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微電子組裝和封裝技術的類型

微電子組裝和封裝技術的類型

胡少華龍緒明呂文強董健騰曹宏耀朱舜文曾馳鶴西南交通大學電氣工程學院

摘要:微組裝技術的基礎是SMT,實現了IC封裝器件和板級電路組裝這兩個電路組長階層之問的技術融合。微組裝技術是電了產品先進制造技術中的關鍵技術之一,是電了產品制造中的電氣互聯技術的主體技術,是電了封裝與組裝技術發展到現階段的代表技術。文中介紹了微組裝技術的定義、特征等基本概念;探討了微組裝技術的新發展和類型;論述了微組裝技術的主要內容。

關鍵字:微組裝技術;IC集成電路;概念

1微組裝技術的概述

微組裝技術的基本概念是在高密度多層互聯基板上,用微型焊接和封裝工藝把構成電了電路的各種微型元器件(集成電路芯片及片式元件)組裝起來,形成高密度、高速度、高可靠、立體結構的微型電了產品(組件、部件、了系統、系統)的綜合性高技術。微組裝技術作為一種綜合性高技術,它涉及到物理、化學、機械學、光學及材料等諸多學科,集中了半導體IC制造技術、無源元件制造技術、電路板制造技術、材料加工技術以及白動化控制等技術。微組裝技術應用對象的主要特征為:微型元器件、微型細問距、微小結構、微連接;其主要應用場合:器件級封裝、電路模塊級組裝、微組件或微系統級組裝。其中芯片組裝器件具有批量生產,通用性好,工作頻率高,速度快等優點,目前已大量應用在大型液晶顯示器、液晶電視機、攝錄機、精密計算機等產品中。微組裝技術是第四代組裝技術SMT的發展和延仲,是多層基板技術、多層布線互連技術、表面安裝技術、微型元器件封裝技術的綜合和發展。微組裝技術的基礎是SMT,實現了IC器件封裝和板級電路組裝這兩個組裝階層之問技術上的融合,重點發展方向是器件封裝與組裝與SMT白動化設備的緊密結合。重要的是利用微組裝技術手段實現新型電了產品的結構,以及這種產品的應用價值并對未來IC產業發展的影響。

微組裝技術的發展,對整個電了工業將產生深遠的影響。它解決了由單片大規模集成電路向超大規模階段進一步提高集成度的問題;解決了分立器件印制板組裝所受到的信號傳輸限制的問題;解決了提高系統可靠性的問題;從而使得系統組件化成為現實。白從90年代初B GA/C SP問世以來,提出了各種各樣的結構形式,現在以面陣列型的BGA是主流,第一代BGA是塑料類型的面朝下型,第二代BGA是載帶類型的面朝下型,都采用了引線框架塑模塊、封裝,而新一代的BGA是以晶體作載體進行傳送,切割(劃線)的最終組裝工藝,即WLP方式,取代了以前封裝采用的連接技術(線焊、TAB和倒裝片焊),而是在劃線分割前,采用半導體前工序的布線技術,使芯片襯墊與外部端了相連接,其后的焊料球連接和電氣測試等都在晶片狀態下完成,最后才劃線分割。如圖1電了封裝的發展趨勢圖。

2微組裝技術的新發展及類型 2. 1微組裝技術的新發展

微電了組裝技術呈現出日新月異、白一花盛開、爭奇斗艷的良好局面,表1為微組裝技術的最新發展。

2. 2微組裝技術的類型 2. 2. 1倒裝片FC技術

倒裝片FC CFlip Chip)技術是直接通過芯片上呈排列分布的凸起實現芯片與電路板的互連。由于芯片是倒扣在電路板上,與常規封裝芯片安置相反,故稱Flip Chip。傳統的金線壓焊技術只使用芯片四周的區域,倒裝片焊料凸點技術是使用整個芯片表面,因此,倒裝芯片技術的封裝密度C I/O)密度更高。用這種技術,可以把器件的尺寸做的更小。

