先进的芯片尺寸封装(CSP)技术及其发展前景.doc

1、先进的芯片尺寸封装(CSP)技术及其发展前景王振宇，成 立，高 平，史宜巧，祝 俊（江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013） 摘要：概述了芯片尺寸封装（CSP）的基本结构和分类，通过与传统封装形式进行对比，指出了 CSP技术具有的突出优点，最后举例说明了它的最新应用，并展望了其发展前景。 关键词：微电子封装技术；芯片尺寸封装；表面组装技术 中图分类号：TN305.94;TN407 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2003)12-0039-05 1 引言 汽车电子装置和其他消费类电子产品的飞速发展，微电子封装技术面临着电子产品“高性价比、高可靠性、多功能、小型化及低成本

2、”发展趋势带来的挑战和机遇。QFP（四边引脚扁平封装）、TQFP（塑料四边引脚扁平封装）作为表面安装技术（SMT）的主流封装形式一直受到业界的青睐，但当它们在0.3mm引脚间距极限下进行封装、贴装、焊接更多的I/O引脚的VLSI时遇到了难以克服的困难，尤其是在批量生产的情况下，成品率将大幅下降。因此以面阵列、球形凸点为I/O的BGA（球栅阵列）应运而生，以它为基础继而又发展为芯片尺寸封装（Chip Scale Package，简称 CSP）技术。采用新型的CSP技术可以确保VLSI在高性能、高可靠性的前提下实现芯片的最小尺寸封装（接近裸芯片的尺寸），而相对成本却更低，因此符合电子产品小型化的发

3、展潮流，是极具市场竞争力的高密度封装形式。 CSP技术的出现为以裸芯片安装为基础的先进封装技术的发展，如多芯片组件(MCM)、芯片直接安装(DCA),注入了新的活力，拓宽了高性能、高密度封装的研发思路。在MCM技术面临裸芯片难以储运、测试、老化筛选等问题时，CSP技术使这种高密度封装设计柳暗花明。 2 CSP技术的特点及分类 2.1 CSP之特点 根据J-STD-012标准的定义，CSP是指封装尺寸不超过裸芯片1.2倍的一种先进的封装形式1 。CSP实际上是在原有芯片封装技术尤其是BGA小型化过程中形成的，有人称之为BGA（微型球栅阵列，现在仅将它划为CSP的一种形式），因此它自然地具有BGA

4、封装技术的许多优点。1）封装尺寸小，可满足高密封装 CSP是目前体积最小的VLSI封装之一，引脚数（I/O数）相同的CSP封装与QFP、BGA尺寸比较情况见表12。由表1可见，封装引脚数越多的CSP尺寸远比传统封装形式小，易于实现高密度封装，在IC规模不断扩大的情况下，竞争优势十分明显，因而已经引起了IC制造业界的关注。 一般地，CSP封装面积不到0.5mm节距QFP的 1/10，只有BGA的1/31/103。在各种相同尺寸的芯片封装中，CSP可容纳的引脚数最多，适宜进行多引脚数封装，甚至可以应用在I/O数超过2000 的高性能芯片上。例如，引脚节距为0.5mm，封装尺寸为4040的QFP，引

5、脚数最多为304根，若要增加引脚数，只能减小引脚节距，但在传统工艺条件下，QFP难以突破0.3mm的技术极限；与 CSP相提并论的是BGA封装，它的引脚数可达6001000根，但值得重视的是，在引脚数相同的情况下，CSP的组装远比BGA容易。 （2）电学性能优良 CSP的内部布线长度（仅为0.81.0mm）比QFP或BGA的布线长度短得多 4，寄生引线电容(0.001m)、引线电阻（0.001nH）及引线电感（0.001pF）均很小，从而使信号传输延迟大为缩短。CSP的存取时间比QFP或BGA短1/ 51/6左右，同时CSP的抗噪能力强，开关噪声只有DIP（双列直插式封装）的1/2。这些主要电

