1 前言

　　本文試圖綜述自二十世紀(jì)九十年代以來迅速發(fā)展的新型微電子封裝技術(shù),，包括焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP),、圓片級(jí)封裝(WLP),、三維封裝(3D)和系統(tǒng)封裝(SIP)等項(xiàng)技術(shù)。介紹它們的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)特點(diǎn),。同時(shí),，敘述了微電子三級(jí)封裝的概念。并對(duì)發(fā)展我國新型微電子封裝技術(shù)提出了一些思索和建議,。

　　2 微電子三級(jí)封裝

　　微電子封裝,，首先我們要敘述一下三級(jí)封裝的概念。一般說來,，微電子封裝分為三級(jí),。所謂一級(jí)封裝就是在半導(dǎo)體圓片裂片以后，將一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來,，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合(WB),、載帶自動(dòng)鍵合(TAB)和倒裝芯片鍵合(FCB)連接起來，使之成為有實(shí)用功能的電子元器件或組件,。一級(jí)封裝包括單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)兩大類,。應(yīng)該說，一級(jí)封裝包含了從圓片裂片到電路測(cè)試的整個(gè)工藝過程,，即我們常說的后道封裝,，還要包含單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)的設(shè)計(jì)和制作，以及各種封裝材料如引線鍵合絲,、引線框架,、裝片膠和環(huán)氧模塑料等內(nèi)容。這一級(jí)也稱芯片級(jí)封裝,。二級(jí)封裝就是將一級(jí)微電子封裝產(chǎn)品連同無源元件一同安裝到印制板或其它基板上,，成為部件或整機(jī)。這一級(jí)所采用的安裝技術(shù)包括通孔安裝技術(shù)(THT),、表面安裝技術(shù)(SMT)和芯片直接安裝技術(shù)(DCA),。二級(jí)封裝還應(yīng)該包括雙層、多層印制板,、柔性電路板和各種基板的材料,、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)。這一級(jí)也稱板級(jí)封裝,。三級(jí)封裝就是將二級(jí)封裝的產(chǎn)品通過選層,、互連插座或柔性電路板與母板連結(jié)起來,，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機(jī)系統(tǒng),，這一級(jí)封裝應(yīng)包括連接器,、迭層組裝和柔性電路板等相關(guān)材料、設(shè)計(jì)和組裝技術(shù),。這一級(jí)也稱系統(tǒng)級(jí)封裝,。所謂微電子封裝是個(gè)整體的概念，包括了從一極封裝到三極封裝的全部技術(shù)內(nèi)容,。在國際上,，微電子封裝是一個(gè)很廣泛的概念，包含組裝和封裝的多項(xiàng)內(nèi)容,。微電子封裝所包含的范圍應(yīng)包括單芯片封裝(SCP)設(shè)計(jì)和制造,、多芯片封裝(MCM)設(shè)計(jì)和制造、芯片后封裝工藝,、各種封裝基板設(shè)計(jì)和制造,、芯片互連與組裝、封裝總體電性能,、機(jī)械性能,、熱性能和可靠性設(shè)計(jì)、封裝材料,、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項(xiàng)內(nèi)容。有人說,，微電子封裝就是封裝外殼;又有人說微電子封裝不過是無源元件,，不可能是有源;還有人說，微電子封裝不過是個(gè)包封體,，可有可無,，等等。這些看法都是片面的,，不正確的,。我們應(yīng)該把現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)納入國際微電子封裝的軌道，這樣既有利于我國微電子封裝界與國外的技術(shù)交流,，也有利于我國微電子封裝自身的發(fā)展,。

　　3 新型微電子封裝技術(shù)

