微电子封装的发展趋势
摘要 随着表面安装技术的迅速发展，新的封装技术不断出现，微电子封装技术成了现代封装的热门话题。BGA、 Flip Chip、csp、MCM作为当今大规模集成电路的封装形式，引起了电子组装界的关注，而且逐渐在不同领域得到应用。BGA、Flip Chip、csp、MCM的出现，适应了表面安装技术的需要，解决了高密度、高性能、多功能及高I/O数应用的封装难题，预计随着进一步的发展，BGA、Flip Chip、csp、MCM技术将成为“最终的封装技术”。本文就BGA、Flip Chip、csp和MCM的结构、类型、应用及发展等诸多方面进行了阐述。
关键词 表面安装技术 面积阵列封装 球栅阵列 倒装片
The development trends of Microelectronics Package
Yang Ming Hua
Abstract With the rapid development of surface mount technology,new packaging technologies arise continually and Microelectronics packaging technology becomes the issue of contemporary package.BGA 、Flip Chip、CSP、MCM、COB are the main package,as a package form of large scale integrated circuit,they gain the attention of electronic assembly industry,and have been used in some applications.With BGA、Flip Chip 、CSP、MCM、COB coming forward,they accommodate to the demand of surface mount technology,and resolve the applications with high density,high performance,multiple function and high I/O count,it is believed that with the further progress,BGA and Flip Chip should be the ultimate packaging technology.in this article,many things of BGA and Flip Chip,such as structure,type,application,development etc are described.
Keywords SMT Area array package BGA Flip Chip
面积阵列封装有其不同的类型，因此也就有着不同的结构特点和组装方式。面积阵列封装以其结构形式可分为两大类：BGA和Flip Chip。
1 BGA
BGA主要有四种基本类型：PBGA、CBGA、CCGA和TBGA，一般都是在封装体的底部连接着作为I/O引出端的焊球阵列。这些封装的焊球阵列典型的间距为1.0mm、1.27mm、1.5mm，焊球的铅锡组份常见的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn两种，焊球的直径由于目前没有这方面相应的标准而各个公司不尽相同。从BGA的组装技术方面来看，BGA有着比QFP器件更优越的特点，其主要体现在BGA器件对于贴装精度的要求不太严格，理论上讲，在焊接回流过程中，即使焊球相对于焊盘的偏移量达50%之多，也会由于焊料的表面张力作用而使器件位置得以自动校正，这种情况经实验证明是相当明显的。其次，BGA不再存在类似QFP之类器件的引脚变形问题，而且BGA还具有相对QFP等器件较良好的共面性，其引出端间距与QFP相比要大得多，可以明显减少因焊膏印刷缺陷导致焊点“桥接”的问题；另外，BGA还有良好的电性能和热特性，以及较高的互联密度。BGA的主要缺点在于焊点的检测和返修都比较困难，对焊点的可靠性要求比较严格，使得BGA器件在很多领域的应用中受到限制。
BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难,但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求,也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求,所以更新的封装CSP(Chip Size Package)又出现了,它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大.日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%.CSP与BGA结构基本一样,只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了,这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数,使组装密度进一步提高,可以说CSP是缩小了的BGA。以下就四种基本类型的BGA，从其结构特点等多方面加以阐述。
1.1 PBGA(Plastic Ball Grid Array塑封球栅阵列)
PBGA即通常所说的OMPAC(Overmolded Plastic Array Carrier)，是最普通的BGA封装类型。PBGA的载体是普通的印制板基材，例如FR－4、BT树脂等。硅片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面，然后用塑料模压成形，在载体的下表面连接有共晶组份(37Pb/63Sn)的焊球阵列。焊球阵列在器件底面上可以呈完全分布或部分分布，通常的焊球尺寸0.75～0.89mm左右，焊球节距有1.0mm、1.27mm、1.5mm几种。
