楊建生（天水華天微電子有限公司技術部，甘肅 天水 741000）摘要：簡要介紹了芯片級封裝技術諸如芯片規(guī)模封裝（CSP）、微型SMT封裝（MSMT）、迷你型球柵陣列封裝（miniBGA）、超級型球柵陣列封裝（SuperBGA）和 mBGA封裝。

關鍵詞：芯片規(guī)模封裝；微型球柵陣列封裝

中圖分類號： TN305.94 文獻標識碼： B 文章編號：1003-353X(2003)09-0052-03

BGAs封裝已成為當今制造的主流，并已發(fā)展成為新一代微型BGA封裝技術。芯片規(guī)模封裝就是比裸芯片略大一些或幾乎與裸芯片一樣大的封裝形式，即微型的BGA封裝技術。雖然芯片規(guī)模封裝的產品在設計和結構方面與別的封裝產品存在差異，并依賴于供應商而定，但是它們具有一些共同的特性，擁有顯而易見的優(yōu)越性。

其一為高密度，芯片規(guī)模封裝器件中硅片部分與封裝部分的比率接近于1。這表明與BGAs或別的表面安裝技術封裝相比較，利用率和效率更高，封裝效率已達到50%～90%。

其二為操作技術，在芯片規(guī)模封裝技術中，把芯片在典型狀況下進行密封，從而避免了裸芯片所需要的任何專門的操作技術。

其三為可測試性，芯片可在具有各種外部連接的封裝中測試，而不履行芯片的各種探測技術，并且也不冒可能把焊盤損壞的危險。標準的體尺寸會使測試夾具裝置易于使用，再者，芯片規(guī)模封裝器件通常具有從芯片焊盤到外部連接的短連接途徑，這可有助于電特性的改善。

總之，芯片規(guī)模封裝提供了裸芯片封裝技術尺寸和性能方面的優(yōu)越性，從而避免了部分缺陷，具有較高的I/O 密度，引腳更短，與PCB的接點面積更大，體積更小，因而有效地改善了電性能和熱設計性能。如今，芯片規(guī)模封裝已成為主流封裝形式，主要應用于存儲卡、PC卡、便攜式電子產品和移動電話等領域。

2三菱公司的CSP封裝

日本三菱公司稱其設計的芯片規(guī)模封裝為 CSP。在此封裝中，把一芯片進行模塑包封，并把其焊盤通過芯片上的導體圖形與外部凸點相連接。與傳統(tǒng)的表面安裝技術不同，此類封裝不包括引線框架或焊絲，因為不使用絲焊技術，芯片焊盤可做得比正常的小些。

日本三菱公司的研究人員研制出三種模式的 CSP封裝形式，主體尺寸為6.35mm×15.24mm×0.65mm，芯片尺寸為5.95mm×14.84mm×0.4mm。第一種模式擁有一個（5×12）60個凸點的陣列，直徑為0.68mm，間距為1.0mm。第二種模式，陣列增加為96個凸點（6×16），而在較窄的0.8mm間距上采用較小的直徑為0.55mm的凸點。第三種模式，僅呈現為外部兩排陣列的形式，凸點數32（2×16）。其典型結構尺寸如表1所示，CSP的凸點斷面圖形如圖1。

CSP封裝從外表看上去是簡單的，但是此封裝的構造并不是直截了當的。三菱公司選取了TiN和Ni/Au二重冶金技術，使芯片從內部焊盤到外部凸點形成線連接。為了確定凸點的位置，在圓片上涂覆起保護作用的聚酰壓胺膜。通過一層厚的光刻膠把鉛和錫焊膏蒸敷到圓片上，以便在凸點位置形成高濕焊料層（95%Pb/5%Sn）。