6、学性能指标已经接近裸芯片的水平，在时钟频率已超过双G的高速通信领域，LSI芯片的CSP将是十分理想的选择。(3)测试、筛选、老化容易MCM技术是当今最高效、最先进的高密度封装之一，其技术核心是采用裸芯片安装，优点是无内部芯片封装延迟及大幅度提高了组件封装密度，因此未来市场令人乐观。但它的裸芯片测试、筛选、老化问题至今尚未解决，合格裸芯片的获得比较困难，导致成品率相当低，制造成本很高4；而CSP则可进行全面老化、筛选、测试，并且操作、修整方便，能获得真正的KGD芯片，在目前情况下用CSP替代裸芯片安装势在必行。 （4）散热性能优良 CSP封装通过焊球与PCB连接，由于接触面积大，所以芯片在运行时

7、所产生的热量可以很容易地传导到PCB上并散发出去；而传统的TSOP（薄型小外形封装）方式中，芯片是通过引脚焊在PCB上的，焊点和PCB板的接触面积小，使芯片向PCB板散热就相对困难。测试结果表明，通过传导方式的散热量可占到80%以上。 同时，CSP芯片正面向下安装，可以从背面散热，且散热效果良好，10mm10mm CSP的热阻为35/W，而TSOP、QFP的热阻则可达40/W。若通过散热片强制冷却，CSP的热阻可降低到4.2，而QFP的则为11.83。 （5）封装内无需填料 大多数CSP封装中凸点和热塑性粘合剂的弹性很好，不会因晶片与基底热膨胀系数不同而造成应力，因此也就不必在底部填料(und

8、erfill)，省去了填料时间和填料费用 5，这在传统的SMT封装中是不可能的。 （6）制造工艺、设备的兼容性好 CSP与现有的SMT工艺和基础设备的兼容性好，而且它的引脚间距完全符合当前使用的SMT标准（0.51mm），无需对PCB进行专门设计，而且组装容易，因此完全可以利用现有的半导体工艺设备、组装技术组织生产。 2.2 CSP的基本结构及分类 CSP的结构主要有4部分：IC芯片，互连层，焊球（或凸点、焊柱），保护层。互连层是通过载带自动焊接（TAB）、引线键合（WB）、倒装芯片（FC）等方法来实现芯片与焊球（或凸点、焊柱）之间内部连接的，是CSP封装的关键组成部分。CSP的典型结构如图1

9、所示6。 目前全球有50多家IC厂商生产各种结构的CSP产品。根据目前各厂商的开发情况，可将CSP封装分为下列5种主要类别7、3： （1）柔性基板封装（Flex Circuit Interposer） 由美国Tessera公司开发的这类CSP封装的基本结构如图2所示。主要由IC芯片、载带（柔性体）、粘接层、凸点（铜/镍）等构成。载带是用聚酰亚胺和铜箔组成。它的主要特点是结构简单，可靠性高，安装方便，可利用原有的TAB（Tape Automated Bonding）设备焊接。（2）刚性基板封装（Rigid Substrate Interposer） 由日本Toshiba公司开发的这类CSP封装,

10、实际上就是一种陶瓷基板薄型封装，其基本结构见图3。它主要由芯片、氧化铝（Al2O 3）基板、铜（Au）凸点和树脂构成。通过倒装焊、树脂填充和打印3个步骤完成。它的封装效率（芯片与基板面积之比）可达到75，是相同尺寸的 TQFP的2.5倍。（3）引线框架式CSP封装（Custom Lead Frame） 由日本Fujitsu公司开发的此类CSP封装基本结构如图4所示。它分为Tape-LOC和MF-LOC 两种形式，将芯片安装在引线框架上，引线框架作为外引脚，因此不需要制作焊料凸点，可实现芯片与外部的互连。它通常分为Tape-LOC和MF-LOC 两种形式。 （4）圆片级CSP封装（Wafer-L

11、evel Package） 由ChipScale公司开发的此类封装见图5。它是在圆片前道工序完成后，直接对圆片利用半导体工艺进行后续组件封装，利用划片槽构造周边互连，再切割分离成单个器件。WLP主要包括两项关键技术即再分布技术和凸焊点制作技术。它有以下特点：相当于裸片大小的小型组件（在最后工序切割分片）；以圆片为单位的加工成本（圆片成本率同步成本）；加工精度高（由于圆片的平坦性、精度的稳定性）。 (5）微小模塑型CSP (Minute Mold) 由日本三菱电机公司开发的CSP结构如图6所示。它主要由IC芯片、模塑的树脂和凸点等构成。芯片上的焊区通过在芯片上的金属布线与凸点实现互连，整个芯片浇

