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新一代半导体IC封装的发展
2010年04月09日 来源：龙芯 作者：admin 阅读次数：674
21世纪初的电子信息产业发展重点，正在从计算机及其外围产品转移到通讯、数字式家电、网络化相关电子产品上。
支持电子信息产业发展的关键技术，是半导体装置、IC封装、安装技术。而这三项关键技术，都共同追求着以下几个发展目标:(1)高速化;(2)高功能化;(3)低消耗电力化;(4)微细、小型、轻量化;(5)上市时间短;(6)低价格化;(7)适应环境保护要求的绿色化。
电子产品在安装方面的发展
下面分6类重点电子产品阐述在安装技术、IC封装方面的发展趋向。
1.计算机及其外围产品
由于计算机高速、高功能发展的驱动，芯片的倒芯片安装(FC)，外部端子的PPGA或BGA已在计算机产品中得到普及。
2001年下半年间，Intel公司的"Northwood"，采用称为 PPGA的塑料封装PGA，并用倒芯片安装方式的MPU封装出台。再有，在Pentium4用的芯片模组850中，由原来金属线接合变更成FC接合的PBGA，存储封装已由与高速化所对应的微型BGA或存储CSP所替代。
2.数码摄像机、数码照相机
在数码摄像机(DVC)及数码照相机(DSC)的高功能、小型轻量化发展的推动下，半导体封装普遍采用CSP。
3.数字式移动电话
移动电话的安装技术、半导体封装技术都是围绕着小型、轻量、高功能、低功耗等方面所进行的。为了不断地推进小型化，由使用0.80mm端子节距的CSP渐渐地向着0.65mm甚至0.50mm节距的CSP方面转变。并且用于移动电话中的0.40mm节距的CSP以及0.30mm节距的 WLP(圆片级封装)等也正在积极开发研制之中。目前在新型移动电话中，有的已开始采用多个存储芯片平置一起或积层在一起的封装形式。
4.存储卡
利用存储卡的形式，添加数码照像机控制、指纹识别、GPS、TV调谐器、扫描等功能的技术开发，目前表现得非常活跃，使得新的超小型封装和裸芯安装技术等在此类产品中得到应用。
5.网络产品
网络技术的发展，使与FTTH(fiber to the home，光纤到户)相连通的光导纤维基板是不可缺少的，在基干类、边缘类、选取类中的高度光纤通信产品，今后会有大的市场需求。在防止外部信号的干扰方面，光纤芯中导入了只有数微米之内的光轴误差的多波长光。这样使得高度的光模块安装技术和实现高速动作IC 封装在这类产品中的重要作用更为突出。
6.汽车电子产品
ITC(高速交通控制系统)的产品在技术上的进步，也驱动了利用GaAs，InP等化合物半导体去达到高可靠性倒芯片安装技术、圆片积层技术、MCM技术的工艺进展。而车载用电子产品中，它的IC封装产品确保耐热、耐震动、耐噪音(杂波)，成为今后需要解决的重要课题。
IC封装技术的发展
与上述各类重点电子信息产品的发展中的新技术要求相对应的半导体IC封装的现状与发展趋向，有如下主要几个方面所述。
1.电子产品系统构装
在电子产品的系统构成上，目前有三种方式构成系统LSI。这三种方式是:将整个系统的功能完全集成在单一芯片上的SoC(System on Chip)、将整个系统的功能完全集成在一块基板上的SoB(System on Board)、将整个系统的功能完全集成在一个半导体封装中的SiP(System on Package)。它们的问世使安装技术中的圆片级(wafer level)、芯片级(chip level)、组件级(board level)、系统级(system level)的界限开始逐渐模糊、混沌。原来一些仅仅用于圆片级的技术，已经开始应用于封装和组件(基板)级之中。
2.半导体封装的发展方向
(1)封装外部端子节距的狭小化
引线型封装0.4mm端子节距的QFP已在移动电话中得到采用。目前在电子信息产品中所使用的半导体封装，是以0.65mm、0.50mm引脚节距的QFP和SOIC，以及0.80mm、0.65mm端子节距的FBGA/FLGA为主流的。0.5mm节距的FBGA/FLGA在有的电子整机产品中已开始正式使用。在面阵列封装方面，由于端子节距的减小和端子列数的增加，使安装面积有大的缩减(见图1)。
(2)封装的薄型化
