微电子封装技术及发展趋势

　　近几年，随着电子产品轻、薄、短、小的发展趋势和微电子技术的不断更新、换代，微电子封装技术以其高密度和高性能的特点正逐渐进入超高速发展时期，已成为当前电子封装技的主流技术。

　　微电子封装可以分为以下几个层次:零级封装、一级封装、二级封装和三级封装。零级封装指芯片级的连接;一级封装指单芯片或多芯片组件或元件的封装;二级封装指印制电路板级的封装;三级封装指整机的组装。一般将0级芯片级和1级元器件级封装形式称为“封装技术”，而将2级印制板级和3级整机级封装形式称为“组装技术’。

　　1微电子封装关键技术

　　从技术发展的角度来看，微电子封装涉及的关键技术主要有：芯片互连工艺，BGA和CSP封装技术及MCM技术。

　　1.1芯片互连工艺

　　芯片互连工艺主要包括引线键合(WireBonding,WB)、载带自动焊接(TapeAutomatedBonding,TAB)和倒装芯片(FlipChip)工艺以及埋置芯片互连技术。

　　1.1.1WB工艺

　　WB技术是目前最为成熟的互连技术，采用WB技术的芯片结构如图2所示。WB技术分为热压焊、超声焊和热压超声焊(金丝球焊)，焊区金属一般采用的是1微米至数百微米直径的Au丝、AL丝和Si—AL丝。焊点强度高可满足70微米以上尺寸和艰巨的焊接需要。这种焊接方式的优点是灵活、方便，主要缺点是引线过长、压焊过重，易引起短路或失效。

　　1.1.2TAB技术

　　TAB是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集成电路封装技术，将芯片焊区与电子封装体外壳的I/O或基板上的布线焊区用有引线图形的金属箔丝连接，是芯片引脚框架的一种互连工艺，如图3所示。

　　TAB有单层带、双层带、三层带和双金属带几种，综合性能比WB优越，广泛应用于薄型LSI芯片的封装。

　　1.1.3倒装芯片(FC)技术

　　FC技术是芯片面朝下、将芯片焊区和基板焊区直接互连的技术，如图4所示。因为互连焊接的引脚长度即是凸点的高度，所以互连线最短，更适合高频、高速电子产品的封装。FC的安装面积比其它方法面积小，组装密度高，可实现高I数的LSI、VL-SI芯片的封装。另外，FC技术芯片的凸点可一次制作完成，省工省时。所以，FC技术的综合性能比WB、TAB技术都高，是今后发展的主流。

　　1.1.4埋置芯片互连技术(后布线技术)

　　埋置芯片互连技术是先将IC芯片埋置到基板或PI介质层中后，再统一进行布线，将IC芯片的焊区与布线金属自然相连。这种互连技术可以消除传统1C芯片与基板金属焊区的各类焊接点，从而提高电子产品的可靠性，此外，这种互连方式还可以进一步提高电子组装的密度，是实现3D封装的一种有效途径。

　　1.2典型封装技术1.2.1BGA封装

　　BGA封装即球栅阵列封装，是在封装体基板的底部制作阵列焊球并作为电路的I/O端与印刷线路板(PCB)互接的技术，属于多针的LSI用封装，封装体的密度比QFP封装密度要大。例如，BGA焊点的节距一般为1.27mm和0.8mm，可以利用现有的SMT工艺设备，而QFP的引脚节距如果小到0.3mm，引脚间距只有0.15mm，实现焊接就显得比较困难，需要精密的贴装设备及完全不同的焊接工艺。

　　目前，市场上出现的BGA封装，按基板的种类，主要分为PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)CCGA(陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)、EBGA(带散热器BGA)等，图5所示为PBGA的封装结构。

　　1.2.2CSP封装

　　CSP即芯片尺寸封装，JEDEC(美国EIA协会联合电子器件工程委员会)的JSTK—012标准规定:LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积的120%的产品为CSP，CSP是目前体积最小的LSI芯片封装之一。引脚数相同的封装，CSP的面积不到0.5mm节距QFP的十分之一，只有BGA的三分之一到十分之一。

　　随着日益发展的IC芯片的高集成化及性能高级化，由于采用CSP容易测定及老化，易于一次回流焊接等安装以及操作简便，可以认为在今后长期间内，CSP会代替常规的封装。

　　1.3MCM技术

　　MCM是指多个半导体裸芯片表面安装在同一块布线基板上。按基板材料不同，分为MCM—L、MCM—C、MCM—D三大类。

　　MCM—L是指用通常玻璃、环氧树脂制作多层印刷电路基板的模式。布线密度高而价格较低;MCM—C通过厚膜技术形成多层布线陶瓷，并以此作为基板，与使用多层陶瓷基板的厚膜混合IC相类似，二者没有明显的差别，布线密度比MCM—L高;MCM—D通过薄膜技术形成多层布线陶瓷(Al2O3或AlN)，或者直接采用Si、Al作为基板，布线密度最高，价格也高。

