现代圆片级封装技术的发展与应用

摘要：本文论述了圆片级封装的发展、优势、种类、应用、研究课题及产业化注意事项。

1 引言

现代电子装置的小型化、轻量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化，推动着微电子技术的进步与发展。IC芯片的特征尺寸不断缩小，现已达到深亚微米级水平；IC圆片的尺寸逐渐增大，当前正从200mm向300mm直径的圆片发展；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。

在众多的新型封装技术中，圆片级封装技术最具创新性、最受世人瞩目，是封装技术取得革命性突破的标志。圆片级封装技术以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件。它使封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。圆片级封装技术的优势使其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。在移动电话等便携式产品中，已普遍采用圆片级封装型的EPROM、IPD(集成无源器件)、模拟芯片等器件。采用圆片级封装的器件门类正在不断增多。美国国际整流器公司最近就推出了供小型化装置使用的圆片级封装型功率MOSFET器件。圆片级封装技术是一项正在迅速发展的新技术。为了提高圆片级封装的适用性并扩大其应用范围，人们正在研究和开发各种新型技术同时解决产业化过程中出现的问题。我们对圆片级封装技术的现状、应用和发展进行研究，无疑是有意义的。

2 圆片级封装的诞生

圆片级封装起源于倒装芯片。圆片级封装的开发进程由集成器件制造商(IDM)率先启动。1964年，美国IBM公司在其M360计算机中最先采用了FCOB焊料凸点倒装芯片器件。1969年，美国Delco公司在汽车中使用了焊料凸点器件。上世纪70年代，NEC、日立等日本公司开始在一股计算机和超级计算机中采用FCOB器件。到了上世纪90年代，世界上成立了诸如Kulicke and Soffa's Flip Chip Division、Unitive、Fujitsu Tohoku Electronics、IC Interconnect等众多圆片凸点商业制造公司，它们拥有的基础技术是电镀工艺与焊膏工艺。这些公司利用凸点技术和薄膜再分布技术开发了圆片级封装技术。FCD公司和富上通公司的超级CSP(Ultra CSP与Supper CSP)是首批进入市场的圆片级封装产品。

1999年，圆片凸点商业制造公司开始给主要的封装配套厂商发放技术许可证。这样，倒装芯片和圆片级封装也就逐渐在世界各地推广开来。例如，台湾的ASE公司和Siliconware公司以及韩国的Amkor公司就是按照FCD公司的技术授权来制造超级CSP(Ultra CSP)的。

3 圆片级封装的优势

二十世纪九十年代以来，微电子封装技术蓬勃发展，出现了焊球阵列封装、芯片尺寸封装、同片级封装(WLP)等多种新型封装。圆片级封装以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP，充分体现了BGA、CSP的技术优势。它具有许多独特的优点：①封装加工效率高，它以圆片形式的批量生产工艺进行制造；②具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小；③圆片级封装生产设施费用低，可充分利用圆片的制造设备，无须投资另建封装生产线；④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；⑤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；⑥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。圆片级封装是尺寸最小的低成本封装。圆片级封装技术是真正意义上的批量生产芯片封装技术。

为了更全面地了解圆片级封装的优点，我们在表1对倒装芯片封装(FCP)、芯片尺寸封装(CSP)和圆片级封装(WLP)的各种特性进行了比较。由此可见，圆片级封装在成本、封装尺寸、电性能、可组装性、可批量生产性等方面与其它两种封装相比具有综合优势。倒装芯片虽然在封装尺寸、传输速度等方面的优点突出，但因芯片与基板的组装方面仍然存在一些问题，在推广应用上受到一定的限制。因此，人们普遍认为，圆片级封装技术是最有发展前途、十分重要的IC芯片封装技术。