在电子整机产品轻量化要求及基板附锡焊可靠性提高的前提下，推进半导体封装的薄型化是十分重要的。目前，所采用的FBGA和PCMCIA卡型的HDD(FLGA)，其厚度为0.5mm(搭载在基板后的高度)。用金柱状凸点法在挠性带状基板上安装0.35mm到0.13mm厚的CSP的高容量存储卡以及模块，也已经处于开发之中。采用可以通过电气、机械试验的薄型封装，进行积层在一起，这样可实现同一安装面积下的IC封装的更高存储容量化。
(3)复数芯片积层型封装的普及
自移动电话SRAM和Flash存储器的芯片积层搭载型CSP推出以来，在单一的封装内安装复数个IC芯片的安装技术令人注目。它的内部连接法，是从金属丝接合法到与倒芯片安装(FC)法的并用。在所叠合的芯片功能类别上，除了有存储功能芯片的复上叠合外，还有逻辑IC与存储芯片、逻辑IC与模拟IC、CCD/CMOS传感芯片与驱动IC等多种多样的组合。总之，采用芯片积层封装技术，是实现电子整机产品小型、高功能、高速化的重要途径。
(4)倒芯片安装封装的采用
近期，倒芯片内部接合技术的封装，在计算机上的使用实例不断增多。并且在通信用IC、图像处理IC上都得到较广泛的应用。倒芯片安装(FC)法是很适于这些整机产品的高速信号处理的要求。它还使用在了小型化、高频模拟要求的装置上。FC安装在封装各类型特点见表2所示。
目前FC安装的发展现状是:引脚在100个左右的存储装置或逻辑IC、无引线模块的高频装置等成为应用的主流。在今后，随着安装基板的电路微细化、低成本化的发展趋势之下，随着圆片的再配线及凸块加工费用的降低，以及安装成本的降低，WLP以及DCA安装的应用将会更广泛开展起来。
(5)圆片级封装、直接芯片安装
配置在芯片周边的阵列状凸块上的再配线，所形成的端子栓与焊球搭载成为圆片级封装(Wafer Level Package，WLP)，另外，未形成端子栓的芯片直接压合在PCB上进行的倒芯片搭载的直接芯片安装(Direct Chip Attach，DCA)，都在近期的安装技术发展中，得到重视。
(6)考虑环境要求的半导体封装
21世纪中，环保给电子产品以及半导体、电子部件带来一个新的发展课题。突出的问题是废弃的电子产品中铅的溶解引起酸性雨，对地下水的污染，侵入人体内危害人体的健康。使用的树脂等所用的含卤素物的溶解或燃烧对环境生态的危害等。因此对IC封装技术发展来讲，无铅焊剂的高溶点化，要求半导体部件、封装的耐热性保证条件的更加严格。这种无铅化和耐热性提高，是无铅产品实现实用化过程中亟待解决的课题。
支持电子信息产业发展的关键技术，是半导体装置、IC封装、安装技术。而这三项关键技术，都共同追求着以下几个发展目标:(1)高速化;(2)高功能化;(3)低消耗电力化;(4)微细、小型、轻量化;(5)上市时间短;(6)低价格化;(7)适应环境保护要求的绿色化。
电子产品在安装方面的发展
下面分6类重点电子产品阐述在安装技术、IC封装方面的发展趋向。
1.计算机及其外围产品
由于计算机高速、高功能发展的驱动，芯片的倒芯片安装(FC)，外部端子的PPGA或BGA已在计算机产品中得到普及。
2001年下半年间，Intel公司的"Northwood"，采用称为 PPGA的塑料封装PGA，并用倒芯片安装方式的MPU封装出台。再有，在Pentium4用的芯片模组850中，由原来金属线接合变更成FC接合的PBGA，存储封装已由与高速化所对应的微型BGA或存储CSP所替代。
2.数码摄像机、数码照相机
在数码摄像机(DVC)及数码照相机(DSC)的高功能、小型轻量化发展的推动下，半导体封装普遍采用CSP。
3.数字式移动电话
移动电话的安装技术、半导体封装技术都是围绕着小型、轻量、高功能、低功耗等方面所进行的。为了不断地推进小型化，由使用0.80mm端子节距的CSP渐渐地向着0.65mm甚至0.50mm节距的CSP方面转变。并且用于移动电话中的0.40mm节距的CSP以及0.30mm节距的 WLP(圆片级封装)等也正在积极开发研制之中。目前在新型移动电话中，有的已开始采用多个存储芯片平置一起或积层在一起的封装形式。
4.存储卡
利用存储卡的形式，添加数码照像机控制、指纹识别、GPS、TV调谐器、扫描等功能的技术开发，目前表现得非常活跃，使得新的超小型封装和裸芯安装技术等在此类产品中得到应用。
5.网络产品
网络技术的发展，使与FTTH(fiber to the home，光纤到户)相连通的光导纤维基板是不可缺少的，在基干类、边缘类、选取类中的高度光纤通信产品，今后会有大的市场需求。在防止外部信号的干扰方面，光纤芯中导入了只有数微米之内的光轴误差的多波长光。这样使得高度的光模块安装技术和实现高速动作IC 封装在这类产品中的重要作用更为突出。
