1 前言

　　电路产业已成为国民经济发展的关键，而集成电路设计、制造和封装测试是集成电路产业发展的三大产业之柱。这已是各和业界的共识。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电能、机械能、光能和热能，影响其和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、和成本，微电子封装越来越受到人们的普遍重视，在和正处于蓬勃发展阶段。本文试图综述自二十世纪九十年代以来迅速发展的微电子封装，包括焊球阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、圆片封装（WLP）、三维封装（3D）和系统封装（SIP）等项。介绍它们的发展状况和特点。同时，叙述了微电子三封装的概念。并对发展我国微电子封装提出了些思索和建议。本文试图综述自二十世纪九十年代以来迅速发展的微电子封装，包括焊球阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、圆片封装（WLP）、三维封装（3D）和系统封装（SIP）等项。介绍它们的发展状况和特点。同时，叙述了微电子三封装的概念。并对发展我国微电子封装提出了些思索和建议。

　　2 微电子三封装

　　微电子封装，先我们要叙述下三封装的概念。般说来，微电子封装分为三。所谓封装就是在半导体圆片裂片以后，将个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合（WB）、载带自动键合（TAB）和倒装芯片键合（FCB）连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。封装包括单芯片组件（SCM）和多芯片组件（MCM）两大类。三封装就是将二封装的产品通过选层、互连插座或柔电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统，这封装应包括连接器、迭层组装和柔电路板等相关材料、设计和组装。这也称系统封装。所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从封装到三封装的内容。我们应该把现有的认识纳入微电子封装的轨道，这样既有利于我国微电子封装界与国外的交流，也有利于我国微电子封装自身的发展。

　　3 微电子封装

　　集成电路封装的历史，其发展主要划分为三个阶段。*阶段，在二十世纪七十年代之前，以插装型封装为主。包括zui初的金属圆形（TO型）封装，后来的陶瓷双列直插封装（CDIP）、陶瓷-玻璃双列直插封装（CerDIP）和塑料双列直插封装（PDIP）。尤其是PDIP，由于能、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。第二阶段，在二十世纪八十年代以后，以表面安装类型的四边引线封装为主。当时，表面安装被称作电子封装领域的场革命，得到迅猛发展。与之相适应，批适应表面安装的封装形式，如塑料有引线片式裁体（PLCC）、塑料四边引线扁平封装（PQFP）、塑料小外形封装（PSOP）以及无引线四边扁平封装等封装形式应运而生，迅速发展。由于密度、引线节距小、成本低并适于表面安装，使PQFP成为这时期的主导产品。第三阶段，在二十世纪九十年代以后，以面阵列封装形式为主。薄膜多层基板MCM（MCM-D），塑料多层印制板MCM（MCM-L）和厚薄膜基板MCM（MCM-C/D）。

　　3.1焊球阵列封装（BGA）

　　阵列封装（BGA）是上九十年代初发展起来的种封装。

　　BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热能；厚度和重量都较以前的封装有所减少；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提；组装可用共面焊接，。

　　这种BGA的突出的优点：①电能好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感；②封装密度；由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数。例如边长为31mm的BGA，当焊球节距为1mm时有900只引脚，相比之下，边长为32mm，引脚节距为0.5mm的QFP只有208只引脚；③BGA的节距为1.5mm、1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，与现有的表面安装工艺和设备相容，安装可靠；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，大大提了组装成品率；⑤BGA引脚牢固，转运方便；⑥焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。因此，BGA得到爆炸的发展。BGA因基板材料不同而有塑料焊球阵列封装（PBGA），陶瓷焊球阵列封装（CBGA），载带焊球阵列封装（TBGA），带散热器焊球阵列封装（EBGA），金属焊球阵列封装（MBGA），还有倒装芯片焊球阵列封装（FCBGA。PQFP可应用于表面安装，这是它的主要优点。但是当PQFP的引线节距达到0.5mm时，它的组装的复杂将会增加。在引线数大于200条以上和封装体尺寸过28mm见方的应用中，BGA封装取代PQFP是必然的。在以上几类BGA封装中，FCBGAzui有·希望成为发展zui快的BGA封装，我们不妨以它为例，叙述BGA的工艺和材料。FCBGA除了具有BGA的优点以外，还具有：①热能，芯片背面可安装散热器；②，由于芯片下填料的作用，使FCBGA抗疲劳寿命大大增强；③可返修强。

　　因为表面组装板上已经装有其他元器件，因此必须采用BGA小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，印刷完毕后必须检查印刷质量，如不合格，必须将PCB清洗干净并凉干后重新印刷。对于球距为0.4mm以下的CSP，可以不印焊膏，因此不需要加工返修用的模板，直接在PCB的焊盘上涂刷膏状助焊剂。需要拆元件的PCB放到焊炉里，按下再流焊键，等机器按设定的程式走完，在温度zui时按下进出键，用真空吸笔取下要拆下的元件，PCB板冷却即可。

