探讨微电子封装技术的发展趋势

　　摘要：文章介绍了当前广泛应用的微电子封装技术，包括BGA、CSP、3D封装和系统封装SIP，简述了当前最新封装技术面临的问题与挑战，提出了该技术未来的发展趋势。

　　关键词：微电子；封装技术；封装发展趋势；

　　作者简介：张力元(1990-)，男，昆明人，硕士生，研究方向：可再生能源材料与制备。

　　0引言

　　21世纪微电子技术的高速发展，随之带动的是一系列产业的发展。信息、能源、通讯各类新兴产业的发展离不开微电子技术。而微电子封装技术是微电子技术中最关键和核心的技术。微电子封装体(Package)和芯片(Chip或die)通过封装工艺(Packaging)组合成一个微电子器件(Device)，通常封装为芯片(或管芯)提供电通路、散热通路、机械支撑、环境防护等，所以微电子封装是微电器件的2个基本组成部分之一，器件的许多可靠性性能都是由封装的性能决定的[3]。致力于发展微电子封装技术的人们把目光投在以下4个方面：(1)极低的成本。(2)薄、轻、便捷。(3)极高的性能。(4)各种不同的功能包括各类不同的半导体芯片[1]。

　　1微电子封装技术的发展历程

　　微电子封装技术的发展经历了3个阶段：

　　第一阶段是20世纪70年代中期，由双直列封装技术(DIP)为代表的针脚插入型转变为四边引线扁平封装型(QPF)，与DIP相比，QFP的封装尺寸大大减小，具有操作方便、可靠性高、适用于SMT表面安装技术在PCB上安装布线，由于封装外形尺寸小，寄生参数减小，特别适合高频应用[2]。

　　第二阶段是20世纪90年代中期，以球栅阵列端子BGA型封装为标志，随后又出现了各种封装体积更小的芯片尺寸封装(CSP)。与QPF相比，BGA引线短，散热好、电噪小且其封装面积更小、引脚数量更多、适合大规模生产。

　　第三阶段是本世纪初，由于多芯片系统封装SIP出现，将封装引入了一个全新的时代。

　　2微电子封装的主流技术

　　目前的主流技术集中在BGA、CSP以及小节距的QPF等封装技术上，并向埋置型三维封装、有源基板型三维封装、叠层型三维封装即三维封装和系统封装的方向发展。

　　2.1BGA\CSP封装

　　球栅阵列封装BGA在GPU、主板芯片组等大规模集成电路封装有广泛应用。它的I/O引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题[4]。BGA技术包括很多种类如陶瓷封装BGA(CBGA)、塑料封装BGA(PBGA)以及MicroBGA(μBGA)。BGA具有下述优点：

　　(1)I/O引线间距大(如1.0mm，1.27mm)，可容纳的I/O数目大，如1.27mm间距的BGA在25mm边长的面积上可容纳350个I/O，而0.5mm间距的QFP在40mm边长的面积上只容纳304个I/O。

　　(2)封装可靠性高，不会损坏引脚，焊点缺陷率低，焊点牢固[5]。

　　(3)管脚水平面同一性较QFP容易保证，因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差，而且其引脚牢固运转方便。

　　(4)回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对准效果，允许有50%的贴片精度误差，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率。

　　(5)有较好的电特性，由于引线短，减小了引脚延迟，并且导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好。

　　(6)能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有的丝印机、贴片机和回流焊设备都可使用，兼容性好，便于统一标准。

　　(7)焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。

　　为了追求对电路组件更小型化、更多功能、更高可靠性的要求，CSP作为BGA同时代的产品应运而生。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。美国JEDEC给出的CSP定义为：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%。但是近几年来封装界的权威人士均把CSP定义为焊球节距小于1mm的封装，而大于1mm的就看做是BGA。

