再者，把MSMT 封装用于晶体管封装的优越性是其成本为IC封装中产品成本的70%。该公司列举了MSMT封装的其他优点，通过其端子——梁构造，嵌入挠性，不象传统的倒装片，不需要下填充物来补偿芯片和板之间的CTE差异。另外，与倒装片相比，MSMT器件面朝上安装，这为RF IC提供了屏蔽。最后，该公司声称，MSMT封装的焊盘可经得住多种探测。

4miniBGA、superBGA和μBGA

Tessera公司已研制出又一种芯片规模封装的方法，称其为mBGA。mBGA使用挠曲电路插件把芯片上的各种周边连接转换为面阵列，把柔性聚酰压胺电路短的金引线超声热压焊到芯片焊盘。该公司声称mBGA通常在间距为80 mm状况下压焊，并可变得更窄。用厚度为几个微米的弹性体焊盘/粘合剂把挠曲电路粘附到芯片的表面。此弹性材料具有两个功能，它压缩插头测试，并且与柔性引线一起压焊，起着从基板上隔绝芯片的热膨胀的作用。此封装提供了真正的芯片尺寸封装，消除了来自印制电路板的应力。

μBGA的凸点高度为85mm，典型状况下由镀薄金的镍构成，间距范围为0.5mm～1.5mm。虽然此封装通常情况下密封于金属壳体之中，但是为了热耗可把芯片的背部暴露。为了保护封装边缘，可使用载体环。除尺寸之外，可测试性、封装上短的轨迹和背部冷却已成为mBGA封装的显著优点。Tessera公司声称，该封装的弹性体材料和挠曲层提供了对来自铅放射性衰变的α粒子放射物的足够的阻挡层，因为α粒子可引起软误差。另外， mBGA是一种小、薄、高性能单片封装，Hitachi公司已引进了672个管脚的 mBGA封装的ASIC系列，并已形成批量生产。

Sandia National Laboratories的miniBGA（mBGA）封装也是基于芯片规模封装考虑的封装技术。mBGA封装技术把传统的芯片转变成适合于倒装片粘贴的芯片，此封装仅仅是又一种形式的倒装片封装，因此属于裸芯片范畴。mBGA封装的尺寸更小，比芯片尺寸大不了多少。此封装是把BGA 和倒装片技术的最佳特点相结合而形成的CSP封装形式。

裸芯片不是空间和重量受限制的商用电子产品的唯一的新的封装方式，Amkor/Anam公司已引进了superBGA封装技术，对此超越BGA封装技术的设计，应考虑速度、热控制、I/O 数和安装高度。在典型的256 I/O模式中，较薄的BGA拥有的安装高度为1.0mm，重2.0g，根据模型数据，352 I/O的superBGA封装提供的热阻小于10℃/W，此种类型的新封装考虑到的速率大于1.5GHz。

superBGA为一种腔体向下型设计的封装，把芯片置于封装球侧面的腔体中，并直接粘贴到覆盖封装顶部表面的薄的铜散热器上。采用超声热球压焊技术，完成BGA的PCB基板从芯片到粘结层的金丝连接，芯片和腔体均用液态树脂装置填充。在BGA基板中，典型的线宽和间隔宽度分别为0.075mm和0.100mm，并且使用各种通路使电连接或热连接在设计方面多达5个金属层。但是为了增大电特性，应使各种通路的使用减到最小程度，散热片起着接地平面的作用，并使轨迹长度变短。对一27mm 2的superBGA而言，典型的自身电感数值，小于方形扁平封装（QFP）的状况。Amkor/ Anam公司声称此新型的BGA封装具有优越的可靠性，这是由于各种材料和工艺所形成的。通路数量的减少、刚性散热层以及PCB散热结构的各种技术使挠曲和翘曲最小化。SuperBGA封装经受的测试技术条件为JEDEC等级2标准：85℃/60%RH/168h。SuperBGA封装在Amkor/Anam公司已形成批量生产。

5结语

由于便携式电子产品，如手机、笔记本电脑等，体积越来越小，重量越来越轻，功能越来越多，要求元器件的尺寸和元器件之间的间距尺寸越来越小。CSP，mBGA，miniBGA、superBGA和MSMT封装等超越BGA封装技术的出现正是顺应这一发展趋势的产物，这些封装技术在高密度微电子封装技术中占据着重要的位置，封装的引脚间距已从原来的1.5mm，1.27mm，1.0mm逐步向窄间距0.8mm和0.5mm转移。根据从世界上各大公司已经推向市场并进入实用阶段的超越BGA封装品种的分析，21世纪初，这些微型BGA封装将以成熟的工艺、低廉的成本、便利的更小的更灵巧的和更薄的封装形式出现，在电子产品中的应用量会逐渐上升，并将取代QFP成为高I/O 数IC封装的主流。