　　2未来微电子封装技术的发展趋势

　　从微电子封装今后的发展来看，今后封装技术的发展趋势为:将从有封装向少封装、无封装方向发展;单芯片向多芯片发展;平面型封装向立体封装发展;独立芯片封装向系统集成封装发展。

　　2.1FC技术正慢慢成为微电子封装的主流。

　　FC是封装中的最小封装，是近似于无封装的芯片。FCB技术可以将每个焊点之间的节距控制在1mm以下，线性尺寸减少20%—30%，使整体尺寸可以减少30%—50%。FC的引脚即凸点的高度比WB短得多，因此FC的电感非常低，非常适合在高频电子产品中应用。此外，FCB后可以在芯片背面直接加装散热片，可以大幅度提高芯片的散热性能。2.2二維组装向三維(3D)立体封装发展。

　　芯片级三维立体组装习惯上称为3D封装(Three—dimensionalpackaging)或立体微电子封装技术，是在传统器件封装技术基础上发展起来的新工艺技术。通常的三维封装是把两个或多个芯片(或芯片封装)在单个封装中进行堆叠，是一种强调在芯片正方向上的多芯片堆叠，实际上它也是一种堆叠封装。立体组装技术是提高组装密度最好的方法，组装密度可达到200%~300%。

　　3D封装主要有三种基本类型：叠层芯片封装、埋置型3D封装、有源基板型3D封装。从组装角度看，分系统(功能块)间最直接方便的立体组装技术是垂直互连技术，垂直互连的方式很多，主要有底面垂直互连和周边垂直互连两类，互连方式有凸点(球)、微簧片、填孔法以及毛纽扣(FuzzButton)等。

　　2.3无源元件将走向集成化在各种电子产品中无源元件和有源器件的典型比值为10:1，而在新一代的数字产品中比例更可达50:1，甚至更大。

　　无源元件与有源器件(集成电路等半导体产品)是微组装产品结构中的核心部分。为了提高封装效率，消除单个封装工艺、电路基板上不再组装分立元器件，可以采用将无源元件的小型化和集成化的方法。在这个发展趋势下0201微小尺寸的无源元件正在替代过去占主要地位的0603和0402。与此同时，组装0201无源元件的技术也将成为微组装中的重要环节。另外，将无源元件在Si基板上集成化或在基板内或基板上的多层布线介质层内埋置无源元件都是未来的发展趋势。

　　2.4由分立系统向系统级封装发展

　　SiP是近年来发展迅速且非常有市场潜力的组装技术，它是实现电子产品小型化和多功能化的重要手段。20世纪90年代后期，美国佐治亚理工学院PRC研宄开发的单级集成模块就是SiP的典型代表。它是将各类IC芯片和器件、无源元件、布线和介质层都组装在一个封装系统内，即将原来的三个封装层次(一级芯片封装二级插板插卡封装

　　—三级基板封装)浓缩在一个封装层次内，极大地提高了封装密度和封装效率，它具有设计灵活、大大缩短互连线、运用灵活、封装体积减小、组装效率提高等性能特点，国际半导体技术路线图(ITRS)提出的系统封装(IP)原型图是一种多层次的系统集成，见图6所示。SiP技术与MCM相比显得更成熟，SiP主要用于手机中闪存和应用处理器的封装，还可用于数码相机、PDA(个人数字助理)等其它便携式电子产品，将来还会用于数字电视及GPS(全球定位系统)等嵌入式领域。

　　2.5圆片级封装(WLP)技木将高速发展

　　CSP技术需要先将IC芯片进行分割后移至各种载体上对芯片进行WB等工艺，最后要模塑或芯片下填充。而WLP技术(又称为圆片级CSP)只是增加了重布线和凸点制作，并使用两层BCB或PI作为介质层和保护层，如图7所示，所使用的工艺也与传统的IC工艺兼容，所以WLP在成本、质量上都优于其它CSP工艺，特别是在中、低I/O数的CSP制作中，WLP的优势更为明显，是今后几年内CSP的主流工艺。

　　2.6MEMS技术的蓬勃发展

　　MEMS封装是微电子与精密加工技术的融合，MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS封装不仅可以降低机电系统的成本，还可以完成大尺寸机电系统无法完成的任务。

　　MEMS技术的发展特点为：

　　(1)MEMS加工工艺多种多样，目前主要有三种：以日本为代表的微机械加工方法;以德国为代表的LIGA(光刻、电铸及塑铸)技术和以美国为代表的化学刻蚀技术。

　　(2)MEMS器件的制作正走向单片集成化，动(机械)静(控制ic)结合，可集成在同一个Si片上。

　　(3)MEMS器件的芯片与封装的统一。

　　MEMS器件与传统的各类传感器相比，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等特点，在航空、航天、生物医学等领域都有十分广阔的应用前景。

　　总之，微电子封装技术是微电子制造技术的延伸，其发展的快慢以及所达到的技术水平和生产规模，直接影响整机产品或电子系统的发展。微电子封装技术的发展动力来源于电子产品的更新换代，一代产品造就一代技术未来的技术发展还会沿袭这种趋势。