凸點由兩部分組成，傳導的內部凸點和外部焊料凸點。表面上看起來，在新的工藝中，使內部凸點形成鎳/薄鍍金的銅鍍層（高度100 mm），并粘貼到不銹鋼框架上。把芯片置于該框架之上，并校準凸點部位與這些內部凸點的位置。在氫氣和氮氣環(huán)境中加熱，芯片上的焊料層使內部凸點潤濕，從而提供了小的負載。接著，把芯片進行密封，要么通過傳遞模塑，要么通過球頂部樹脂模塑，剝去不銹鋼框架，完成內部凸點傳導過程。內部凸點熔融之后，把焊料球置于封裝底部覆蓋模板處，然后回流焊到內部凸點。

三菱公司已模擬了3種CSP模式的焊點疲勞狀況，并計算出循環(huán)數達50%失效。就裝配到玻璃環(huán)氧樹脂板的情況而言，60個凸點陣列數目為 621，96個凸點陣列為478，有兩排16個凸點的模式為129。該公司聲稱，除最后的一種模式之外，這些結果與可預料到的寬度為400密耳的TSOP封裝情況相類似。

按照公司的狀況，目前還需要做有關可測試性和耐濕性方面的工作。另外，三菱公司提供較低管腳數的器件，諸如各類存儲器所采用的CSP封裝。更進一步把此封裝擴展為較高管腳數的ASIC，將意味著降低了凸點間距。雖然公司聲稱CSP封裝的間距可被收縮到0.3mm，但是此間距問題也引起了諸如板設計、裝配、測試和可靠性方面的諸多問題。

3MSMT封裝

微型SMT公司研制出一種稱為MSMT封裝的芯片規(guī)模封裝技術，也就是眾所周知的微型或小型 SMT封裝技術，封裝部分與芯片部分的面積之比為1.0～1.2。它不同于標準的封裝特征在于MSMT封裝技術是在圓片級水平上進行的。使圓片的劃線面積（或較高密度的壓焊焊盤面積）在每一芯片周圍形成硅支柱。通過濺射和蒸發(fā)的貴金屬支撐的梁把這些端子連接到芯片焊盤上。再沿著這些端子—— 梁結構用環(huán)氧樹脂、聚酰壓胺或特氟隆密封芯片。

對較大的IC而言，微型SMT公司指出了在密封劑上使用一個帽蓋的做法的優(yōu)點，此帽蓋確保了6mm之內端子的平面性，從而提供了對增加的散熱及阻抗的控制能力。有了此帽蓋，MSMT封裝的高度為0.5mm，而無此帽蓋，斷面降至0.3mm。

該公司預計小于80線的IC產品的引線間距將為 0.3～0.4mm，例如在1812尺寸中計劃的28線的MSMT封裝產品具有0.4mm的引線間距。

微型SMT公司把其生產方向集中于低引線數領域，樂于解決100線及100線以下的封裝產品的各類問題。深信其MSMT技術將降低封裝成本，如 SOIC產品，如果加工4英寸圓片的1206器件與SOIC產品的0.08美元和0.12美元的成本相比較，MSMT 封裝的IC產品的成本小于0.05美元。若變?yōu)?英寸圓片的話，成本就降到0.03美元，再者，把MSMT 封裝用于晶體管封裝的優(yōu)越性是其成本為IC封裝中產品成本的70%。該公司列舉了MSMT封裝的其他優(yōu)點，通過其端子——梁構造，嵌入撓性，不象傳統(tǒng)的倒裝片，不需要下填充物來補償芯片和板之間的CTE差異。另外，與倒裝片相比，MSMT器件面朝上安裝，這為RF IC提供了屏蔽。最后，該公司聲稱，MSMT封裝的焊盤可經得住多種探測。

4miniBGA、superBGA和μBGA

Tessera公司已研制出又一種芯片規(guī)模封裝的方法，稱其為mBGA。mBGA使用撓曲電路插件把芯片上的各種周邊連接轉換為面陣列，把柔性聚酰壓胺電路短的金引線超聲熱壓焊到芯片焊盤。該公司聲稱mBGA通常在間距為80 mm狀況下壓焊，并可變得更窄。用厚度為幾個微米的彈性體焊盤/粘合劑把撓曲電路粘附到芯片的表面。此彈性材料具有兩個功能，它壓縮插頭測試，并且與柔性引線一起壓焊，起著從基板上隔絕芯片的熱膨脹的作用。此封裝提供了真正的芯片尺寸封裝，消除了來自印制電路板的應力。

