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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 Dallas Semiconductor TM ) 、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 Unitive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。

審核編輯 黃宇