4 圆片级封装的种类

圆片级封装最初的结构形式较多，后来只剩几种可靠性好、易于制造的封装类型。这些封装类型都是由少数几家有实力的制造厂商进行生产。生产最多的圆片级封装是图1所示的薄膜型圆片级封装。这种封装是由FCD、Unitive、IC Interconnect等公司利用薄膜再分布技术与焊料凸点技术制造的。制造这种封装时，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。在阵列分布焊区上均匀制作了凸点下金属化层(UBM层)。接着把直径0.3mm～0.5mm的焊料球放置在UBM层上，然后进行回流焊，这就完成了封装焊球阵列的制造。这种圆片级封装在外观上与一般的倒装芯片封装十分相似，但其设汁原理、结构和制造方法却与倒装芯片封装完全不同。薄膜型圆片级封装可以采用大节距和大焊料球，而倒装芯片封装就不能这样做。

卡西欧、富士通、精工等日本公司生产另外一种铜凸点型圆片级封装(Copper-posttype WLP)，如图2所示。铜凸点圆片级封装的结构与薄膜型圆片级封装不同。它的阵列焊区上制作有约100mm高的柱形铜凸点。每个铜凸点的端面上设置有UBM层。除了端面外，铜凸点的其余部份均涂覆环氧树脂.大焊料球制作在铜凸点的UBM层上。

在市场上还可见到一些其它结构形式的圆片级封装。以色列生产的壳型BGA(Shell BGA)就是一个例子。这种封装是由壳形外壳(Shell case)演变而来。壳型BGA圆片级封装芯片有一面用透光的玻璃作防护层。它广泛用于CCD、CMOS等图像传感器这类光学元件之中。

5 圆片级封装的应用

尺寸小、成本低是圆片级封装获得广泛应用的两个主要原因。圆片级封装的尺寸小，是真正意义上的芯片尺寸封装，特别适合便携式装置使用。现在生产的大多数圆片级封装器件都用在手机、PDA(个人数字助理)、便携式计算装置以及其它便携式无线装置之中。

便携式装置属于消费类产品，对成本的要求十分严格。在其生产过程中，通常是把圆片级封装安装在低成本的普通印制板(PCB)上。这种PCB板布线精度低，一般只能使用0.5mm以上的大节距圆片级封装。另一方面，圆片级封装通常采用不具备下填充工艺的常规SMT技术来进行安装。这样一来，热循环试验的可靠性要求对圆片级封装所能包封的芯片尺寸的大小就提出了限制。而且，要求硅与安装基板(有机多层板或陶瓷多层板)的热膨胀系数要十分一致，匹配良好。大尺寸芯片在热循环试验中产生的形变与应力都比小尺寸芯片大，焊料球容易出现疲劳和失效。因此，0.5mm节距的圆片级封装通常仅适用于I／O数为4～36的器件。

像IPD、EEPROM和功率MOSFET等多种大批生产的小芯片器件也在采用圆片级封装技术。在一种Handspring VisorEdge PDA中，就使用了四个圆片级封装的防静电IPD器件。

日本卡西欧公司已把多功能圆片级封装器件用在手表、袖珍照相机等超小型产品之中。在卡西欧彩色数码袖珍照相机中就采用了两个圆片级封装器件：一个是I／O数为109、节距为0.5mm的圆片级封装CPU；另一个是I／O数为48、节距为0.5mm的8Mb圆片级封装快闪存储器。

圆片级封装技术当前还只能适用于I/O数不高的芯片，而且成本也有待降低。这样，圆片级封装技术在小型化、低成本装置和产品的应用方面，并不能完全取代其它先进的封装技术，而是各有其相应的应用领域。每一种先进的封装技术都有其独特的优点，对某种具体应用场合可能特别适用。