　　FCBGA所涉及的关键包括芯片凸点制作、倒装芯片焊接、多层印制板制作（包括多层陶瓷基板和BT树脂基板）、芯片底部填充、焊球附接、散热板附接等。它所涉及的封装材料主要包括以下几类。凸点材料：Au、PbSn和AuSn等；凸点下金属化材料：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：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；导热胶：硅树脂；散热板：铜。目前，上FCBGA的系列示于表1。

　　3.2 芯片尺寸封装（CSP）

　　CSP（Chip Scale Package）封装，是芯片封装的意思。CSP封装代的内存芯片封装，其能又有了新的提升。CSP封CSP封装装可以让芯片面积与封装面积之比过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，尺寸也有32平方毫米，约为普通的BGA的1/3，相当于TSOP内存芯片面积的1/6。与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提三倍。

　　芯片尺寸封装（CSP）和BGA是同时代的产物，是整机小型化、便携化的结果。美国JEDEC给CSP的定义是：LSI芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积12的封装称为CSP。由于许多CSP采用BGA的形式，所以zui近两年封装界人士认为，焊球节距大于等于lmm的为BGA，小于lmm的为CSP。由于CSP具有突出的优点：①近似芯片尺寸的小型封装；②保护裸芯片；③电、热；④封装密度；⑤便于测试和老化；⑥便于焊接、安装和修整换。因此，九十年代中期得到大跨度的发展，每年增长倍左右。由于CSP正在处于蓬勃发展阶段，因此，它的种类有限多。如刚基板CSP、柔基板CSP、引线框架型CSP、微小模塑型CSP、焊区阵列CSP、微型BGA、凸点芯片载体（BCC）、QFN型CSP、芯片迭层型CSP和圆片CSP（WLCSP）等。CSP的引脚节距般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。表2示出了CSP系列。

　　般地CSP，都是将圆片切割成单个IC芯片后再实施后道封装的，而WLCSP则不同，它的或大部分工艺步骤是在已完成前工序的硅圆片上完成的，zui后将圆片直接切割成分离的立器件。所以这种封装也称作圆片封装（WLP） 。因此，除了CSP的共同优点外，它还具有的优点：①封装加工效率，可以多个圆片同时加工；②具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小；③与前工序相比，只是增加了引脚重新布线（RDL）和凸点制作两个工序，其余是传统工艺；④减少了传统封装中的多次测试。因此上各大型IC封装公司纷纷投入这类WLCSP的研究、开发和生产。WLCSP的不足是目前引脚数较低，还没有化和成本较。图4示出了WLCSP的外形图。图5示出了这种WLCSP的工艺流程。

　　CSP封装内存芯片的中心引脚形式地缩短了信号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的、抗噪能也能得到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%-2。在CSP的封装方式中，内存颗粒是通过个个锡球焊接在PCB板上，由于焊点和PCB板的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很地传导到PCB板上并散发出去。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为35℃/W，而TSOP热阻40℃/W。

　　CSP是在电子产品的新换代时提出来的，它的目的是在使用大芯片（芯片功能多，能好，芯片复杂）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。上有几十家公司可以提供CSP产品，CSP产品品种多达百种以上。[

　　WLCSP所涉及的关键除了前工序所必须的金属淀积、光刻、蚀刻等以外，还包括重新布线（RDL）和凸点制作。通常芯片上的引出端焊盘是排到在管芯周边的方形铝层，为了使WLP适应了SMT二封装较宽的焊盘节距，需将这些焊盘重新分布，使这些焊盘由芯片周边排列改为芯片有源面上阵列排布，这就需要重新布线（RDL）。焊料凸点制作可采用电镀法、化学镀法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀法，其次是焊膏印刷法。重新布线中UBM材料为Al/Niv/Cu、T1/Cu/Ni或Ti/W/Au。所用的介质材料为光敏BCB（苯并环丁烯）或PI（聚酰亚胺）凸点材料有Au、PbSn、AuSn、In等。 3.3 3D封装

　　3D封装主要有三种类型，即埋置型3D封装，当前主要有三种途径：种是在基板内或多层布线介质层中"埋置"R、C或IC等元器件，zui上层再贴装SMC和SMD来实现立体封装，这种结构称为埋置型3D封装；第二种是在硅圆片规模集成（WSl）后的有源基板上再实行多层布线，zui上层再贴装SMC和SMD，从而构成立体封装，这种结构称为有源基板型3D封装；第三种是在2D封装的基础上，把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连，构成立体封装，这种结构称作叠层型3D封装。原因有两个。是巨大的手机和其它消费类产品市场的驱动，要求在增加功能的同时减薄封装厚度。二是它所用的工艺基本上与传统的工艺相容，经过改进很快能批量生产并投入市场。据Prismarks预测，的手机销售量将从2001年的393M增加到2006年的785M～1140M。年增长率达到15～24%。因此在这个基础上估计，叠层裸芯片封装从目前到2006年将以50～6的速度增长。图6示出了叠层裸芯片封装的外形。它的目前水平和发展趋势示于表3。