PBGA技术的主要挑战是保证封装的共面性、减少潮气的吸收和防止“popcorn”现象的产生以及解决因日趋增大的硅片尺寸引起的可靠性问题，对于更高I/O数的封装，PBGA技术的难度将更大。由于载体所用材料是印制板基材，所以在组装件中PCB和PBGA载体的热膨胀系数(TCE)近乎相同，因此在回流焊接过程中，对焊点几乎不产生应力，对焊点的可靠性影响也较小。目前PBGA应用遇到的问题是如何继续减少PBGA封装的费用，使PBGA能在I/O数较低的情况下仍比QFP节省费用。
1.2 CBGA(Ceramic Ball Grid Array陶瓷球栅阵列)
CBGA通常也称作SBC(Solder Ball Carrier)，是BGA封装的第二种类型。CBGA的硅片连接在多层陶瓷载体的上表面，硅片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式，第一种是硅片线路层朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接，另一种则是硅片的线路层朝下，采用倒装片结构方式实现硅片与载体的连接。硅片连接完成之后，对硅片采用环氧树脂等填充物进行包封以提高可靠性和提供必要的机械防护。在陶瓷载体的下表面，连接有90Pb/10Sn焊球阵列，焊球阵列的分布可以有完全分布或部分分布两种形式，焊球尺寸通常约0.89mm左右，间距因各家公司而异，常见的为1.0mm和1.27mm。
目前一些产品已采用了I/O数196～625的CBGA封装器件，但CBGA的应用还不太广泛，更高I/O数的CBGA封装的发展也停滞不前，主要归咎于CBGA组装中存在的PCB和多层陶瓷载体之间的热膨胀系数(TCE)不匹配问题，这个问题的出现，使得在热循环时引起封装体尺寸较大的CBGA焊点产生失效。通过大量的可靠性测试，已经证实了封装体尺寸小于32mm×32mm的CBGA均可以满足工业标准热循环试验规范。CBGA的I/O数目前限制在625以下，对于陶瓷封装体尺寸在32mm×32mm以上的，则必须要考虑采取其它类型的BGA。
1.3 CCGA(Ceramic Cloumn Grid Array 陶瓷柱栅阵列)
CCGA也称SCC(Solder Column Carrier)，是CBGA在陶瓷体尺寸大于32mm×32mm时的另一种形式(见图4)，和CBGA不同的是在陶瓷载体的下表面连接的不是焊球而是90Pb/10Sn的焊料柱，焊料柱阵列可以是完全分布或部分分布的，常见的焊料柱直径约0.5mm，高度约为2.21mm，柱阵列间距典型的为1.27mm。CCGA有两种形式，一种是焊料柱与陶瓷底部采用共晶焊料连接，另一种则采用浇铸式固定结构。CCGA的焊料柱可以承受因PCB和陶瓷载体的热膨胀系数TCE不匹配产生的应力，大量的可靠性试验证实封装体尺寸小于44mm×44mm的CCGA均可以满足工业标准热循环试验规范。CCGA的优缺点和CBGA非常相似，唯一的明显差异是CCGA的焊料柱比CBGA的焊球在组装过程中更容易受到机械损伤。目前有些电子产品已经开始应用CCGA封装，但是I/O数在626～1225之间的CCGA封装暂时尚未形成批量生产，I/O数大于2000的CCGA封装仍在开发中。
1.4 TBGA(Tape Ball Grid Array 载带球栅阵列)
TBGA又称为ATAB(Araay Tape Automated Bonding)，是BGA的一种相对较新的封装类型。TBGA的载体是铜/聚酰亚胺/铜双金属层带，载体的上表面分布有信号传输用的铜导线，而另一面则作为地层使用。硅片与载体之间的连接可以采用倒装片技术来实现，当硅片与载体的连接完成后，对硅片进行包封以防止受到机械损伤。载体上的过孔起到了连通两个表面、实现信号传输的作用，焊球通过采用类似金属丝压焊的微焊接工艺连接到过孔焊盘上形成焊球阵列。在载体的顶面用胶连接着一个加固层，用于给封装体提供刚性和保证封装体的共面性。在倒装硅片的背面一般用导热胶连接着散热片，给封装体提供良好的热特性。TBGA的焊球组份为90Pb/10Sn，焊球直径约为0.65mm，典型的焊球阵列间距有1.0mm、1.27mm、1.5mm几种，TBGA与PCB之间的组装所采用的为63Sn/37Pb共晶焊料。TBGA也可以利用现有的表面安装设备和工艺，采用与CBGA相似的组装方法进行组装。目前常用的TBGA封装的I/O数小于448，TBGA736等产品已上市，国外一些大公司正在开发I/O数大于1000的TBGA。
这种封装采用高密度的倒装片形式实现硅片与载体的连接，使TBGA具有信号噪声小等很多优点，由于印制板和TBGA封装中加固层的热膨胀系数TCE基本上是相互匹配的，所以对组装后TBGA焊点可靠性的影响并不大，TBGA封装遇到的最主要问题是潮气的吸收对封装的影响。
2 Flip Chip
Flip chip,又称为倒装片,与COB相比,芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下,由于I/O引出端分布于整个芯片表面,故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰,特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工,故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向.90年代,该技术已在多种行业的电子产品中加以推广,特别是用于便携式的通信设备中.
