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CSP封装技术详解

[日期:2005-12-04] 来源:  作者: [字体: ]

1前言

      CSP(Chip Size PACkage),即芯片尺寸封装。它的面积(组装占用印制板的面积)与芯片尺寸相同或比芯片尺寸稍大一些,而且很薄。这种封装形式是由日本三菱公司在1994年提出来的。对于CSP,有多种定义:日本电子工业协会把CSP定义为芯片面积与封装体面积之比大于80%的封装;美国国防部元器件供应中心的J-STK-012标准把CSP定义为LSI封装产品的面积小于或等于LSI芯片面积的120%的封装;松下电子工业公司将之定义为LSI封装产品的边长与封装芯片的边长的差小于Imm的产品等。这些定义虽然有些差别,但都指出了CSP产品的主要特点:封装体尺寸小。

 

     CSP技术是在电子产品的更新换代时提出来的,它的目的是在使用大芯片(芯片功能更多,性能更好,芯片更复杂)替代以前的小芯片时,其封装体占用印刷板的面积保持不变或更小。正是由于CSP产品的封装体小、薄,因此它的手持式移动电子设备中迅速获得了应用。在1996年8月,日本Sharp公司就开始了批量生产CSP产品;在1996年9月,日本索尼公司开始用日本TI和NEC公司提供的CSP产品组装摄像机;在1997年,美国也开始生产CSP产品。目前,世界上已有几十家公司可以提供CSP产品,各类CSP产品品种多达一百种以上。

     由于CSP产品的体积小、薄,因而它改进了封装电路的高频性能,同时也改善了电路的热性能;另外,CSP产品的重量也比其它封装形式的轻得多,除了在手持式移动电子设备中应用外,在航天、航空,以及对电路的高频性能、体积、重量有特殊要求的军事方面也将获得广泛应用。

2CSP产品的特点

     CSP是目前最先进的集成电路封装形式,它具有如下一些特点:

     ①体积小。在各种封装中,CSP是面积最小,厚度最小,因而是体积最小的封装。在输入/输出端数相同的情况下,它的面积不到0.5mm间距QFP的十分之一,是BGA(或PGA)的三分之一到十分之一。因此,在组装时它占用印制板的面积小,从而可提高印制板的组装密度,厚度薄,可用于薄形电子产品的组装;

     ②输入/输出端数可以很多。在相同尺寸的各类封装中,CSP的输入/输出端数可以做得更多。例如,对于40mm×40mm的封装,QFP的输入/输出端数最多为304个,BGA的可以做到600-700个,而CSP的很容易达到1000个。虽然目前的CSP还主要用于少输入/输出端数电路的封装;

      ③电性能好。CSP内部的芯片与封装外壳布线间的互连线的长度比QFP或BGA短得多,因而寄生参数小,信号传输延迟时间短,有利于改善电路的高频性能。

      ④热性能好。CSP很薄,芯片产生的热可以很短的通道传到外界。通过空气对流或安装散热器的办法可以对芯片进行有效的散热;

      ⑤CSP不仅体积小,而且重量轻,它的重量是相同引线数的QFP的五分之一以下,比BGA的少得更多。这对于航空、航天,以及对重量有严格要求的产品应是极为有利的。

      ⑥CSP电路,跟其它封装的电路一样,是可以进行测试、老化筛选的,因而可以淘汰掉早期失效的电路,提高了电路的可靠性;另外,CSP也可以是气密封装的,因而可保持气密封装电路的优点。

      ⑦CSP产品,它的封装体输入/输出端(焊球、凸点或金属条)是在封装体的底部或表面,适用于表面安装。 

3CSP的分类

     目前,CSP产品已有100多种,封装类型也多,主要有如下五种:

3.1 柔性基片CSP

     柔性基片CSP的IC载体基片是用柔性材料制成的,主要是塑料薄膜。在薄膜上制作有多层金属布线。采用TAB键合的柔性基片CSP产品的典型结构示意图如图1。

采用TAB键合的CSP,使用周边焊盘芯片。

 

3.2硬质基片CSP

硬质基片CSP的IC载体基片是用多层布线陶瓷或多层布线层压树脂板制成的。采用倒装片的陶瓷基片CSP产品结构示意图如图2;采用引线键合的树脂基片CSP产品的典型结构示意如图3。

3.3引线框架CSP

     引线框架CSP,使用类似常规塑封电路的引线框架,只是它的尺寸要小些,厚度也薄,并且它的指状焊盘伸人到了芯片内部区域。引线框架CSP多采用引线键合(金丝球焊)来实现芯片焊盘与引线框架CSP焊盘的连接。它的加工过程与常规塑封电路加工过程完全一样,它是最容易形成规模生产的。引线框架CSP产品的典型结构示意图如图4。