倒裝片組裝工藝技術主要包括:焊膏倒裝片組裝工藝、焊柱凸點倒裝片鍵合方法、可控塌陷連接C4技術,如下圖2可控塌陷連接示意圖。

2.2.2多芯片模塊(MCM)

多芯片組件MCM C Multi-Chip Module)是在混合集成電路(HIC)基礎上發展起來的一種高科技技術電了產品,它是將多個LSI, VLSI芯片高密度組裝在混合多層互連基板上,然后封裝在同一外殼內,以形成高密度、高可靠的專用電了產品,他是一種典型的高級混合集成組件。

MCM芯片互連組裝技術是通過一定的連接方式,將元件、器件組裝到MCM基板上,再將組裝元器件的基板安裝在金屬或陶瓷封裝中,組成一個具有多功能的MCM組件。MCM芯片互連組裝技術包括:芯片與基板的粘接、芯片與基板的電氣連接、基板與外殼的物理連接和電氣連接。芯片與基板的粘接一般采用導電膠或絕緣環氧樹脂粘接完成,芯片與基板的連接一般采用絲焊、TAB, FCB等工藝。基板與外殼的物理連接是通過粘接劑或焊料完成的;電氣連接采用過濾引線完成。

2.2.3封裝疊裝(PoP)

隨著移動消費型電了產品對于小型化、功能集成和大存儲空問的要求的進一步提高,元器件的小型化高密度封裝形式也越來越多。如MCM,  SiP(系統封裝),倒裝片等應用得越來越廣泛。而PoP CPackage on Package)堆疊裝配技術的出現更加模糊了一級封裝和二級裝配之問的界限,在大大提高邏輯運算功能和存儲空問的同時,也為終端用戶提供了只有選擇器件組合的可能,同時生產成本也得到更有效的控制。

PoP在解決集成復雜邏輯和存儲器件方面是一種新興的、成本最低的3D封裝解決方案。系統設計師可以利用PoP開發新的器件外、集成更多的半導體,并且可以通過由堆疊帶來的封裝體積優勢保持甚至減小母板的尺寸。PoP封裝的主要作用是在底層封裝中集成高密度的數字或者混合信號邏輯器件,在頂層封裝中集成高密度或者組合存儲器件。如圖3所示封裝疊裝示意圖。

2. 2. 4光電互聯技術 1)光電板級封裝

光電板級封裝就是將光電器件與電了封裝集成起來,形成一個新的板級封裝。這個板級封裝可以看成是一個特殊的多芯片模塊,其中包含:光電路基板、光電了器件、光波導、光纖、光連接器等。如圖4所示光電了板級封裝示意圖。

2)光電了組件和模塊

光電了組件和模塊由光電了封裝技術形成的光電電路組件或模塊,它將傳送電信號的銅導體和傳送光信號的光路制作在同一基板,并在基板上采用SMT進行電了器件和光電了器件表面微組裝,是一種可使光電表面組裝元件之問完全兼容的混合載體。如圖5所示光電了組件示意圖。

3)光電路組裝的階層結構

光電路組裝一般由6個階層構成。第一階層是芯片級,第二階層是器件級,第三階層是MCM級,第四階層是板級,第五階層是部件級,第六階層是系統級。如圖6所示光電路組裝的階層構成。

3微封裝技術的類型 3. 1芯片安裝互聯技術

芯片安裝互聯技術是IC的關鍵封裝制造技術,IC芯片的安裝(與基板的物理連接與互連(與基板的電氣連接)是兩種相輔相成、密切難分的組裝工藝過程。常見的互聯術有:引線鍵合、載帶白動鍵合和倒裝焊接。面陣型芯片(如BGA)鍵合可以通過焊料凸鍵合和倒裝焊接進行;周邊型芯片鍵合(如QFP)可以通過引線鍵合和載帶白動鍵合術進行。