　　集成電路封裝的歷史，其發(fā)展主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段,。第一階段,，在二十世紀(jì)七十年代之前，以插裝型封裝為主,。包括最初的金屬圓形(TO型)封裝,，后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP),、陶瓷-玻璃雙列直插封裝(CerDIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)。尤其是PDIP,，由于性能優(yōu)良,、成本低廉又能批量生產(chǎn)而成為主流產(chǎn)品。第二階段,，在二十世紀(jì)八十年代以后,，以表面安裝類型的四邊引線封裝為主。當(dāng)時(shí),，表面安裝技術(shù)被稱作電子封裝領(lǐng)域的一場(chǎng)革命,，得到迅猛發(fā)展。與之相適應(yīng),，一批適應(yīng)表面安裝技術(shù)的封裝形式,，如塑料有引線片式裁體(PLCC)、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP),、塑料小外形封裝(PSOP)以及無引線四邊扁平封裝等封裝形式應(yīng)運(yùn)而生,，迅速發(fā)展。由于密度高,、引線節(jié)距小,、成本低并適于表面安裝，使PQFP成為這一時(shí)期的主導(dǎo)產(chǎn)品,。第三階段,，在二十世紀(jì)九十年代以后，以面陣列封裝形式為主,。二十世紀(jì)九十年代初,，集成電路發(fā)展到了超大規(guī)模階段，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度發(fā)展,，因此集成電路封裝從四邊引線型向平面陣列型發(fā)展,，發(fā)明了焊球陣列封裝(BGA)，并很快成為主流產(chǎn)品,。后來又開發(fā)出了各種封裝體積更小的CSP,。也就是在同一時(shí)期，多芯片組件(MCM)蓬勃發(fā)展起來,，也被稱為電子封裝的一場(chǎng)革命,。因基板材料的不同分為多層陶瓷基板MCM(MCM-C)。薄膜多層基板MCM(MCM-D),，塑料多層印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜基板MCM(MCM-C/D),。與此同時(shí)，由于電路密度和功能的需要,，3D封裝和系統(tǒng)封裝(SIP)也迅速發(fā)展起來,。本文就把在二十世紀(jì)九十年代以來發(fā)展起來的封裝稱為新型微電子封裝,。下面就對(duì)BGA、CSP,、3D和SIP分別進(jìn)行敘述,。

　　3.1焊球陣列封裝(BGA)

　　陣列封裝(BGA)是世界上九十年代初發(fā)展起來的一種新型封裝。

這種BGA的突出的優(yōu)點(diǎn)：①電性能更好：BGA用焊球代替引線,，引出路徑短,，減少了引腳延遲、電阻,、電容和電感;②封裝密度更高;由于焊球是整個(gè)平面排列,，因此對(duì)于同樣面積，引腳數(shù)更高,。例如邊長為31mm的BGA,，當(dāng)焊球節(jié)距為1mm時(shí)有900只引腳，相比之下,，邊長為32mm,，引腳節(jié)距為0.5mm的QFP只有208只引腳;③BGA的節(jié)距為1.5mm、1.27mm,、1.0mm,、0.8mm、0.65mm和0.5mm,，與現(xiàn)有的表面安裝工藝和設(shè)備完全相容,，安裝更可靠;④由于焊料熔化時(shí)的表面張力具有"自對(duì)準(zhǔn)"效應(yīng)，避免了傳統(tǒng)封裝引線變形的損失,，大大提高了組裝成品率;⑤BGA引腳牢固,，轉(zhuǎn)運(yùn)方便;⑥焊球引出形式同樣適用于多芯片組件和系統(tǒng)封裝。因此,，BGA得到爆炸性的發(fā)展,。BGA因基板材料不同而有塑料焊球陣列封裝(PBGA),，陶瓷焊球陣列封裝(CBGA),，載帶焊球陣列封裝(TBGA)，帶散熱器焊球陣列封裝(EBGA),，金屬焊球陣列封裝(MBGA),，還有倒裝芯片焊球陣列封裝(FCBGA。PQFP可應(yīng)用于表面安裝,，這是它的主要優(yōu)點(diǎn),。但是當(dāng)PQFP的引線節(jié)距達(dá)到0.5mm時(shí)，它的組裝技術(shù)的復(fù)雜性將會(huì)增加,。所以PQFP一般用于較低引線數(shù)(208條)和較小的封裝休尺寸(28mm見方),。因此,，在引線數(shù)大于200條以上和封裝體尺寸超過28mm見方的應(yīng)用中，BGA封裝取代PQFP是必然的,。在以上幾類BGA封裝中,，F(xiàn)CBGA最有·希望成為發(fā)展最快的BGA封裝，我們不妨以它為例,，敘述BGA的工藝技術(shù)和材料,。FCBGA除了具有BGA的所有優(yōu)點(diǎn)以外，還具有：①熱性能優(yōu)良,，芯片背面可安裝散熱器;②可靠性高,，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲勞壽命大大增強(qiáng);③可返修性強(qiáng),。

