1前言
本文试图总结20世纪90年代以来迅速发展的微电子封装新技术，包括BGA、CSP、WLP、3D和SIP。介绍了它们的发展和技术特点。同时阐述了微电子三级封装的概念。对我国微电子封装新技术的发展提出了一些思考和建议。
2微电子学的三级封装
微电子封装，首先我们要描述一下三级封装的概念。一般来说，微电子封装分为三个层次。所谓一级封装，就是将半导体晶圆拆分后，以合适的封装形式封装一个或多个集成电路芯片，通过引线键合(WB)、卷带自动键合(TAB)、倒装键合(FCB)等方式将芯片的焊盘与封装的外部引脚连接起来，使之成为具有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片模块(SCM)和多芯片模块(MCM)。应该说一级封装包括了从晶圆拆分到电路测试的全过程，也就是后期的封装，还包括了单芯片模块(SCM)和多芯片模块(MCM)的设计和制造，以及引线键合线、引线框架、芯片键合胶、环氧塑封料等各种封装材料。这一级也称为芯片级封装。两级封装是将第一级微电子封装产品与无源元件一起安装在印制板或其他基板上，成为元器件或整机。这一级采用的贴装技术包括通孔贴装技术(THT)、表面贴装技术(SMT)和直接芯片贴装技术(DCA)。二次包装还应包括双层和多层印制板、柔性印刷电路板和各种基板的材料、设计和制造技术。这一级也称为板级封装。三级封装是将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性印刷电路板与主板连接，形成立体封装，形成完整的整体系统。这个一级封装应该包括连接器、叠层组件、柔性印刷电路板和其他相关材料、设计和组装技术。这一级也称为系统级封装。所谓微电子封装是一个整体概念，包括从一极封装到三极封装的所有技术内容。在国际上，微电子封装是一个非常宽泛的概念，包括组装和封装的很多内容。微电子封装的范围应包括单芯片封装(SCP)设计与制造、多芯片封装(MCM)设计与制造、后芯片封装技术、各种封装基板的设计与制造、芯片互连与组装、整体电气性能、机械性能、热性能和可靠性设计、封装材料、封装夹具和绿色封装等。有人说微电子封装就是封装外壳；还有人说微电子封装只是无源元件，不能有源；还有人说微电子封装只是一个外壳，是可选的，等等。这些观点都是片面的，不正确的。我们应该把已有的知识纳入国际微电子封装的轨道，这既有利于我国微电子封装行业与国外的技术交流，也有利于我国微电子封装自身的发展。
3微电子封装新技术
集成电路封装的历史，其发展主要分为三个阶段。第一阶段，70年代以前，主要是插件封装。包括最初的金属圆形(TO型)封装，后来的陶瓷双列直插式封装(CDIP)，陶瓷玻璃双列直插式封装(CerDIP)和塑料双列直插式封装(PDIP)。尤其是PDIP，由于其优异的性能、低廉的成本和大规模的生产，已经成为主流产品。第二阶段，80年代以后，以表面贴装型四面引线封装为主。当时表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命，发展很快。相应地，一批适合表面贴装技术的封装形式如PLCC、PQFP、PSOP、无引脚四方扁平封装等应运而生并迅速发展。由于其高密度、小引脚间距、低成本和适用于表面贴装，PQFP成为这一时期的主导产品。第三阶段，90年代以后，主要是面阵封装的形式。20世纪90年代初，集成电路发展到超大规模阶段，要求集成电路封装向更高密度和更高速度发展。因此，集成电路封装从四面引线型发展到平面阵列型，发明了焊球阵列封装(BGA)，并迅速成为主流产品。后来，人们开发了各种封装尺寸更小的CSP。也就是同一时期，多芯片组件(MCM)蓬勃发展，也被称为电子封装的一次革命。根据基板材料的不同，分为多层陶瓷基板MCM(MCM-C)。薄膜基板MCM(MCM-D)、塑料多层印制板MCM(MCM-L)和厚膜基板MCM(MCM-C/D)。与此同时，由于电路密度和功能的需要，3D封装和系统封装(SIP)也得到迅速发展。本文将20世纪90年代以来发展起来的封装称为新型微电子封装。BGA、CSP、3D和SIP如下所述。
3.1焊球阵列封装(BGA)
BGA(阵列封装)是20世纪90年代初发展起来的一种新型封装。