6.汽车电子产品
ITC(高速交通控制系统)的产品在技术上的进步，也驱动了利用GaAs，InP等化合物半导体去达到高可靠性倒芯片安装技术、圆片积层技术、MCM技术的工艺进展。而车载用电子产品中，它的IC封装产品确保耐热、耐震动、耐噪音(杂波)，成为今后需要解决的重要课题。
IC封装技术的发展
与上述各类重点电子信息产品的发展中的新技术要求相对应的半导体IC封装的现状与发展趋向，有如下主要几个方面所述。
1.电子产品系统构装
在电子产品的系统构成上，目前有三种方式构成系统LSI。这三种方式是:将整个系统的功能完全集成在单一芯片上的SoC(System on Chip)、将整个系统的功能完全集成在一块基板上的SoB(System on Board)、将整个系统的功能完全集成在一个半导体封装中的SiP(System on Package)。它们的问世使安装技术中的圆片级(wafer level)、芯片级(chip level)、组件级(board level)、系统级(system level)的界限开始逐渐模糊、混沌。原来一些仅仅用于圆片级的技术，已经开始应用于封装和组件(基板)级之中。
2.半导体封装的发展方向
(1)封装外部端子节距的狭小化
引线型封装0.4mm端子节距的QFP已在移动电话中得到采用。目前在电子信息产品中所使用的半导体封装，是以0.65mm、0.50mm引脚节距的QFP和SOIC，以及0.80mm、0.65mm端子节距的FBGA/FLGA为主流的。0.5mm节距的FBGA/FLGA在有的电子整机产品中已开始正式使用。在面阵列封装方面，由于端子节距的减小和端子列数的增加，使安装面积有大的缩减(见图1)。
(2)封装的薄型化
在电子整机产品轻量化要求及基板附锡焊可靠性提高的前提下，推进半导体封装的薄型化是十分重要的。目前，所采用的FBGA和PCMCIA卡型的HDD(FLGA)，其厚度为0.5mm(搭载在基板后的高度)。用金柱状凸点法在挠性带状基板上安装0.35mm到0.13mm厚的CSP的高容量存储卡以及模块，也已经处于开发之中。采用可以通过电气、机械试验的薄型封装，进行积层在一起，这样可实现同一安装面积下的IC封装的更高存储容量化。
(3)复数芯片积层型封装的普及
自移动电话SRAM和Flash存储器的芯片积层搭载型CSP推出以来，在单一的封装内安装复数个IC芯片的安装技术令人注目。它的内部连接法，是从金属丝接合法到与倒芯片安装(FC)法的并用。在所叠合的芯片功能类别上，除了有存储功能芯片的复上叠合外，还有逻辑IC与存储芯片、逻辑IC与模拟IC、CCD/CMOS传感芯片与驱动IC等多种多样的组合。总之，采用芯片积层封装技术，是实现电子整机产品小型、高功能、高速化的重要途径。
(4)倒芯片安装封装的采用
近期，倒芯片内部接合技术的封装，在计算机上的使用实例不断增多。并且在通信用IC、图像处理IC上都得到较广泛的应用。倒芯片安装(FC)法是很适于这些整机产品的高速信号处理的要求。它还使用在了小型化、高频模拟要求的装置上。FC安装在封装各类型特点见表2所示。
目前FC安装的发展现状是:引脚在100个左右的存储装置或逻辑IC、无引线模块的高频装置等成为应用的主流。在今后，随着安装基板的电路微细化、低成本化的发展趋势之下，随着圆片的再配线及凸块加工费用的降低，以及安装成本的降低，WLP以及DCA安装的应用将会更广泛开展起来。
(5)圆片级封装、直接芯片安装
配置在芯片周边的阵列状凸块上的再配线，所形成的端子栓与焊球搭载成为圆片级封装(Wafer Level Package，WLP)，另外，未形成端子栓的芯片直接压合在PCB上进行的倒芯片搭载的直接芯片安装(Direct Chip Attach，DCA)，都在近期的安装技术发展中，得到重视。
(6)考虑环境要求的半导体封装
21世纪中，环保给电子产品以及半导体、电子部件带来一个新的发展课题。突出的问题是废弃的电子产品中铅的溶解引起酸性雨，对地下水的污染，侵入人体内危害人体的健康。使用的树脂等所用的含卤素物的溶解或燃烧对环境生态的危害等。因此对IC封装技术发展来讲，无铅焊剂的高溶点化，要求半导体部件、封装的耐热性保证条件的更加严格。这种无铅化和耐热性提高，是无铅产品实现实用化过程中亟待解决的课题。
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