　　FCBGA所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括芯片凸點(diǎn)制作技術(shù),、倒裝芯片焊接技術(shù)、多層印制板制作技術(shù)(包括多層陶瓷基板和BT樹脂基板),、芯片底部填充技術(shù),、焊球附接技術(shù)、散熱板附接技術(shù)等,。它所涉及的封裝材料主要包括以下幾類,。凸點(diǎn)材料：Au、PbSn和AuSn等;凸點(diǎn)下金屬化材料：Al/Niv/Cu,、Ti/Ni/Cu或Ti/W/Au;焊接材料：PbSn焊料,、無鉛焊料;多層基板材料：高溫共燒陶瓷基板(HTCC)、低溫共燒陶瓷基板(LTCC),、BT樹脂基板;底部填充材料：液態(tài)樹脂;導(dǎo)熱膠：硅樹脂;散熱板：銅,。目前，國際上FCBGA的典型系列示于表1,。

　　3.2 芯片尺寸封裝(CSP)

　　芯片尺寸封裝(CSP)和BGA是同一時(shí)代的產(chǎn)物,，是整機(jī)小型化、便攜化的結(jié)果,。美國JEDEC給CSP的定義是：LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯片面積120%的封裝稱為CSP,。由于許多CSP采用BGA的形式，所以最近兩年封裝界權(quán)威人士認(rèn)為,，焊球節(jié)距大于等于lmm的為BGA,，小于lmm的為CSP。由于CSP具有更突出的優(yōu)點(diǎn)：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保護(hù)裸芯片;③電,、熱性優(yōu)良;④封裝密度高;⑤便于測(cè)試和老化;⑥便于焊接,、安裝和修整更換。因此,，九十年代中期得到大跨度的發(fā)展,，每年增長一倍左右,。由于CSP正在處于蓬勃發(fā)展階段，因此,，它的種類有限多,。如剛性基板CSP、柔性基板CSP,、引線框架型CSP,、微小模塑型CSP、焊區(qū)陣列CSP,、微型BGA,、凸點(diǎn)芯片載體(BCC)、QFN型CSP,、芯片迭層型CSP和圓片級(jí)CSP(WLCSP)等,。CSP的引腳節(jié)距一般在1.0mm以下，有1.0mm,、0.8mm,、0.65mm、0.5mm,、0.4mm,、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列,。

　　一般地CSP,，都是將圓片切割成單個(gè)IC芯片后再實(shí)施后道封裝的，而WLCSP則不同,，它的全部或大部分工藝步驟是在已完成前工序的硅圓片上完成的,，最后將圓片直接切割成分離的獨(dú)立器件。所以這種封裝也稱作圓片級(jí)封裝(WLP) ,。因此,，除了CSP的共同優(yōu)點(diǎn)外，它還具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①封裝加工效率高,，可以多個(gè)圓片同時(shí)加工;②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn),，即輕、薄,、短,、小;③與前工序相比,，只是增加了引腳重新布線(RDL)和凸點(diǎn)制作兩個(gè)工序,，其余全部是傳統(tǒng)工藝;④減少了傳統(tǒng)封裝中的多次測(cè)試。因此世界上各大型IC封裝公司紛紛投入這類WLCSP的研究,、開發(fā)和生產(chǎn),。WLCSP的不足是目前引腳數(shù)較低,，還沒有標(biāo)準(zhǔn)化和成本較高。圖4示出了WLCSP的外形圖,。圖5示出了這種WLCSP的工藝流程,。

　　WLCSP所涉及的關(guān)鍵技術(shù)除了前工序所必須的金屬淀積技術(shù)、光刻技術(shù),、蝕刻技術(shù)等以外,，還包括重新布線(RDL)技術(shù)和凸點(diǎn)制作技術(shù)。通常芯片上的引出端焊盤是排到在管芯周邊的方形鋁層,，為了使WLP適應(yīng)了SMT二級(jí)封裝較寬的焊盤節(jié)距,，需將這些焊盤重新分布，使這些焊盤由芯片周邊排列改為芯片有源面上陣列排布,，這就需要重新布線(RDL)技術(shù),。另外將方形鋁焊盤改為易于與焊料粘接的圓形銅焊盤，重新布線中濺射的凸點(diǎn)下金屬(UBM)如Ti-Cu-Ni中的Cu應(yīng)有足夠的厚度(如數(shù)百微米),，以便使焊料凸點(diǎn)連接時(shí)有足夠的強(qiáng)度,，也可以用電鍍加厚Cu層。焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)可采用電鍍法,、化學(xué)鍍法,、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法,。目前仍以電鍍法最為廣泛,，其次是焊膏印刷法。重新布線中UBM材料為Al/Niv/Cu,、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au,。所用的介質(zhì)材料為光敏BCB(苯并環(huán)丁烯)或PI(聚酰亞胺)凸點(diǎn)材料有Au、PbSn,、AuSn,、In等。 3.3 3D封裝