FCBGA(倒装芯片焊球阵列)封装技术适合中、低I／O数器件使用，但成本较高。随着这种技术的推广应用，产品销量的扩大，成本自然会不断降低。另外，叠层芯片封装(Stacked die package)技术也是一种颇具优势的技术。其封装的硅效率为圆片级封装技术的2～3倍，能实现ASIC、SRAM、快闪存储器等多种功能器件的集成，并用低成本引线键合焊球阵列工艺批量生产。Intel、夏普、富士通等公司均在大批生产5芯片的叠层芯片封装。仅Intel公司一家向市场提供的叠层芯片封装。仅Intel公司一家向市场提供的叠层芯片封装器件就有上百万个之多。此外，引线键合型的芯片尺寸封装(CSP)与焊球阵列封装(BGA)门类较多，品种规格较全，而且价格便宜。虽然这两种封装的尺寸比圆片级封装大，但却能满足许多便携式装置对小型化的要求。最近，日本开发了一种先进的2.5G手机。这种手机仅仅采用引线键合型的芯片尺寸封装与焊球阵列封装就实现了产品的小型化以及彩色显示、MP3播放、上网漫游等多种优异功能，完全没有采用圆片级封装这类最先进的封装。由此可见，在具体应用场合究竟选用什么样的封装类型，要根据使用要求来确定，不一定是越先进越好。在应用圆片级封装时也应充分注意这一点。

6 圆片级封装的研究课题

为了提高圆片级封装的适用性、进一步扩大应用范围，有几个技术问题有待研究与解决。

6.1 凸点的可靠性

目前，圆片级封装技术用于高I／O数大尺寸焊球阵列器件时，在热循环试验中凸点形式的焊料球存在疲劳失效的可靠性问题。这就限制了圆片级封装的应用。现在，人们正在开发几种不使用下填充工艺的新技术来提高凸点的可靠性。例如，美国Kulicke & Soffa公司采用在凸点底部四周制作聚合物加固层的办法来改进凸点的可靠性。这种聚合物加固层减小了焊料凸点的形变和应力，提高了焊料凸点抗疲劳的寿命。该公司一种0.5mm节距、10×10焊球阵列的圆片级封装采用这种加固技术之后，其热循环试验的可靠性指标提高了64％。

6.2 圆片级老化与测试

圆片级老化与测试技术是在IC圆片上直接进行老化和电气测试，这对圆片级封装简化工艺流程和降低成本都具有重要的意义。圆片级老化与测试技术涉及功率分布、电气接触、热匹配、成本等诸多问题。圆片级封装技术要在一种新门类器件上获得应用，是否建立了适合该类器件且成本低廉的圆片级老化与测试技术是十分关键的。目前，仅有存储器、MEMS等I／O数较低的器件能够使用圆片级老化与测试技术。随着技术的发展，使用圆片级老化与测试技术的器件门类将会逐渐增加。

6.3 圆片减薄

硅与安装基板热膨胀系数匹配不良是封装焊料球在热循环试验及现场使用中产生疲劳失效的重要原因。另外，这种失效也与每个元件自身的强度如何密切相关。芯片越薄，柔性也越好，焊料球抗疲劳的性能必将得到提高。因此，将圆片减薄并由此减小芯片厚度，也是改进焊料凸点可靠性的重要措施之一。在圆片级封装加工之前减薄圆片，容易使圆片变形甚至破碎，这是不可取的。在圆片级封装加工完成之后进行圆片减薄是一种较好的办法，但实施起来比较困难。供圆片级封装制造用的圆片和减薄技术和设备正在开发之中。

6.4 圆片用可再流非流动下填充技术

大家知道，下填充(Underfill)技术可以提高倒装芯片器件焊球阵列抗疲劳的性能。然而，这种技术成本高，不适合一般的表面安装工艺使用，希望在制造圆片级封装的圆片阶段就直接使用下填充技术。这样制得圆网片级封装器件既具有下填充带来的焊料球可靠性高的优点，又不需要对标准表面安装生产线作任何改变就可使用。这无疑是一种低成本的技术解决方案。人们将这种解决方案称为圆片用可再流非流动下填充[Wafer-Applied Refloable ( NoFlow Underfill )]技术。日前，人们正在大力研究开发这种技术。