　　CSP除了具有BGA的优点以外，其更精细的封装还有很多独特的优点，其特殊的代表是WLCSP。通常，CSP都是将圆片切割成单个芯片后再实施后道封装的，而WLCSP则不同，它的全部或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，最后将圆片直接切割成分离的独立器件。所以这种封装也称作圆片级封装(WLP)。这样，它还具有独特的优点：

　　(1)封装加工效率高，可以多个圆片同时加工。

　　(2)具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小。

　　(3)与前工序相比，只是增加了引脚重新布线和凸点制作2个工序，其余全部是传统工艺。

　　(4)减少了传统封装中的多次测试。因此世界上各大型封装公司纷纷投人这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低，还没有标准化和成本较高[6]。

　　2.23D封装

　　SIP有多种定义和解释，其中一说是多芯片堆叠的3D封装内系统集成，在芯片的正方向堆叠2片以上互连的裸芯片的封装。SIP是强调封装内包含了某种系统的功能封装，3D封装仅强调在芯片方向上的多芯片堆叠，如今3D封装已从芯片堆叠发展到封装堆叠，扩大了3D封装的内涵[7]。

　　3D封装的形式有很多种，主要可分为填埋型、有源基板型和叠层型等3类。填埋型三维立体封装出现上世纪80年代，它是将元器件填埋在基板多层布线内或填埋、制作在基板内部，它不但能灵活方便地制作成填埋型，而且还可以作为IC芯片后布线互连技术，使填埋的压焊点与多层布线互连起来。这就可以大大减少焊接点，提高电子部件封装的可靠性。有源基板型是用硅圆片集技术，做基板时先采用一般半导体IC，制作方法作一次元器件集成化，形成有源基板，然后再实施多层布线，顶层再安装各种其他IC芯片或元器件，实现3D封装。叠层型三维立体封装是将LSI、VLSI、2D-MCM，甚至WSI或者已封装的器件，无间隙的层层叠装互连而成。这类叠层型是应用最为广泛的一种，其工艺技术不但应用了许多成熟的组装互连技术，还发展了垂直互连技术，使叠层型封装成为发展势头最迅猛发展速度最快的3D封装。但有源基板型3D封装却是人们一直力求实现的封装。

　　伴随着手机的大量使用，手机的功能越来越强大，既要实现轻、薄、小又要功能强大，这其中离不开的就是叠层型的3D封装。目前有许多种基于堆叠方法的3D封装，主要包括：硅片与硅片的堆叠(W2W)、芯片与硅片的堆叠(D2W)以及芯片与芯片的堆叠(D2D)。归纳起来其主要堆叠方式可以通过2种方法实现：封装内的裸片堆叠和封装堆叠，封装堆叠又可分为封装内的封装堆叠和封装间的封装堆叠。

　　裸片堆叠的封装主要有2种，一是MCP，二是SC-SP。MCP涵盖SCSP，SCSP是MCP的延伸。SCSP的芯片尺寸比MCP有更严格的规定，通常MCP是多个存储器芯片的堆叠，而SCSP是多个存储器和逻辑器件芯片的堆叠。裸片堆叠的关键技术是：

　　(1)圆片的减薄技术，目前一般综合采用研磨、深反应离子刻蚀法和化学机械抛光法等工艺，通常减薄到小于50μm，为确保电路的性能和芯片的可靠性，业内人士认为晶圆减薄的极限为20μm左右。

　　(2)低弧度键合技术。因为芯片厚度小于150μm，所以键合弧度必须小于这个值。目前采用的25μm金丝的正常键合弧高为125μm，而用反向引线键合优化工艺可以达到75μm以下的弧高。与此同时，反向引线键合工艺增加一个打弯工艺以保证不同键合层的间隙。

　　(3)悬梁上的引线键合技术。必须优化悬梁上的引线键合技术，因为悬梁越长，键合时芯片变形越大。

　　(4)圆片凸点制作技术。

　　(5)键合引线无摆动模塑技术。裸片堆叠封装的主要缺点就是堆叠中一层集成电路出问题，所有堆叠裸片都将报废，但毫无疑问裸片堆叠能够获得更为紧凑的芯片体积和更为低廉的成本。例如AMKOR公司采用了裸片叠层的封装比采用单芯片封装节约了30%的成本[8]。