　　叠层裸芯片封装有两种叠层方式，种是金字塔式，从底层向上裸芯片尺寸越来越小；另种是悬梁式，叠层的芯片尺寸样大。应用于手机的初期，叠层裸芯片封装主要是把FlashMemory和SRAM叠在起，目前已能把FlashMemory、DRAM、逻辑IC和模拟IC等叠在起。叠层裸芯片封装所涉及的关键有如下几个。①圆片减薄，由于手机等产品要求封装厚度越来越薄，目前封装厚度要求在1.2mm以下甚至1.0mm。而叠层芯片数又不断增加，因此要求芯片必须减薄。圆片减薄的方法有机械研磨、化学刻蚀或ADP（Atmosphere DownstreamPlasma）。机械研磨减薄般在150μm左右。而用等离子刻蚀方法可达到100μm，对于75-50μm的减薄正在研发中；②低弧度键合，因为芯片厚度小于150μm，所以键合弧度必须小于150μm。与此同时，反向引线键合要增加个打弯工艺以不同键合层的间隙；③悬梁上的引线键合，悬梁越长，键合时芯片变形越大，必须优化设计和工艺；④圆片凸点制作；⑤键合引线无摆动（NOSWEEP）模塑。由于键合引线密度，长度长，形状复杂，增加了短路的可能。使用低粘度的模塑料和降低模塑料的转移速度减小键合引线的摆动。目前已发明了键合引线无摆动（NOSWEEP）模塑。

　　3.4系统封装（SIP）

　　实现电子整机系统的功能，通常有两个途径。种是系统芯片（Systemon Chip），简称SOC。即在单的芯片上实现电子整机系统的功能；另种是系统封装（SysteminPackage），简称SIP。即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲，这是两条路线，就象单片集成电路和混合集成电路样，各有各的优势，各有各的应用市场。在上和应用上都是相互补充的关系，作者认为，SOC应主要用于应用周期较长的产品，而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品。

　　SIP 的个重要特点是它不定义要建立的会话的类型，而只定义应该如何管理会话。有了这种灵活，也就意味着SIP可以用于众多应用和服务中，包括交互式游戏、音乐和视频点播以及语音、视频和 Web 会议。SIP消息是基于文本的，因而易于读取和调试。新服务的编程加简单，对于设计人员而言加直观。SIP如同电子邮件客户机样重用 MIME 类型描述，因此与会话相关的应用程序可以自动启动。SIP 重用几个现有的比较成熟的 Internet 服务和协议，如 DNS、RTP、RSVP 等。

　　SIP 较为灵活，可扩展，而且是开放的。它激发了 Internet 以及固定和移动 IP 网络推出服务的威力。SIP 能够在多台 PC 和上完成网络消息，模拟 Internet 建立会话。

　　SIP是使用成熟的组装和互连，把集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及无源元件如电容、电感等集成到个封装体内，实现整机系统的功能。主要的优点包括：①采用现有商用元器件，制造成本较低；②产品进入市场的周期短；③无论设计和工艺，有较大的灵活；④把不同类型的电路和元件集成在起，相对实现。美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单集成模块（SingleIntegrated Module）简称SLIM，就是SIP的，该项目完成后，在封装效率、能和方面提10倍，尺寸和成本较大下降。到2010年预期达到的目标包括布线密度达到6000cm/cm2;热密度达到100W/cm2;元件密度达到5000/cm2;I/O密度达到3000/cm2。

　　尽管SIP还是种新，目前尚不成熟，但仍然是个有发展前景的，尤其在中国，可能是个发展整机系统的捷径。

　　4 思考和建议

　　面对蓬勃发展的微电子封装形势，分析我国目前的现状，我们必须深思些问题。

　　（1）微电子封装与电子产品密不可分，已经成为制约电子产品乃至系统发展的核心，是电子行业制造，谁掌握了它，谁就将掌握电子产品和系统的未来。

　　（2）微电子封装必须与时俱进才能发展。微电子封装的历史证明了这点。我国微电子封装如何与时俱进？当务之急是研究我国微电子封装的发展战略，制订发展规划。二是优化我国微电子封装的科研生产体系。三是积倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创。否则，我们将越跟踪越落后。在这点上，我们可以很好地借鉴韩国和中国台湾的经验。

　　（3）度重视微电子三封装的垂直集成。我们应该以电子系统为，牵动、二和三封装，方能占领市场，提经济效益，不断发展。我们曾倡议把手机和作为平台发展我国的微电子封装，就是出于这种考虑。

　　（4）度重视不同领域和的交叉及融合。不同材料的交叉和融合产生新的材料；不同交叉和融合产生新的；不同领域的交叉和融合产生新的领域。过去，同行业交流很多，但不同行业交流不够。我们应该充分发挥电子学会各分会的作用，积组织这种交流。

　　（5）我们的观念、和管理必须与接轨，走合作之路，把我们民族的精华与精彩的溶为体，共同发展。