　　3D封裝主要有三種類型,，即埋置型3D封裝,，當(dāng)前主要有三種途徑：一種是在各類基板內(nèi)或多層布線介質(zhì)層中"埋置"R、C或IC等元器件,，最上層再貼裝SMC和SMD來實(shí)現(xiàn)立體封裝,，這種結(jié)構(gòu)稱為埋置型3D封裝;第二種是在硅圓片規(guī)模集成(WSl)后的有源基板上再實(shí)行多層布線，最上層再貼裝SMC和SMD,，從而構(gòu)成立體封裝,，這種結(jié)構(gòu)稱為有源基板型3D封裝;第三種是在2D封裝的基礎(chǔ)上，把多個(gè)裸芯片、封裝芯片,、多芯片組件甚至圓片進(jìn)行疊層互連,，構(gòu)成立體封裝，這種結(jié)構(gòu)稱作疊層型3D封裝,。在這些3D封裝類型中,，發(fā)展最快的是疊層裸芯片封裝。原因有兩個(gè),。一是巨大的手機(jī)和其它消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng),，要求在增加功能的同時(shí)減薄封裝厚度。二是它所用的工藝基本上與傳統(tǒng)的工藝相容,，經(jīng)過改進(jìn)很快能批量生產(chǎn)并投入市場(chǎng),。據(jù)Prismarks預(yù)測(cè)，世界的手機(jī)銷售量將從2001年的393M增加到2006年的785M～1140M,。年增長率達(dá)到15～24%,。因此在這個(gè)基礎(chǔ)上估計(jì)，疊層裸芯片封裝從目前到2006年將以50～60%的速度增長,。圖6示出了疊層裸芯片封裝的外形,。它的目前水平和發(fā)展趨勢(shì)示于表3。

　　疊層裸芯片封裝有兩種疊層方式,，一種是金字塔式,，從底層向上裸芯片尺寸越來越小;另一種是懸梁式，疊層的芯片尺寸一樣大,。應(yīng)用于手機(jī)的初期,，疊層裸芯片封裝主要是把FlashMemory和SRAM疊在一起，目前已能把FlashMemory,、DRAM,、邏輯IC和模擬IC等疊在一起。疊層裸芯片封裝所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個(gè),。①圓片減薄技術(shù),，由于手機(jī)等產(chǎn)品要求封裝厚度越來越薄，目前封裝厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm,。而疊層芯片數(shù)又不斷增加,，因此要求芯片必須減薄。圓片減薄的方法有機(jī)械研磨,、化學(xué)刻蝕或ADP(Atmosphere DownstreamPlasma),。機(jī)械研磨減薄一般在150μm左右。而用等離子刻蝕方法可達(dá)到100μm,，對(duì)于75-50μm的減薄正在研發(fā)中;②低弧度鍵合,，因?yàn)樾酒穸刃∮?50μm,，所以鍵合弧度高必須小于150μm。目前采用25μm金絲的正常鍵合弧高為125μm,，而用反向引線鍵合優(yōu)化工藝后可以達(dá)到75μm以下的弧高。與此同時(shí),，反向引線鍵合技術(shù)要增加一個(gè)打彎工藝以保證不同鍵合層的間隙;③懸梁上的引線鍵合技術(shù),，懸梁越長，鍵合時(shí)芯片變形越大,，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝;④圓片凸點(diǎn)制作技術(shù);⑤鍵合引線無擺動(dòng)(NOSWEEP)模塑技術(shù),。由于鍵合引線密度更高，長度更長,，形狀更復(fù)雜,，增加了短路的可能性。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的轉(zhuǎn)移速度有助于減小鍵合引線的擺動(dòng),。目前已發(fā)明了鍵合引線無擺動(dòng)(NOSWEEP)模塑技術(shù),。

　　3.4系統(tǒng)封裝(SIP)