μBGA的凸點高度為85mm，典型狀況下由鍍薄金的鎳構成，間距范圍為0.5mm～1.5mm。雖然此封裝通常情況下密封于金屬殼體之中，但是為了熱耗可把芯片的背部暴露。為了保護封裝邊緣，可使用載體環(huán)。除尺寸之外，可測試性、封裝上短的軌跡和背部冷卻已成為mBGA封裝的顯著優(yōu)點。Tessera公司聲稱，該封裝的彈性體材料和撓曲層提供了對來自鉛放射性衰變的α粒子放射物的足夠的阻擋層，因為α粒子可引起軟誤差。另外， mBGA是一種小、薄、高性能單片封裝，Hitachi公司已引進了672個管腳的 mBGA封裝的ASIC系列，并已形成批量生產。

Sandia National Laboratories的miniBGA（mBGA）封裝也是基于芯片規(guī)模封裝考慮的封裝技術。mBGA封裝技術把傳統(tǒng)的芯片轉變成適合于倒裝片粘貼的芯片，此封裝僅僅是又一種形式的倒裝片封裝，因此屬于裸芯片范疇。mBGA封裝的尺寸更小，比芯片尺寸大不了多少。此封裝是把BGA 和倒裝片技術的最佳特點相結合而形成的CSP封裝形式。

裸芯片不是空間和重量受限制的商用電子產品的唯一的新的封裝方式，Amkor/Anam公司已引進了superBGA封裝技術，對此超越BGA封裝技術的設計，應考慮速度、熱控制、I/O 數和安裝高度。在典型的256 I/O模式中，較薄的BGA擁有的安裝高度為1.0mm，重2.0g，根據模型數據，352 I/O的superBGA封裝提供的熱阻小于10℃/W，此種類型的新封裝考慮到的速率大于1.5GHz。

superBGA為一種腔體向下型設計的封裝，把芯片置于封裝球側面的腔體中，并直接粘貼到覆蓋封裝頂部表面的薄的銅散熱器上。采用超聲熱球壓焊技術，完成BGA的PCB基板從芯片到粘結層的金絲連接，芯片和腔體均用液態(tài)樹脂裝置填充。在BGA基板中，典型的線寬和間隔寬度分別為0.075mm和0.100mm，并且使用各種通路使電連接或熱連接在設計方面多達5個金屬層。但是為了增大電特性，應使各種通路的使用減到最小程度，散熱片起著接地平面的作用，并使軌跡長度變短。對一27mm 2的superBGA而言，典型的自身電感數值，小于方形扁平封裝（QFP）的狀況。Amkor/ Anam公司聲稱此新型的BGA封裝具有優(yōu)越的可靠性，這是由于各種材料和工藝所形成的。通路數量的減少、剛性散熱層以及PCB散熱結構的各種技術使撓曲和翹曲最小化。SuperBGA封裝經受的測試技術條件為JEDEC等級2標準：85℃/60%RH/168h。SuperBGA封裝在Amkor/Anam公司已形成批量生產。

5結語

由于便攜式電子產品，如手機、筆記本電腦等，體積越來越小，重量越來越輕，功能越來越多，要求元器件的尺寸和元器件之間的間距尺寸越來越小。CSP，mBGA，miniBGA、superBGA和MSMT封裝等超越BGA封裝技術的出現正是順應這一發(fā)展趨勢的產物，這些封裝技術在高密度微電子封裝技術中占據著重要的位置，封裝的引腳間距已從原來的1.5mm，1.27mm，1.0mm逐步向窄間距0.8mm和0.5mm轉移。根據從世界上各大公司已經推向市場并進入實用階段的超越BGA封裝品種的分析，21世紀初，這些微型BGA封裝將以成熟的工藝、低廉的成本、便利的更小的更靈巧的和更薄的封裝形式出現，在電子產品中的應用量會逐漸上升，并將取代QFP成為高I/O 數IC封裝的主流。