圆片级封装技术及其应用

云振新(国营970厂，四川成都610051)

摘 要：本文介绍了圆片级封装的设计考虑、基础技术、可靠性、应用情况及发展趋势。

关键词：圆片级封装；薄膜再分布技术；焊料凸点技术

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A

1引言

现代电子装置对小型化、轻量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化方面的要求不断提高且日益迫切。移动通信手机、因特网电子商务无线接人系统及蓝牙系统与全球定位系统(GPS)的无线数据传输链路就是提出这些要求的典型例子。现代电子装置的需求促进了微电子技术的发展。IC芯片的特征尺寸不断缩小，现已达到深亚微米水平；IC芯片的集成规模迅速扩大，目前已可在单芯片上实现系统的集成。随着IC芯片技术的发展，芯片封装技术也不断达到新的水平。特别值得注意的是1995年以来出现的焊球阵列封装(BGA)和芯片尺寸封装(CSP)。BGA的外引线为焊料球，焊球以阵列方式排列在封装的底面，焊球节距为1.5-1.0mm，封装基板可以为陶瓷或PCB。CSP的硅芯片面积和封装所占印制板面积之比大于80％，外引线可以是引线框架的引线、焊料球或焊料凸点。目前，已可将CSP的焊料凸点直接做在硅圆片的各个芯片上，然后再切割成独立的可以直接倒装焊的IC芯片，这就是最新一代的圆片级封装(WLP)。

WLP以BGA技术的基础。是一种经过改进和提高的CSP。有人又将WLP称为圆片级芯片尺寸封装(WLP-CSP)它不仅充分体现了BGA、CSP的技术优势，而且是封装技术取得革命性突破的标志。圆片级封装技术采用批量生产工艺制造技术，可以将封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降，并且把封装与芯片的制造融为一体，将彻底改变芯片制造业与芯片封装业分离的局面。正因为圆片级封装技术有如此重要的意义，所以，它一出现就受到极大的关注并迅速获得巨大的发展和广泛的应用。据报道，圆片级封装产品，2000年约为20亿只，2005年预计将增长为120亿只。[1]可见，增长速度十分惊人。我们对圆片级封装技术应给以足够的重视和研究。

2概述

2.1术语

在讨论圆片级封装技术时要用到一些术语。为避免混淆，我们对这些术语作一简要说明。

(1)凸点芯片

凸点芯片是指采用焊料凸点实现电气互连的芯片，而且芯片从圆片上切割下来投入使用时需要进行额外的封装加工。

(2)芯片尺寸封装

芯片尺寸封装是由凸点芯片封装而成，封装尺寸比芯片尺寸稍微大一些。

(3)圆片级封装

圆片级封装具有与芯片相同的尺寸，而且它的封装加工是在圆片上进行的，圆片切割后的单个封装可直接用于最终的安装。

(4)圆片级封装技术用来加工可直接在最终基板或最终系统平台上安装的芯片或器件。

2.2圆片级封装简介

一般来说，IC芯片与外部的电气连接是用金属引线以键合的方式把芯片上的IlO(输人端口／输出端口)连至封装载体并经封装引脚来实现的。IC芯片上的IlO(铝焊区)通常分布在周边上。随着IC芯片特征尺寸的减小和集成规模的扩大，I／O的间距不断减小、数量不断增大。当IlO间距减小至70μm以下时，引线键合技术就不再适用，必须寻求新的技术途径。圆片级封装技术利用薄膜再分布工艺，使I/O可以分布在IC芯片的整个表面上而不再仅仅局限于窄小的IC芯片的周边区域，从而成功解决了上述高密度、细间距I/O芯片的电气连接问题。传统封装技术是以圆片划片后的单个芯片为加工目标，封装过程在芯片生产线以外的封装厂或封装生产线内进行。圆片级封装技术截然不同，它是以圆片为加工对象，直接在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，其封装的全过程都在圆片生产厂内运用芯片的制造设备完成，使芯片的封装、老化、测试完全融合在圆片生产流程之中。封装好的圆片经切割所得到的单个IC芯片，可直接贴装到基板或印制电路板上。由此可见，圆片级封装技术是真正意义上的批量生产芯片封装技术。