　　封装堆叠又称封装内的封装堆叠，它有2种形式：一是PIP。PIP是一种在BAP(基础装配封装)上部堆叠经过完全测试的内部堆叠模块，以形成单CSP解决方案的3D封装。二是POP。它是一种板安装过程中的3D封装，在其内部，经过完整测试的封装如单芯片FBGA(窄节距网格焊球阵列)或堆叠芯片FBGA被堆叠到另外一片单芯片FBGA(典型的存储器芯片)或堆叠芯片FBGA(典型的基带或模拟芯片)的上部。封装堆叠的优点是：

　　(1)能堆叠来自不同供应商的混合集成电路技术的芯片，允许在堆叠之前进行预烧和检测。

　　(2)封装堆叠包括翻转一个已经检测过的封装，并堆叠到一个基底封装上面，后续的互连可以采用线焊工艺。

　　2.3SIP系统封装

　　系统级封装(systeminpackage，SIP)是指将不同种类的元件，通过不同种技术，混载于同一封装体内，由此构成系统集成封装形式。我们经常混淆2个概念系统封装SIP和系统级芯片SOC。迄今为止，在IC芯片领域，SOC系统级芯片是最高级的芯片；在IC封装领域，SIP系统级封装是最高级的封装。SIP涵盖SOC，SOC简化SIPSOC，与SIP是极为相似的，两者均希望将一个包含逻辑组件、内存组件，甚至包含被动组件的系统，整合在一个单位中。然而就发展的方向来说，两者却是大大的不同：SOC是站在设计的角度出发，目的在于将一个系统所需的组件整合到一块芯片上，而SIP则是由封装的立场出发，将不同功能的芯片整合于一个电子构造体中。

　　SIP系统级封装不仅是一种封装，它代表的是一种先进的系统化设计的思想，它是研究人员创意的平台，它所涉及到芯片、系统、材料、封装等诸多层面问题，涵盖十分广泛，是一个较宽泛的指称，所以从不同角度研究和理解SIP的内涵是十分必要的，这里列举了当前的一部分SIP技术的内涵概念：

　　(1)SIP通过各功能芯片的裸管芯及分立元器件在同一衬底的集成，实现整个系统功能，是一种可实现系统级芯片集成的半导体技术。

　　(2)SIP是指将多芯片及无源元件(或无源集成元件)形成的系统功能集中于一个单一封装体内，构成一个类似的系统器件。

　　(3)当SOC的特征尺寸更小以后，将模拟、射频和数字功能整合到一起的难度随之增大，有一种可选择的解决方案是将多个不同的裸芯片封装成一体，从而产生了系统级封装(SIP)。

　　(4)SIP为一个封装内集成了各种完成系统功能的电路芯片，是缩小芯片线宽之外的另一种提高集成度的方法，而与之相比可大大降低成本和节省时间。

　　(5)SIP实际上是多芯片封装(MCP)或芯片尺寸封装(CSP)的演进，可称其为层叠式MCP、堆叠式CSP，特别是CSP因其生产成本低，将成为最优的集成无源元件技术，但SIP强调的是该封装内要包含某种系统的功能[9]。

　　SIP的技术要素是封装载体和组装工艺，它与传统封装结构不同之处是与系统集成有关的2个步骤：系统模块的划分与设计，实现系统组合的载体。传统封装中的载体(即基板)只能起互连作用，而SIP的载体包括电路单元，属于系统的组成部分。

　　模块的划分指从电子设备中分离出一块功能模块，既利于后续整机集成又便于SIP封装。以蓝牙模块为例，其核心是一块基带处理器，它的一端与系统CPU接口，另一端与物理层硬件接口(调制解调、发送与接收、天线等)[10]。