 

3.4 圆片级CSP

      圆片级CSP,是先在圆片上进行封装,并以圆片的形式进行测试,老化筛选,其后再将圆片分割成单一的CSP电路。

3.5叠层CSP

      把两个或两个以上芯片重叠粘附在一个基片上,再封装起来而构成的CSP称为叠层CSP。在叠层CSP中,如果芯片焊盘和CSP焊盘的连接是用键合引线来实现的,下层的芯片就要比上层芯片大一些,在装片时,就可以使下层芯片的焊盘露出来,以便于进行引线键合。在叠层CSP中,也可以将引线键合技术和倒装片键合技术组合起来使用。如上层采用倒装片芯片,下层采用引线键合芯片。引线键合叠层CSP结构示意图如图5;倒装片键合叠层CSP结构示意图如图6。 

4 CSP产品的封装工艺流程

      目前,CSP产品的品种很多,封装类型也很多,因而具体的封装工艺也很多。不同类型的CSP产品有不同的封装工艺,一些典型的CSP产品的封装工艺流程如下: 

4.1 柔性基片CSP产品的封装工艺流程

      柔性基片CSP产品,它的芯片焊盘与基片焊盘问的连接方式可以是倒装片键合、TAB键合、引线键合。采用的连接方式不同,封装工艺也不同。

(1)采用倒装片键合的柔性基片CSP的封装工艺流程

       圆片→二次布线(焊盘再分布) →(减薄)形成凸点→划片→倒装片键合→模塑包封→(在基片上安装焊球) →测试、筛选→激光打标

(2)采用TAB键合的柔性基片CSP产品的封装工艺流程

圆片→(在圆片上制作凸点)减薄、划片→TAB内焊点键合(把引线键合在柔性基片上) →TAB键合线切割成型→TAB外焊点键合→模塑包封→(在基片上安装焊球) →测试→筛选→激光打标

(3)采用引线键合的柔性基片CSP产品的封装工艺流程

      圆片→减薄、划片→芯片键合→引线键合→模塑包封→(在基片上安装焊球) →测试、筛选→激光打标

4.2硬质基片CSP产品的封装工艺流程

      硬质基片CSP产品封装工艺与柔性基片的封装工艺一样,芯片焊盘与基片焊盘之间的连接也可以是倒装片键合、TAB键合、引线键合。它的工艺流程与柔性基片CSP的完全相同,只是由于采用的基片材料不同,因此,在具体操作时会有较大的差别。

4.3 引线框架CSP产品的封装工艺流程

引线框架CSP产品的封装工艺与传统的塑封工艺完全相同,只是使用的引线框架要小一些,也要薄一些。因此,对操作就有一些特别的要求,以免造成框架变形。引线框架CSP产品的封装工艺流程如下:

圆片→减薄、划片→芯片键合→引线键合→模塑包封→电镀→切筛、引线成型→测试→筛选→激光打标


4.4 圆片级CSP产品的封装工艺流程

(1)在圆片上制作接触器的圆片级CSP的封装工艺流程;

圆片→二次布线→减薄→在圆片上制作接触器→接触器电镀→测试、筛选→划片→激光打标

(2)在圆片上制作焊球的圆片级CSP的封装工艺流程

圆片→二次布线→减薄→在圆片上制作焊球→模塑包封或表面涂敷→测试、筛选→划片→激光打标

4.5 叠层CSP产品的封装工艺流程

叠层CSP产品使用的基片一般是硬质基片。

(1)采用引线键合的叠层CSP的封装工艺流程;

圆片→减薄、划片→芯片键合→引线键合→包封→在基片上安装焊球→测试→筛选→激光打标

采用引线键合的CSP产品,下面一层的芯片尺寸最大,上面一层的最小。芯片键合时,多层芯片可以同时固化(导电胶装片),也可以分步固化;引线键合时,先键合下面一层的引线,后键合上面一层的引线。

(2)采用倒装片的叠层CSP产品的封装工艺流程

圆片→二次布线→减薄、制作凸点→划片→倒装键合→(下填充)包封→在基片上安装焊球→测试→筛选→激光打标

在叠层CSP中,如果是把倒装片键合和引线键合组合起来使用。在封装时,先要进行芯片键合和倒装片键合,再进行引线键合。

5开发CSP产品需要解决的一些技术问题

5.1 CSP产品的标准化问题

      CSP是近几年才出现的一种集成电路的封装形式,目前已有上百种CSP产品,并且还在不断出现一些新的品种。尽管如此,CSP技术还是处于发展的初期阶段,因此还没有形成统一的标准。不同的厂家生产不同的CSP产品。一些公司在推出自己的产品时,也推出了自己的产品标准。这些标准包括:产品的尺寸(长、宽、厚度)、焊球间距、焊球数等。Sharp公司的CSP产品的标准有如表1、表2。 