圆片级封装是尺寸最小的低成本封装。它像其它封装一样，为IC芯片提供电气连接、散热通路、机械支撑和环境保护，并能满足表面贴装的要求。圆片级封装成本低与多种因素有关。第一，它是以批量生产工艺进行制造的；第二，圆片级封装生产设施的费用低，因为它充分利用了圆片的制造设备，无须投资另建封装生产线；第三，圆片级封装的芯片设计和封装设计可以统一考虑、同时进行，这将提高设计效率，减少设计费用；第四，圆片级封装从芯片制造、封装到产品发往用户的整个过程中，中间环节大大减少，周期缩短很多，这必将导致成本的降低。此外，应注意圆片级封装的成本与每个圆片上的芯片数量密切相关。圆片上的芯片数越多，圆片级封装的成本也越低。

圆片级封装主要采用薄膜再分布技术、凸点技术等两大基础技术。前者用来把沿芯片周边分布的铝焊区转换为在芯片表面上按平面阵列形式分布的凸点焊区。后者用于在凸点焊区上制作凸点，形成焊球阵列。

3 I／O数与芯片尺寸

当沿芯片周边分布的I／O转换为在芯片整个表面上呈阵列分布的IlO时，能设置的I／O数将大大增加，设置IlO的方式也很灵活、多样。对于高IlO数芯片，可在整个芯片表面设置焊球阵列。对于I／O数较低的芯片，可选择芯片表面的部分区域设置焊球。

对于复杂的高IlO数IC芯片而言，芯片的尺寸取决于IlO的密度，而不取决于电路的规模。芯片的尺寸与I／O数有着极为密切的关系。当我们要确定一种IC芯片能否采用圆片级封装时，必须对芯片上铝焊区的数目和要求的焊球(凸点)的节距进行分析，要弄清楚芯片表面是否有足够面积容纳所需的I／O数。图1给出了周边分布I／O(节距为100μm)和阵列分布I/O(节距为250μm)两种情况下，方形芯片边长与I/O数的关系曲线。[2]从图中可以看出，周边分布时，芯片的边长随I／O数的上升而急剧变大；阵列分布时，芯片的边长随I／O数的增长仅仅是缓慢地变大。图中的比较充分说明了I／O阵列分布的优越性。像CSP一样，圆片级封装也是按SMT(表面贴装)所要求的0．8mm、0．75mm、0．65mm、0．5mm等节距来制造阵列分布I／O的。图2给出了这四种节距情况下，方形芯片边长与阵列分布I／O数的关系曲线。[3]图中的曲线表明，节距为0.8mm-0.5mm时，芯片尺寸可容纳的阵列分布I／0数。同样的芯片尺寸，节距越小，可设置的阵列分布I／O数也越多。当SMT采用0．5mm、0．4mm这类较小的节距时，采用同样节距的圆片级封装的I／O数也将大幅度增加，从而使种类更多的IC芯片适合使用圆片级封装。根据汇芯片的尺寸、I／O数和阵列分布I／0的节距要求，可以用图2的曲线来初步评估该IC芯片采用圆片级封装是否可行。

4 圆片级封装的基础技术

4.1薄膜再分布技术

薄膜再分布技术是指在IC圆片上，将各个芯片按周边分布的I／O铝焊区，通过薄膜工艺的再布线，变换成整个芯片上的阵列分布焊区并形成焊料凸点的技术。它不仅生产成本低，而且能完全满足批量生产便携式电子装置板级可靠性标准的要求，是目前应用最广泛的一种技术。K&S公司、Apack公司、UnitiveElectronics公司、Fraunhoferlnstitute公司和Amkor公司是应用薄膜再分布技术的代表性公司。

常规工艺制成的IC圆片经探针测试分类并给出相应的标记后就可用于圆片级封装。在封装之前，首先要对IC芯片的设计布局进行分析与评价，以保证满足阵列焊料凸点的各项要求。其次，要进行再分布布线设计。再分布布线设计分为初步设计和改进设计两个阶段进行。初步设计是将芯片上的I／O铝焊区通过布线再分布为阵列焊区，目的在于证实圆片级封装的可行性。按初步设计制造的圆片级封装，在设计、结构、成本等方面不一定是最佳的。圆片级封装的可行性将到验证之后，就可将初步设计阶段转入改进设计阶段。在这一阶段，要对初步设计进行改进，重新设计信号线、电源线和接地线，简化工艺过程及相关设备，以求获得生产成本最低的再分布布线设计。