3.1.1引線鍵合

采用金屬導線(金線、鋁線),通過焊接連接芯片和基板,如圖7所示。

3.1.2載帶自動鍵合(丁AB)

采用銅箔為連接導線,通過專用焊接裝置(鍵合機)同時完成電路芯片與載帶的連接,以及載帶與外圍電路的連接,如圖8所示。

3.1.3凸點載帶白動鍵合(BTAB)

連接用凸點電極做在載帶引線上,通過白動焊接完成與芯片連接。

3.1.4微凸點連接(MBB

采用光硬化絕緣樹脂,并利用其硬化收縮應力完成芯片電極與基板電極的連接。

3.1.5倒裝焊法(CFC)

帶有凸點電極的電路芯片面朝下,以凸點與基板焊盤經焊接而實現連接。

3.1.6硅通孔技術(TSV)

通過在芯片和芯片之問、晶圓和晶圓之問制作垂直導通,實現芯片之問的互連技術。TSV能夠使芯片在三維方向的密度最大,外形尺寸最小,并且大大改善芯片的速度和低功耗性能,如圖9示硅通孔技術結構圖。

3. 2器件三維立體組裝技術

三維立體組裝就是把IC芯片(MCM片、WSI晶圓規模集成片)一片片疊合起來,利用芯片的側面邊緣或者平面分布,在垂直方向經行互連,將平面組裝向垂直方向發展為立體組裝。

3. 2. 1晶圓級三維組裝

對尚未劃分成芯片的圓片經行疊層組裝。這種方法在設計方面具有很高的靈活性,最適合于高速電路。

3.2.2芯片級三維組裝

對從晶圓片上劃分好的芯片經行疊層組裝。這種方法比晶圓級三維組裝更容易把不同功能的LSI堆疊起來。

3. 3微組件立體組裝 3. 3. 1  MEMS封裝技術

MEMS是微電了技術的延仲和拓寬,它不但具有信號處理能力,而且具有對外部世界的感知和執行功能。MEMS封裝是建立在微電了封裝的基礎上的,并沿用了許多微電了封裝的工藝技術,但通常又比微電了封裝更龐大、更復雜。MEMS因為應用領域十分寬廣,涉及許多科學技術領域,往往是根據所需功能制作出各種MEMS后,再考慮適宜的封裝問題,故MEMS封裝難以形成規范、標準的封裝類型。

MEMS封裝對體積的減小比微電了封裝要求更迫切,對3D封裝的要求強烈。因為MEMS的各種元器件及部件,特別是執行部件等,為提高組裝密度,不可能只在平面內展開,而必然向3D方向延仲。MEMS封裝與傳統的IC封裝的根本區別:

1)傳統IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐,保護其不受環境的干擾與破壞,同時實現與外界的信號、能源與接地的電氣互連。

2)   MEMS系統既要感知外部世界,同時又要根據感知結果做出與外部世界關聯的動作反應。

3.3.2板級立體組裝

板級立體組裝是在印制板電路模塊平面組裝的基礎上,在多塊印制板電路模塊之問,采用垂直互連、凸點連接等互連技術進行三維空問垂直方向的組裝。它分為兩種形式:一是CSP/BGA封裝芯片與芯片的堆疊;二是利用QFP封裝型大芯片地板空問組裝微小型封裝的組容器件實現芯片與無源元件在垂直方向的組裝。板級立體組裝技術最能合理利用有限的設備內部空問,以達到減少體積的先進制造技術。如圖12板級立體組裝示意圖。

4結論

微電了組裝技術提高了器件級IC封裝和板級電路組裝的組裝密度,而且使得電了電路組裝階層之問的差別模糊了,出現了IC器件封裝和板級電路組裝這兩個電路組裝階層之問技術上的融合。其重點發展方向是器件封裝與組裝與SMT白動化設備的緊密結合。

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