和其它表面安装器件不同，倒装片无封装，互联阵列分布于硅片的表面，取代了金属丝压焊连接形式，硅片直接以倒扣方式安装到PCB上。倒装片不再需要从硅片向四周引出I/O端，互联的长度大大缩短，减小了RC延迟，有效地提高了电性能。倒装片连接有三种主要类型：C4、DC4和FCAA。
2.1 C4(Controlled Collapse Chip Connection可控坍塌芯片连接)
C4是类似超细间距BGA的一种形式(见图6)。与硅片连接的焊球阵列一般的间距为0.203～0.254mm，焊球直径为0.102～0.127mm，焊球组份为97Pb/3Sn，这些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。由于陶瓷可以承受较高的回流温度，因此陶瓷被用来作为C4连接的基材，通常是在陶瓷的表面上预先分布有镀Au或Sn的连接盘，然后进行C4形式的倒装片连接。
C4连接不能使用目前现有的组装设备和工艺进行组装，因为97Pb/3Sn焊球的熔化温度是320℃，且在这种采用C4连接的互联结构中不存在其它组份的焊料。在C4连接中，取代了焊膏漏印，而是采用印刷高温助焊剂的方式，首先将高温助焊剂印刷到基材的焊盘或硅片的焊球上，然后硅片上的焊球和基材上相应焊盘精确对位，通过助焊剂提供足够的粘附力来保持相对位置并直到回流焊接完成。C4连接采用的回流温度为360℃，在该温度下焊球熔化，硅片处于“悬浮”状态，由于焊料表面张力的作用，硅片会自动校正焊球和焊盘的相对位置，最终焊料坍塌至一定的高度形成连接点。C4连接方式主要应用于CBGA和CCGA封装中，此外，有些厂家在陶瓷多芯片模块(MCM—C)应用中也使用这种技术。目前采用C4连接的I/O数在1500以下，一些公司预期开发的I/O数将超过3000。
C4连接在硅片和基材之间只有一个互联界面，可提供最短的、干扰最小的信号传递通道，减少的界面数量使得结构更简单，并且可靠性更高。C4连接在技术上还存在很多挑战，真正应用于电子产品还有一定的难度。C4连接方式只能适用于陶瓷基材，它们将在高性能、高I/O数的产品中得到广泛的应用，例如CBGA、CCGA和MCM—C等。
2.2 DCA(Direct Chip Attach 直接芯片连接)
DCA和C4类似，是一种超细间距连接。DCA的硅片和C4连接中的硅片结构相同，两者之间的唯一区别在于基材的选择，DCA采用的基材是典型的印制材料。DCA的焊球组份是97Pb/3Sn，连接焊接盘上的焊料是共晶焊料(37Pb/63Sn)。对于DCA，由于间距仅为0.203～0.254mm，共晶焊料漏印到连接焊盘上相当困难，所以取代焊膏漏印这种方式，在组装前给连接焊盘顶镀上铅锡焊料，焊盘上的焊料体积要求十分严格，通常要比其它超细间距元件所用的焊料多。在连接焊盘上0.051～0.102mm厚的焊料由于是预镀的，一般略呈圆顶状，必须要在贴片前整平，否则会影响焊球和焊盘的可靠对位。
这种连接方式可以用现在的表面安装设备和工艺实现。首先，助焊剂通过印刷方式被分配到硅片上，然后进行硅片的贴装，最后回流焊接。DCA组装采用的回流温度约220℃，低于焊球的熔点但高于连接焊盘上的共晶焊料熔点，硅片上焊球的作用相当于刚性支撑，回流之后共晶焊料熔化，在焊球与焊盘之间形成焊点连接。对于这种采用两种不同的Pb/Sn组份形成的焊点，在焊点中两种焊料的界面实际并不明显，而是形成从97Pb/3Sn到37Pb/63Sn的光滑过渡区域。由于焊球的刚性支撑作用，DCA组装中焊球不“坍塌”，但还具有自校正特性。DCA已经开始得到应用，I/O数主要在350以下，一些公司计划开发的I/O数超过500。这种技术发展的动力不是更高的I/O数，而主要是着眼于尺寸、重量和费用的减小。DCA的特点和C4非常相似，由于DCA可以利用现有的表面安装工艺实现与PCB的连接，所以能采用这种技术的应用很多，尤其是在便携式电子产品中的应用。