薄膜再分布技术的具体工艺过程比较复杂，而且随着IC芯片的不同而有所变化，但一般都包含以下几个基本的工艺步骤：

①在IC圆片上涂复金属布线层间介质材料；

②沉积金属薄膜并用光刻方法制备金属导线和所连接的凸点焊区。这时，IC芯片周边分布、小至几十微米的铝焊区就转成阵列分布的几百微米大的凸点焊区，而且铝焊区和凸点焊区之间有金属导线相连接；

③在凸点焊区沉积UBM(凸点下金属层)；

④在UBM上制作焊料凸点。

4.2凸点技术

焊料凸点通常为球形。制备焊球阵列的方法有三种：

①应用预制焊球；
②丝网印刷；
③电化学沉积(电镀)。

当焊球节距大于7001μm时，一般采用预制焊球的方法。丝网印刷法常用于焊球节距约为200μm的场合。电化学沉积法可以在光刻技术能分辨的任何焊球节距下沉积凸点。因此，电化学沉积法比其它方法能获得更小的凸点和更高的凸点密度。采用上述三种方法制备的焊料凸点，往往都须经回流焊形成要求的焊球。

圆片级封装是一种表面贴装器件，对焊球阵列有严格的工艺要求。首先，在芯片和圆片范围内，焊球的高度都要有很好的一致性，以获得良好的焊球"共面性"。共面性是表面贴装的重要要求。只有共面性好，才能使圆片级封装的各个焊球与印制板间同时形成可靠的焊点连接。其次，焊球的合金成分要均匀，不仅要求单个焊球的成分要均匀，而且要求各个焊球的成分也要均匀一致。焊球材料成分均匀性好，回流焊特性的一致性也会好。 焊点连接的可靠性同焊料量的多少有密切的关系。焊点的高度和直径增加时，将使热疲劳寿命提高。焊点连接的可靠性对焊球的直径有一定的要求。对于节距为0．75-0．8mm的IC器件来说，焊球的直径通常为0．5mm。当节距减至0．5mm时，焊球直径将减小到0．30-0．35mm。

目前，用得最多的焊球合金材料是Sn／Pb共晶焊料。还使用一些其它焊球合金材料，例如，用于大功率键合的高Pb(95Pb／Sn)合金，用于环保"绿色"产品的无Pb合金等。

5圆片级封装的可靠性

当需要对一种新型圆片级封装技术进行评价时，封装制造厂应向用户提供必要的可靠性资料。如果未提供，用户应向封装制造厂索取。焊点的典型失效机理、可靠性试验的条件等都应包括在所提供的可靠性资料之中。封装制造厂要开展试验与研究来确定焊点最常见的失效机理。焊料疲劳、锈蚀和电迁移就是这类失效机理的典型代表。应注意可靠性试验条件详细资料的提供。OEM(原设备制造)厂商的要求可能因终端应用的不同而有很大的变化，甚至同类应用也会有不完全相同的要求。以蜂窝电话的热循环要求为例，一种用户可能要求-40℃~125℃、500次循环，而另一种用户就可能要求0~100℃、800次循环。与此相似，DRAM-SRAM的要求为-40℃~100℃、600~1000次循环，具体循环次数由用户确定。