6.5 印制板的设计和成本

缩小圆片级封装的节距可以减小焊球阵列的尺寸，改进焊料球的抗疲劳性能。日本公司正在把圆片级封装的标准节距从0.5mm减小至0.4mm甚至更小。圆片级封装的节距越小，对印制板的要求也越高。圆片级封装节距的精细化导致印制板成本大幅度上升。印制板过于昂贵成了精细节距圆片级封装推广应用的制约因素。如何降低印制板的设计、制造费用，已成为重要的研究课题。当前，业界正集中力量开发0.4mm节距圆片级封装用的低成本印制板。

6.6 封装低成本化

圆片级封装获得广泛应用的原因，一是尺寸小，二是成本低。但是，圆片级封装的低成本优势当前只有在芯片尺寸小、芯片的I／O数不高的条件下才能实现。芯片尺寸小，每个圆片上的芯片数多，每个芯片分摊的生产成本就低。这是圆片级封装用圆片方式进行批量生产的特点决定的。焊料球的制作成本是圆片级封装成本的重要组成部分。焊料球数量越多，制作成本越高。芯片的I／O数少，焊料球数量少，制作成本较低。

人们正在开发各种技术，使圆片级封装技术在大尺寸、多功能芯片上获得应用。芯片尺寸大、I／O数高，圆片级封装的制造成本急剧上升。在这种情况下，圆片级封装生产成本低的优势就无法体现，应用推广也受到了限制。如何降低大尺寸、高I／O数芯片圆片级封装的成本是一个重要的研究课题，开发工作正在积极地进行。

7 圆片级封装技术的产业化

圆片级封装技术的研究与开发无疑是重要的。但是，将这些技术尽快推广应用、实现产业化，也是很关键的。为了加快圆片级封装产业的发展，有许多问题需要研究与解决。

7.1 重视知识产权(IP)转让工作

圆片级封装的各种实用技术是所属公司的知识产权。为了广泛推广这些技术，应通过发放技术许可证等方式积极开展知识产权的转让工作。这是圆片级封装技术产业化发展过程中的关键环节之一。这项工作将直接影响技术推广的速度与范围。

7．2 建立多家商业性圆片级封装代工厂商

产品生产批量大、实力雄厚的公司大都自己建立生产线进行圆片级封装器件的生产。存储器生产厂、集成器件厂商(IDM)就是如此。但是，有许多公司产品批量不大，无力投资生产设施，却需要加工圆片级封装器件。这类规模较小的公司希望有商业性圆片级封装代工厂商为它们进行委托加工服务。即使那些有自己的圆片级封装生产线的大型厂商，也希望有商业性圆片级封装代工厂作为其产品的另外一个加工场所，以便提高市场应变能力。因此，建立多家商业性圆片级封装代工厂、提供灵活多样的服务，是必要的、有重要意义的。

为了提高代工服务的质量与效率，商业性圆片级封装代工厂的厂址要慎重选择。要高效率地把圆片从芯片生产厂发往圆片级封装生产线、再到测试生产线，需要有良好的后勤保障能力。后勤保障能力是确定商业性圆片级封装代工厂厂址的决定性因素。圆片级封装代工厂必须位于集成器件厂商和IC圆片代工厂商附近，而且要求交通方便、设施完善。这样就可保证从芯片制造厂来的器件经测试到发货的整个过程高速运行。

7.3 加强标准化

圆片级封装结构的标准化和技术的标准化对促进产业发展有重要作用。圆片级封装的标准化不仅可以缩短产品的入市时间而且当产品变换生产厂家时可减少重新认证的工作量。

8 结束语

圆片级封装技术在现代电子装置小型化、低成本化需求的推动下，正在蓬勃向前发展。当前，圆片级封装技术通常适用于I／O数低的小尺寸芯片。业界还需要开发新的技术，降低生产成本，发展大尺寸芯片的圆片级封装和精细节距焊球阵列圆片级封装。

现代电子装置选择封装类型时，既要满足设计要求又要成本最低。现有水平的圆片级封装还只是一种可供选择的封装类型。要使圆片级封装技术成为未来量大面广的产品主流制造技术，还有许多工作要做。