　　组合的载体包括高密度多层封装基板和多层薄膜技术等先进技术。而在芯片组装方面，板上芯片(COB)和片上芯片(COC)是目前的主流技术。COB是针对器件与有机基板或陶瓷基板间的互连技术。现有的技术包括引线键合和倒装芯片。COC是一种在单封装体中堆叠多芯片的结构，即叠层芯片封装技术。

　　SIP技术现在广泛应用于3个方面：一是在RF/无线电方面。例如全部功能的单芯片或多芯片SIP将RF基带功能线路及快闪式存储器芯片都封装在一个模块内。二是在传感器方面。以硅为基础的传感器技术发展迅速，应用范围广泛。三是在网络和计算机技术方面。

　　3微电子封装技术未来发展面临的问题与挑战

　　毫无疑问，3D封装和SIP系统封装是当前以至于以后很长一段时间内微电子封装技术的发展方向。

　　目前3D封装技术的发展面临的难题：一是制造过程中实时工艺过程的实时检测问题。因为这一问题如果解决不了，那么就会出现高损耗，只有控制了每一道生产工艺，才能有效地保证产品的质量，从而达到有效地降低废品率[11]。二是超薄硅圆片技术。面对更薄的硅圆片，在夹持和处理过程中如何避免它的变形及脆裂，以及后续评价检测内的各种处理技术，都有待进一步研究。三是高密度互连的散热问题。目前，基于微流体通道的液体冷却被证明是显著降低3DICs温度的有效方法。但在封装密度不断增加的前提下，微流体通道的分布需要与电气通路和信号传输通路统筹分布，如何在成功制作出更小微流体通道的同时保证系统整体性能的要求，是研究者们需要考虑的问题[12]。但是，我们仍需看到3D封装在高密度互连趋势下的巨大潜力。3D封装在未来的消费电子产品领域(特别是手机、掌上电脑)、机器人领域、生物医学领域等将扮演重要的角色。

　　微晶片的减薄化是SIP增长面对的重要技术挑战。现在用于生产200mm和300mm微晶片的焊接设备可处理厚度为50μm的晶片，因此允许更密集地堆叠芯片。如果更薄，对于自动设备来说将产生问题：晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。此外，从微晶片到微晶片的电子“穿孔”效应将损毁芯片的性能[9]。但是我们应该看到SIP巨大的市场前景，AlliedBusinessIntelligence统计，仅RF蜂窝市场的销售额就从2003年的18亿美元飙升至2007年的27.5亿美元。由堆叠BGA封装以及有源和无源组件构成的近十亿SIP于2003年上市，包括功率放大器、天线转换开关、发送器和前端模块。而近几年来SIP大发展更是迅速，德国银行、瑞士信贷第一波士顿和美国著名的研究组织“商业情报联盟”的联合调研表明，RF、数字、蓝牙、电源和汽车应用等市场已经被SIP技术占领[10]。在我国SIP技术也有很好的发展，如江苏长电科技股份有限公司开发的整体U盘的SIP封装技术，SIP系统级封装的U盘是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，与传统U盘相比，有着轻薄短小、容量大且可靠性高的特点[13]。未来，我们也将看到更多SIP技术的产品出现在我们周围。

　　4结语

　　无论是3D封装技术，还是系统级的封装技术SIP，都是基于更小体积、更多功能、更好稳定性的前提下发展而来的。特别是SIP不仅提出了系统级封装的概念，更是一种创意的封装思想，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，引出了许多的创意火花，丰富着微电子封装技术，也较好地解决了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰EMI、芯片体积、开发成本等问题，SIP封装集成能最大程度上优化系统性能，避免重复封装，缩短开发周期，降低成本并提高集成度，掌握这项新技术是进入主流封装领域的关键。毋庸置疑，未来的微电子封装产业将会迎来一个异彩纷呈的、多种技术并行的新时代。