     在我国,要开发CSP产品,也需要建立一个统一的标准,以便帮助我们自己的CSP产品的开发和应用。

5.2 CSP产品的封装技术问题

      在CSP中,集成电路芯片焊盘与封装基片焊盘的连接方式主要有三种:倒装片键合、TAB键合、引线键合,因此,开发CSP产品需要开发的封装技术就可以分为三类。

5.2.1 开发倒装片键合CSP产品需要开发的封装技术

(a)二次布线技术 二次布线,就是把IC的周边焊盘再分布成间距为200微米左右的阵列焊盘。在对芯片焊盘进行再分布时,同时也形成了再分布焊盘的电镀通道。

(b)凸点形成(电镀金凸点或焊料凸点)技术。在再分布的芯片焊盘上形成凸点。

(c)倒装片键合技术。 

把带有凸点的芯片面朝下键合在基片上。

(d)包封技术。

       包封时,由于包封的材料厚度薄,空洞、裂纹的存在会更严重的影响电路的可靠性。因此,在包封时要减少甚至避免孔洞、裂纹的出现。另外,还要提高材料的抗水汽渗透能力。因此,在CSP产品的包封中,不仅要提高包封技术,还要使用性能更好的包封材料。

(e)焊球安装技术。

在基片下面安装焊球。

(f)在开发叠层倒装片CSP产品中,还需要开发多层倒装片键合技术。


5.2.2 开发引线键合CSP产品需要开发的封装技术

      目前,有不少的CSP产品(40%左右)是使用引线键合技术来实现芯片焊盘和封装外壳引出焊盘间的连接的。开发引线键合CSP产品需要开发如下一些封装技术。

(a)短引线键合技术

在基片封装CSP中,封装基片比芯片尺寸稍大(大1mm左右);在引线框架CSP中,引线框架的键合焊盘伸到了芯片上面,在键合时,键合线都很短,而且弧线很低。而在键合引线很短时,键合引线的弧线控制很困难。 

(b)包封技术

在引线键合CSP的包封中,不仅要解决倒装片CSP包封中的有关技术问题,还要解决包封的冲丝问题。

(c)焊球安装技术。

(d)在开发叠层引线键合CSP的产品中,还需要开发多层引线的键合技术。

5.2.3 开发TAB键合CSP产品需要开发的封装技术

(a)TAB键合技术。

(b)包封技术。

(c)焊球安装技术。

5.2.4 开发圆片级CSP产品需要开发的新技术

(a)二次布线技术。

(b)焊球制作技术。

(c)包封技术。

(d)圆片级测试和筛选技术。

(e)圆片划片技术。

5.3与CSP产品相关的材料问题

要开发CSP产品,还必须解决与CSP封装相关的材料问题。

5.3.1 CSP产品的封装基片

在CSP产品的封装中,需要使用高密度多层布线的柔性基片、层压树脂基片、陶瓷基片。这些基片的制造难度相当大。要生产这类基片,需要开发相关的技术。同时,为了保证CSP产品的长期可靠性,在选择材料或开发新材料时,还要考虑到这些材料的热膨胀系数应与硅片的相匹配。

5.3.2 包封材料

由于CSP产品的尺寸小,在产品中,包封材料在各处的厚度都小。为了避免在恶劣环境下失效,包封材料的气密性或与被包封的各种材料的粘附性必须良好;有好的抗潮气穿透能力,与硅片的热膨胀匹配;以及一些其它的相关性能。

5.4 CSP的价格问题

CSP产品的价格也是一个重要的问题。目前,CSP产品的价格都比较贵,是一般产品的一倍以上。为了降低价格,需要开发一些新工艺、新技术、新材料,以降低制造成本,从而降低CSP的价格。

5.5组装CSP产品的印制板问题

组装CSP产品的印制板,其制造难度是相当大的,它不仅需要技术,而且需要经验,还要使用新材料。目前,世界上只有为数不多的几个厂家可以制造这类印制板。主要困难在于:布线的线条窄,间距窄,还要制作一定数量的通孔,表面的平整性要求也较高。在选择材料时还要考虑到热膨胀性能。 