12、铸在树脂上，只留下外部触点。这种结构可实现很高的引脚数，有利于提高芯片的电学性能、减少封装尺寸、提高可靠性，完全可以满足储存器、高频器件和逻辑器件的高I/O数需求。同时由于它无引线框架和焊丝等，体积特别小，提高了封装效率。 除以上列举的5类封装结构外，还有许多符合 CSP定义的封装结构形式如BGA、焊区阵列CSP、叠层型CSP（一种多芯片三维封装）等。 3 CSP封装技术展望 3.1 有待进一步研究解决的问题 尽管CSP具有众多的优点，但作为一种新型的封装技术，难免还存在着一些不完善之处。 （1）标准化 每个公司都有自己的发展战略，任何新技术都会存在标准化不够的问题。尤其当各种不同形式的CSP

13、融入成熟产品中时，标准化是一个极大的障碍 8。例如对于不同尺寸的芯片，目前有多种CSP形式在开发，因此组装厂商要有不同的管座和载体等各种基础材料来支撑，由于器件品种多，对材料的要求也多种多样，导致技术上的灵活性很差。另外没有统一的可靠性数据也是一个突出的问题。CSP要获得市场准入，生产厂商必须提供可靠性数据,以尽快制订相应的标准。CSP迫切需要标准化，设计人员都希望封装有统一的规格，而不必进行个体设计。为了实现这一目标，器件必须规范外型尺寸、电特性参数和引脚面积等，只有采用全球通行的封装标准，它的效果才最理想9。 （2）可靠性 可靠性测试已经成为微电子产品设计和制造一个重要环节。CSP常常应用

14、在VLSI芯片的制备中，返修成本比低端的QFP要高，CSP的系统可靠性要比采用传统的SMT封装更敏感，因此可靠性问题至关重要。虽然汽车及工业电子产品对封装要求不高，但要能适应恶劣的环境，例如在高温、高湿下工作，可靠性就是一个主要问题。另外，随着新材料、新工艺的应用，传统的可靠性定义、标准及质量保证体系已不能完全适用于CSP开发与制造，需要有新的、系统的方法来确保CSP 的质量和可靠性，例如采用可靠性设计、过程控制、专用环境加速试验、可信度分析预测等。可以说，可靠性问题的有效解决将是CSP成功的关键所在 10,11。 （3）成本 价格始终是影响产品（尤其是低端产品）市场竞争力的最敏感因素之一。尽

15、管从长远来看，更小更薄、高性价比的CSP封装成本比其他封装每年下降幅度要大，但在短期内攻克成本这个障碍仍是一个较大的挑战10。 目前CSP是价格比较高，其高密度光板的可用性、测试隐藏的焊接点所存在的困难（必须借助于X射线机）、对返修技术的生疏、生产批量大小以及涉及局部修改的问题，都影响了产品系统级的价格比常规的BGA器件或TSOPTSSOPSSOP器件成本要高。但是随着技术的发展、设备的改进，价格将会不断下降。目前许多制造商正在积极采取措施降低CSP价格以满足日益增长的市场需求。 随着便携产品小型化、OEM（初始设备制造）厂商组装能力的提高及硅片工艺成本的不断下降，圆片级CSP封装又是在晶圆片

16、上进行的，因而在成本方面具有较强的竞争力，是最具价格优势的CSP封装形式，并将最终成为性能价格比最高的封装。 此外，还存在着如何与CSP配套的一系列问题，如细节距、多引脚的PWB微孔板技术与设备开发、CSP在板上的通用安装技术 12等，也是目前CSP厂商迫切需要解决的难题。 3.2 CSP的未来发展趋势 （1）技术走向 终端产品的尺寸会影响便携式产品的市场同时也驱动着CSP的市场。要为用户提供性能最高和尺寸最小的产品，CSP是最佳的封装形式。顺应电子产品小型化发展的的潮流，IC制造商正致力于开发0.3mm甚至更小的、尤其是具有尽可能多I/O数的CSP产品。据美国半导体工业协会预测，目前CSP最小节距相当于2010年时的BGA水平（0.50 mm），而2010年的CSP最小节距相