这种BGA的突出优点是：更好的电气性能：BGA采用锡球代替引线，因此引出路径短，降低了引线延迟、电阻、电容和电感；更高的封装密度；因为焊球布置在整个平面上，所以对于相同的面积，引脚的数量更多。比如边长31mm的BGA，焊球间距1mm时有900个引脚，而边长32mm，间距0.5mm的QFP，只有208个引脚。BGA的间距有1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm，完全兼容现有的表面贴装技术和设备，安装更可靠；(4)由于焊料熔化时的表面张力具有“自对准”效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装良率；BGA引脚牢固，便于运输；焊球的引出形式也适用于多芯片元器件和系统封装。所以BGA爆炸性发展。BGA有塑料焊球阵列封装(PBGA)、陶瓷焊球阵列封装(CBGA)、胶带焊球阵列封装(TBGA)、带散热片的焊球阵列封装(EBGA)、金属焊球阵列封装(MBGA)，倒装芯片焊球阵列封装(FCBGA) PQFP可以应用于表面贴装，这是它的主要优势。但是，当PQFP的引线间距达到0.5mm时，其组装工艺的复杂程度就会增加。因此，PQFP一般用于较低引脚数(208)和较小封装尺寸(28平方毫米)。因此，在引脚数超过200，封装尺寸超过28平方毫米的应用中，BGA封装取代PQFP是必然的。在上述BGA封装中，FCBGA最有前景，有希望成为增长最快的BGA封装。我们不妨以它为例来描述一下BGA的工艺技术和材料。除了BGA的所有优点，FCBGA还具有：出色的散热性能，芯片背面可以安装散热片；可靠性高，由于芯片下填充物的作用，FCBGA的疲劳寿命大大增强；可修复性强。
FCBGA涉及的关键技术包括芯片凸点制造技术、倒装芯片键合技术、多层印制板制造技术(包括多层陶瓷基板和BT树脂基板)、芯片底部填充技术、焊球贴装技术、热沉贴装技术等。涉及的包装材料主要有以下几类。凸块的材料：金、铅锡合金、奥氏体不锈钢等。凸块下金属化材料：Al/Niv/Cu、TI/Ni/Cu或TI/W/Au；焊接材料：PbSn焊料、无铅焊料；多层基板材料：高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)、BT树脂基板；底部填充材料：液态树脂；热脂：硅树脂；散热板：铜。目前世界上典型的FCBGA系列如表1所示。
3.2芯片级封装(CSP)
芯片级封装(CSP)和BGA是同一个时代的产物，是整机小型化和便携化的结果。美国JEDEC对CSP的定义是：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%的封装称为CSP。由于很多CSP都采用BGA的形式，最近两年封装界的权威人士认为，BGA是大于等于lmm的焊球间距，CSP是小于lmm的焊球间距。CSP有更突出的优势：近似芯片大小的超小型封装；保护裸芯片；优异的电学和热学性能；封装密度高；易于测试和老化；易于焊接、安装、修整和更换。所以在90年代中期，大跨度发展，每年翻番。由于CSP正处于蓬勃发展阶段，其类型有限。如刚性基板CSP、柔性基板CSP、引线框架CSP、微成型CSP、焊盘阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体(BCC)、QFN CSP、芯片层压CSP和晶圆级CSP(WLCSP)等。CSP的引脚间距一般在1.0mm以下，包括1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.25mm等。表2显示了CSP系列。
与一般的CSP将晶圆切割成单个IC芯片，然后实施后续封装不同，WLCSP的所有或大部分工艺步骤都是在完成前一工艺的硅片上完成的，最后直接将晶圆切割成单独的独立器件。所以这种封装也被称为圆片级封装(WLP)。因此，除了CSP的共同优势外，还具有独特的优势：封装加工效率高，可同时加工多片晶圆；具有倒装封装的优点，即轻、薄、短、小；(3)与之前的工艺相比，只增加了引脚重布线(RDL)和凸点制作两个工艺，其余均为传统工艺；减少传统包装的测试次数。因此，世界上各大IC封装公司都投入了这种WLCSP的研发和生产。WLCSP的缺点是引脚数少，没有标准化，成本高。图4显示了WLCSP的轮廓。图5显示了该WLCSP的工艺流程。
WLCSP涉及的关键技术包括重新布线(RDL)技术和凸点制造技术，此外还有前道工序必需的金属沉积技术、光刻技术和刻蚀技术。通常，芯片上的引出焊盘排列在管芯周围的方形铝层中。为了使WLP适应SMT二次封装的更宽的焊盘间距，这些焊盘需要重新分布，使得这些焊盘排列在芯片的有源表面上的阵列中，而不是在芯片周围，这需要重新布线(RDL)技术。此外，方形铝焊盘改为圆形铜焊盘，易于与焊料键合。在重新布线中溅射的UBM，例如TI-Cu-Ni中的Cu，应该具有足够的厚度(例如，几百微米)以使焊料凸块连接具有足够的强度。铜层也可以通过电镀加厚。焊料凸块可以通过电镀、化学镀、蒸发、球放置和焊膏印刷来制造。目前，电镀仍然是应用最广泛的方法，其次是锡膏印刷。重新布线中的UBM材料是Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或TI/W/Au。所用介质材料为光敏BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)，凸点材料为Au、PbSn、AuSn、In等。