　　實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)系統(tǒng)的功能，通常有兩個(gè)途徑,。一種是系統(tǒng)級(jí)芯片(Systemon Chip),，簡(jiǎn)稱SOC。即在單一的芯片上實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)系統(tǒng)的功能;另一種是系統(tǒng)級(jí)封裝(SysteminPackage),，簡(jiǎn)稱SIP,。即通過封裝來實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的功能。從學(xué)術(shù)上講,，這是兩條技術(shù)路線,，就象單片集成電路和混合集成電路一樣，各有各的優(yōu)勢(shì),，各有各的應(yīng)用市場(chǎng),。在技術(shù)上和應(yīng)用上都是相互補(bǔ)充的關(guān)系，作者認(rèn)為,，SOC應(yīng)主要用于應(yīng)用周期較長的高性能產(chǎn)品,，而SIP主要用于應(yīng)用周期較短的消費(fèi)類產(chǎn)品。

　　SIP是使用成熟的組裝和互連技術(shù),，把各種集成電路如CMOS電路,、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件,、MEMS器件以及各類無源元件如電容,、電感等集成到一個(gè)封裝體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的功能,。主要的優(yōu)點(diǎn)包括：①采用現(xiàn)有商用元器件,，制造成本較低;②產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的周期短;③無論設(shè)計(jì)和工藝，有較大的靈活性;④把不同類型的電路和元件集成在一起，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),。美國佐治亞理工學(xué)院PRC研究開發(fā)的單級(jí)集成模塊(SingleIntegrated Module)簡(jiǎn)稱SLIM,，就是SIP的典型代表，該項(xiàng)目完成后,，在封裝效率,、性能和可靠性方面提高10倍，尺寸和成本較大下降,。到2010年預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)包括布線密度達(dá)到6000cm/cm2;熱密度達(dá)到100W/cm2;元件密度達(dá)到5000/cm2;I/O密度達(dá)到3000/cm2,。

　　盡管SIP還是一種新技術(shù)，目前尚不成熟,，但仍然是一個(gè)有發(fā)展前景的技術(shù),，尤其在中國，可能是一個(gè)發(fā)展整機(jī)系統(tǒng)的捷徑,。

　　4 思考和建議

　　面對(duì)世界蓬勃發(fā)展的微電子封裝形勢(shì),，分析我國目前的現(xiàn)狀，我們必須深思一些問題,。

　　(1)微電子封裝與電子產(chǎn)品密不可分,，已經(jīng)成為制約電子產(chǎn)品乃至系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)，是電子行業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)之一,，誰掌握了它,，誰就將掌握電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的未來。

　　(2)微電子封裝必須與時(shí)俱進(jìn)才能發(fā)展,。國際微電子封裝的歷史證明了這一點(diǎn),。我國微電子封裝如何與時(shí)俱進(jìn)?當(dāng)務(wù)之急是研究我國微電子封裝的發(fā)展戰(zhàn)略，制訂發(fā)展規(guī)劃,。二是優(yōu)化我國微電子封裝的科研生產(chǎn)體系,。三是積極倡導(dǎo)和大力發(fā)展屬于我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)。否則,，我們將越跟蹤越落后,。在這一點(diǎn)上，我們可以很好地借鑒韓國和臺(tái)灣的經(jīng)驗(yàn),。

　　(3)高度重視微電子三級(jí)封裝的垂直集成,。我們應(yīng)該以電子系統(tǒng)為龍頭，牽動(dòng)一級(jí),、二級(jí)和三級(jí)封裝,，方能占領(lǐng)市場(chǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益,，不斷發(fā)展,。我們?cè)h把手機(jī)和雷達(dá)作為技術(shù)平臺(tái)發(fā)展我國的微電子封裝,，就是出于這種考慮。

　　(4)高度重視不同領(lǐng)域和技術(shù)的交叉及融合,。不同材料的交叉和融合產(chǎn)生新的材料;不同技術(shù)交叉和融合產(chǎn)生新的技術(shù);不同領(lǐng)域的交叉和融合產(chǎn)生新的領(lǐng)域,。我們國家已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，在電子學(xué)會(huì),，已經(jīng)有不少分會(huì)和機(jī)構(gòu),。技術(shù)領(lǐng)域已涉及電子電路、電子封裝,、表面貼裝,、電子裝聯(lián),、電子材料,、電子專用設(shè)備、電子焊接和電子電鍍等,。過去,，同行業(yè)交流很多，但不同行業(yè)交流不夠,。我們應(yīng)該充分發(fā)揮電子學(xué)會(huì)各分會(huì)的作用,，積極組織這種技術(shù)交流。

　　(5)我們的觀念,、技術(shù)和管理必須與國際接軌,，走國際合作之路，把我們民族的精華與精彩的世界溶為一體,，共同發(fā)展,。