理解倒裝芯片和晶片級封裝技術及其應用

lavida

1 引言

半導體技術的進步大大提高了芯片晶體管數量和功能,這一集成規模在幾年前是無法想象的。因此,如果沒有IC封裝技術快速的發展，不可能實現便攜式電子產品的設計。在消費類產品小型化和更輕、更薄發展趨勢的推動下，制造商開發出更小的封裝類型。最小的封裝當然是芯片本身，圖1描述了IC從晶片到單個芯片的實現過程，圖2為一個實際的晶片級封裝(CSP)。






晶片級封裝的概念起源于1990年，在1998年定義的CSP分類中。晶片級CSP是多種應用的一種低成本選擇,這些應用包括EEPROM等引腳數量較少的器件，以及ASIC和微處理器。CSP采用晶片級封裝(WLP)工藝加工，WLP的主要優點是所有裝配和測試都在晶片上進行。隨著晶片尺寸的增大、管芯的縮小，WLP的成本不斷降低。作為最早采用該技術的公司,Dallas Semiconductor在1999年便開始銷售晶片級封裝產品。  

2 命名規則

業界在WLP的命名上還存在分歧。CSP晶片級技術非常獨特，封裝內部并沒有采用鍵合方式。封裝芯片的命名也存在分歧。常用名稱有：倒裝芯片(STMicroelectronics和Dalias SemiconductorTM)、CSP、晶片級封裝、WLCSP、WL-CSP、MicroSMD(Na-tional Semiconductor)、UCSP(Maxim Integrated Prod-ucts)、凸起管芯以及MicroCSP(Analog Devices)等。

對于Maxim/Dallas Semiconductor，"倒裝芯片"和"晶片級封裝"，最初是所有晶片級封裝的同義詞。過去幾年中，封裝也有了進一步地細分。在本文以及所有Maxim資料中，包括公司網站，"倒裝芯片"是指焊球具有任意形狀、可以放在任何位置的晶片級封裝管芯(邊沿有空隙)。"晶片級封裝"是指在間隔規定好的柵格上有焊球的晶片級封裝管芯。圖3解釋了這些區別，值得注意的是，并不是所有柵格位置都要有焊球。圖3中的倒裝芯片尺寸反映了第一代Dallas Semiconductor的WLP產品：晶片級封裝尺寸來自各個供應商，包括Maxim。目前，Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片級封裝產品的標稱尺寸如表1所列。






3 晶片級封裝(WLP)技術

提供WLP器件的供應商要么擁有自己的WLP生產線，要么外包封裝工藝。各種各樣的生產工藝必須能夠滿足用戶的要求。確保最終產品的可靠性。美國亞利桑那州鳳凰城的FCI、美國北卡羅萊納州的Unitive建立了WLP技術標準，產品名為UltraCSP(FCI)和Xtreme(Unitive)。Amkor在并購Umitive后，為全世界半導體行業提供WLP服務。

在電路/配線板上,將芯片和走線連接在一起的焊球最初采用錫鉛共晶合金(Sn63Pb37)。為了減少電子產品中的有害物質(RoHS)，半導體行業不得不采用替代材料，例如無鉛焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高鉛焊球(Pb95Sn5)。每種合金都有其熔點，因此，在元器件組裝回流焊工藝中，溫度曲線比較特殊,在特定溫度上需保持一段時間。

集成電路的目的在于提供系統所需的全部電子功能，并能夠裝配到特定封裝中。芯片上的鍵合焊盤通過線鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設計原則要求鍵合焊盤位于芯片周界上。為避免同一芯片出現兩種設計(一種是普通封裝，另一種是CSP)，需要重新分配層連接焊球和鍵合焊盤。  

4 晶片級封裝器件的可靠性

晶片級封裝(倒裝芯片和UCSP)代表一種獨特的封裝外形，不同于利用傳統的機械可靠性測試的封裝產品。封裝的可靠性主要與用戶的裝配方法、電路板材料以及其使用環境有關。用戶在考慮使用WLP型號之前，應認真考慮這些問題。首先必須進行工作壽命測試和抗潮濕性能測試,這些性能主要由晶片制造工藝決定。機械壓力性能對WLP而言是比較大的問題，倒裝芯片和UCSP直接焊接后，與用戶的PCB連接，可以緩解封裝產品鉛結構的內部壓力。因此，必須保證焊接觸點的完整性。  

5 結束語

目前的倒裝芯片和CSP還屬于新技術,處于發展階段。正在研究改進的措施是將采用背面疊片覆層技術(BSL)，保護管芯的無源側，使其不受光和機械沖擊的影響，同時提高激光標識在光照下的可讀性。除了BSL，還具有更小的管芯厚度，保持裝配總高度不變。Maxim UCSP尺寸(參見表1)說明了2007年2月產品的封裝狀況。依照業界一般的發展趨勢，這些尺寸有可能進一步減小。因此，在完成電路布局之前，應該從各自的封裝外形上確定設計的封裝尺寸。

此外，了解焊球管芯WLP合金的組成也很重要，特別是器件沒有聲明或標記為無鉛產品時。帶有高鉛焊球(Pb95Sn5)的某些器件通過了無鉛電路板裝配回流焊工藝測試，不會顯著影響其可靠性。采用共晶SnPb焊球的器件需要同類共晶SnPb焊接面，因此，不能用于無鉛裝配環境。

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