2.3 FCAA(Flip Chip Adhesive Attachment 倒装片胶连接)
FCAA连接存在多种形式，当前仍处于初期开发阶段。硅片与基材之间的连接不采用焊料，而是用胶来代替。这种连接中的硅片底部可以有焊球，也可以采用焊料凸点等结构。FCAA所用的胶包括各向同性和各向异性等多种类型，主要取决于实际应用中的连接状况。另外，基材的选用通常有陶瓷、印制板材料和柔性电路板等。这种技术目前尚未成熟，在这里就不作更多的阐述。
3 CSP
CSP之所以受到极大关注,是由于它提供了比BGA更高的组装密度,而比采用倒装片的板极组装密度低.但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂,没有倒装片的裸芯片处理问题,基本上与SMT的组装工艺相一致,并且可以像SMT那样进行预测和返工.正是由于这些无法比拟的优点,才使CSP得以迅速发展并进入实用化阶段.目前日本有多家公司生产CSP,而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记本电脑等产品上.从CSP近几年的发展趋势来看,CSP将取代QFP成为高I/O端子IC封装的主流.
CSP的出现解决了KGD问题,CSP不但具有裸芯片的优点,还可像普通芯片一样进行测试老化筛选,使MCM的成品率才有保证,大大促进了MCM的发展和推广应用.
4 MCM
多芯片组件(MCM)就是当前微组装技术的代表产品.它将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上,然后封装在外壳内,是电路组件功能实现系统级的基础.MCM采用DCA(裸芯片直接安装技术)或CSP,使电路图形线宽达到几微米到几十微米的等级.在MCM的基础上设计与外部电路连接的扁平引线,间距为0.5mm,把几块MCM借助SMT组装在普通的PCB上就实现了系统或系统的功能.
当前MCM已发展到叠装的三维电子封装(3D),即在二维X、Y平面电子封装(2D)MCM基础上,向Z方向,即空间发展的高密度电子封装技术,实现3D,不但使电子产品密度更高,也使其功能更多,传输速度更快,性能更好,可靠性更好,而电子系统相对成本却更低.
对MCM发展影响最大的莫过于IC芯片.因为MCM高成品率要求各类IC芯片都是良好的芯片(KGD),而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选,给组装MCM带来了不确定因素.
5 结束语
综上所述，BGA、Flip Chip、CSP、MCM不仅改变了传统的引线封装形式，而且还提供了高性能、高I/O数应用中的封装解决办法，它们适应了当前表面安装技术的发展需要，必将对今后的电子组装产业产生重大的影响。面积阵列封装技术必将发展成为一种占优势的封装技术，其在电子组装领域中的发展前景是非常广阔的。
参考文献：
[1] 李桂云，电子与封装，《微电子封装的发展趋势》2004，NO.13
[2] 张曙光 何礼君 张少明 石力开，《基于BGA封装的总线开关技术发展趋势》，《材料导报》2006
[3] 杨建生 陈建军, 集成电路《先进微电子封装技术（FC、CSP、BGA）发展趋势概述》2005
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[6] https://gykj.anyp.com/uelen/5374-44523.aspx
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[8] https://www.61116111.com/tech/hc/tech_1341_213.html