进行可靠性试验时，有几个问题需要特别注意。拟定的失效判据必须合理，试验样本的大小应恰当。具有统计意义的样本量，是每个试验组选取22、45或77个样品。这样的样本量可以提高试验结果的置信度。较小的样本所得到的试验数据可以用于可靠性的初步评估，但不能用来评价项目总的可靠性特性。另外，要正确区分热循环试验与热冲击试验的差别，不要将二者相混淆。热循环试验采用单工作室系统，以不超过10~15℃／分的温度变化率在两个温度极值之间往复进行。通过热循环试验可以获得焊点的蠕变失效随时间变化的关系。这一试验结果与现场观察到的失效模型完全一致。热循环试验的温度变化率比较接近实际情况，可以用来模拟应用现场。热冲击试验是专门为具有不同结构和不同失效模式的各种封装而设置的，其温度变化率为0~25℃/分。利用热冲击试验可以了解焊点的弹性形变和塑性形变随时间变化的关系。这些形变可引发早期失效。鉴于上述情况，圆片级封装、芯片尺寸封装和焊球阵列封装都不宜采用热冲击试验而应选用温度循环试验。温度循环试验数据必须用 可靠性工程分析方法进行恰当的处理，才能获取有用的可靠性数据和信息。应当指出，为了揭示失效机理，封装级试验和板级试验都必须进行，单独作封装试验是不行的。表1列出了一种美国圆片级封装产品封装级与板级的可靠性试验结果。[3]

表1 UCSP75型圆片级封装（节距0.75mm,6×8I/O)规范类别失效机理试验方法试验条件试验结果（失效芯片数/总芯片数）封装级焊料疲劳热循环-65℃/150℃,1000次0/77腐蚀高压蒸煮121℃,2个大气压，100%RH，168小时0/77板级焊料疲劳在FR4板上进行热循环-40℃/125℃,1000次0/154电迁移，热迁移高温工作寿命15mA,1000小时，Tj=150℃,Ta=125℃0/239金属间化合物生成过多高温贮存150℃,1000小时0/228腐蚀85℃,85%RH85℃，85%RH，5V偏压，1000小时0/221

6 圆片级封装技术的应用

圆片级封装技术已广泛用于集成电路和集成无源元件。当器件的键合引线和封装载体所占的空间成为应用上考虑的重点或键合弓I线的微小电感影响射频应用和调整应用时，选用圆片级封装技术是十分适宜的。采用圆片级封装技术的Ic器件相当广泛，包括闪速存储器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驱动器、射频器件、逻辑器件、电源／电池管理器件和模拟器件(稳压器、温度传感器、控制器、运算放大器、功率放大器等)。此外，集成无源元件也在采用圆片级封装技术。据报道，[3]Ericsson公司的蓝牙耳机中使用了多个圆片级封装的集成无源元件。目前，大多数圆片级封装器件的I／O数还较少。不过，圆片级封装技术正在迅速发展，将很快就能满足高I／O数器件封装的需要。

7圆片级封装技术的发展趋势

圆片级封装技术要努力降低成本，不断提高可靠性水平，扩大在大型IC方面的应用。在焊球技术方面，将开发无Pb焊球技术和高Pb焊球技术。随着IC圆片尺寸的不断扩大和工艺技术的进步，IC厂商将研究与开发新一代圆片级封装技术，这一代技术既能满足300mm圆片的需要，又能适应近期出现的铜布线技术和低介电常数层间介质技术的要求。此外，还要求提高圆片级封装处理电流的能力和承受温度的能力。WLBI(圆片级测试和老化)技术也是需要研究的重要课题。WLBI技术是要在IC圆片上直接进行电气测试和老化，这对圆片级封装简化工艺流程和降低生产成本都具有重要的意义。

8 结束语

圆片级封装技术是低成本的批量生产芯片封装技术。圆片级封装与芯片的尺寸相同，是最小的微型表面贴装器件。由于圆片级封装的一系列优点，它在移动电话、笔记本电脑、电信网络设备、PDA等现代电子装置中获得了日益广泛的应用。现代电子装置的发展正推动着圆片级封装技术迅速进步。世界著名的半导体公司都十分重视圆片级封装技术的研究与开发。Atmel、Bourns、California MicroDevices、Dallas Semiconductor、Fairchild、富士通、日立；International Rectifier、Maxim、Micron、三菱、National Semiconductor、NEC、OKI、Philips、STMicroelectronics、Texaslnstruments、Xicor等众多半导体厂商都向市场供应圆片级封装产品。这充分反映了圆片级封装技术在半导体产业中的重要地位。我们必须抓住机遇，高度重视圆片级封装技术的研究和开发。

本文摘自《电子与封装》

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