5.6 CSP产品的市场问题

目前,国内的CSP市场完全被外国公司和外资企业控制,国内企业产品要进入这个市场也是相当困难的。要进入CSP市场,首先是要开发出适销对路的产品,其次是要提高和保持产品的质量,还必须要及时供货,并且价格要便宜。

6关于开发我国CSP技术的几点建议

CSP技术是为产品的更新换代提出来的,该技术一开发成功,就很快用于了产品的生产。经过短短几年,它就成为了集成电路重要的封装技术之一。而且,该技术还在迅速发展。近几年,CSP产品的产量增长很快,预计在今后的几年,还将高速增长。在2002年,CSP产品的产量已达到50多亿只,接近BGA的产量,年产值已达20多亿美圆。近几年CSP产品的统计和近两年CSP产品预测情况如表3: 


从表中可以看出,CSP产品的增长速度是很快的,并且,它是以取代其它集成电路封装形式占领市场的。目前的PC市场容量达一千亿只,CSP产品仅占有IC市场的二十分之一。随着CSP技术的进一步开发,它会越来越多的取代其它的产品而占领更多的市场份额。

在我国,CSP的市场(手机、掌上电脑、薄型电脑等等)很大。但是,这个市场目前完全被国外公司和外资公司占据。随着CSP产品应用范围的进一步扩大,市场还将增大。如果我们自己有CSP技术,我们就可以在国内的市场上占有一席之地。为了国家,为了民族,我们应该开展我们的CSP技术。

但是,开发CSP技术,困难很多,它涉及的范围宽、技术难度大。因此,要开发CSP技术,需要有一批单位协同动作,还需要有足够的资金。为此,我们有如下几点建议:

6.1建立CSP技术推进协会

CSP技术是一项系统技术,它涉及封装材料、封装工艺、应用材料、应用工艺等,为了完成CSP技术的开发,需要材料研究部门、材料制造部门、封装研究部门、CSP产品应用部门、印制板制造部门等相关的各个部门协同努力。为了协调这些部门的开发研究工作,需要有一定的组织形式。建立CSP技术堆进协会(或其它的组织形式)应是一种可行的办法。推进协会主要是领导、推动、协调、检查各部门的研究工作,以期加快CSP的开发研究和推广应用,使我国CSP产品的生产质量和能力得到迅速提高,从而可生产出高质量、高可靠性的CSP产品,满足国内市场及军事方面的应用。

6.2 建立CSP技术重点研究室

为了开发CSP技术,可建立一定数量的CSP技术研究室;模塑包封材料研究室、柔性基片材料研究室、高密度树脂基片研究室、高密度多层布线陶瓷基片研究室、CSP产品封装研究室、高密度印制板研究室、CSP产品组装研究室、CSP标准化研究室、CSP产品可靠性研究室等。而且,一种类型的研究室应有两个以上,以使研究室之间互相竞争和互相促进,从而可保证和加快CSP技术的开发和应用。

6.3 需要国家投入足够的资金

CSP技术,是一项有一定难度的高新技术。有一些技术是我们现在就有的,但需要提高;有一些技术是我们现在还没有的,需要开发。并且,要实现这些技术,都需要购买先进的设备,而这些设备都比较贵。另外,在进行技术开发时,需要投入一定的人力和物力;再进行试验时,要消耗材料、能源,一部分试验还要在另外的单位进行。而且,在技术开发时,还是冒失败的风险。在开发CSP技术中,需要的所有资金由开发单位承担,目前还不现实,因此需要国家投入资金,以扶持CSP技术的开发。

6.4选择合适的CSP代表研究品种

由于CSP的封装种类多,封装工艺也多,要开发各种封装工艺现在还不可能,也没有必要。因此,要选择好研究的CSP的代表品种。在一种或几种工艺开发完成后,再开发另外一些封装工艺。

7结束语

      我国的集成电路封装,从上世纪60年代末期到现在,经历了金属圆管壳→扁平陶瓷管壳→双列陶瓷管壳、双列塑封→陶瓷QFP管壳、塑料QFP→陶瓷、塑料LCC→陶瓷PGA管壳的封装,目前正在进入BGA、μBGA、CSP的封装阶段。从集成电路的金属圆管壳封装技术的开发和应用开始,我国的封装技术人员就付出了辛勤的劳动,才使我国的封装技术达到了现在的水平。但是封装技术的进步,除了封装技术人员的努力外,还离不开各级领导的关心和支持,也离不开国家的大力投资。要开发我国的CSP封装技术,也需要各级领导的关心和支持,更需要国家在经济方面的大力支持。


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