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BGA封装技术的三种类型FC、CSP、BGA

时间:2013-08-26 09:18:04 来源:鼎华科技 点击: 3561次

BGA封装技术的三种类型FC、CSP、BGA

 

最早的表面安装技术——倒装芯片封装技术(FC)形成于20世纪60年代,同时也是最早的球栅阵列封装技术(BGA)和最早的芯片规模封装技术(CSP)。
倒装芯片封装技术为1960IBM公司所开发,为了降低成本,提高速度,提高组件可靠性,FC使用在第1层芯片与载板接合封装,封装方式为芯片正面朝下向基板,无需引线键合,形成最短电路,降低电阻;采用金属球连接,缩小了封装尺寸,改善电性表现,解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。再者,FC通常应用在时脉较高的CPU或高频RF上,以获得更好的效能,与传统速度较慢的引线键合技术相比,FC更适合应用在高脚数、小型化、多功能、高速度趋势IC的产品中。
随着电子封装越来越趋于向更快、更小、更便宜的方向发展,要求缩小尺寸、增加性能的同时,必须降低成本。这使封装业承受巨大的压力,面临的挑战就是传统SMD封装技术具有的优势以致向我们证实一场封装技术的革命。
2 IBM
FC
IBM
公司首次成功地实施直接芯片粘接技术(DCA),把铜球焊接到IC焊盘上,就像当今的BGA封装结构。图1示出了早期固态芯片倒装片示意图。IBM公司继续采用铜球技术并寻求更高生产率的方法,最终选择的方案为锡-铅焊料的真空淀积。为了形成被回流焊进入球凸点的柱状物,应通过掩模使焊料淀积。由于淀积是在圆片级状况下完成的,因而此过程获得了良好的生产率。这种凸点倒装芯片被称为C4技术(可控塌陷芯片连接)一直在IBM公司和别的生产厂家使用几十年,并保持着高的可靠性记录。
虽然C4在更快和更小方面显得格外突出,但是呈现出更节省成本方面的不足。与C4相关的两个重要的经济问题是 :形成凸点的成本和昂贵的陶瓷电路的各项要求。然而,正确的形成凸点技术及连接技术能够提供更进一步探求较低成本的因素。
3
形成凸点技术
凸点形成技术分为几个简单的类型,即淀积金属、机械焊接、基于聚合物的胶粘剂以及别的组合物。最初的C4高铅含量焊料凸点,熔点在300以上,被低共熔焊料和胶粘剂代替,从而使压焊温度下降到易于有机PCB承受的范围。然而,如果低共熔焊膏作为接合材料使用,那么C4仍可用于FR-4上。
3.1
机械形成凸点技术
十多年前,IBM公司和K&S公司开发了球凸点形成工艺技术,称为柱式凸点形成技术。此工艺过程首先涉及到对铝芯片载体的球压焊技术,接着把焊丝拉到断裂点,最后形成有短尾部的凸点。为了在球附近形成光滑的断裂口,可使用含有1%铂的金丝。焊料和别的金属也是起作用的。很多改变是明显的,包括平面性方面的凸点精压技术和更高、更复杂的金属化的双凸点形成技术。柱式凸点形成技术,长期使用于试制形式。由于通过引线键合机获得了惊人的速度,已移入生产模式。金和金凸点及焊料凸点均被实施。Delco公司和K&S公司联合生产柱式凸点的倒装芯片产品,别的公司在不远的将来预计生产凸点芯片。
3.2
金属电镀技术
电镀技术要求首先形成总线接头,选择电镀掩模,并用于TAB的金凸点芯片技术。虽然通过在晶圆片上方汽相淀积金属,在典型状况下形成总线,但是总线必须能被清除。再者,必须提供光成像电镀保护膜,在电镀之前成像并显影。很多步骤和精确的电镀掩模工艺的要求增加了成本和不便因素。
化学镀是无掩模和无总线的方法,看上去是一种较好的方法。该技术已广泛地应用于印刷电路行业,但是化学形成凸点的技术仅仅是近年来才应用于倒装芯片的。化学镀镍,也许由于其非常精确的化学性质,已呈现为首要的且普遍的化学倒装片凸点技术工艺。如果铝没有直接与镍一起电镀,就可使用中间浸液电镀锌技术。图2示出了最普遍的镍凸点技术顺序。注意到在典型状况下,镍受到薄的、易于产生浸液的金涂层保护。形成的金毛刺适于焊接及胶粘剂压焊。
化学镀镍凸点技术工艺简单,成本低,是主要的倒装芯片凸点工艺。可利用很多方法,包括把焊料应用于凸点及液体喷注。对倒装片而言,开发化学焊料电镀技术是可行的。
3.3
聚合物凸点技术
两种各向同性的导电胶粘剂,在所有的轴上导电是均一的。各向异性的(Z轴)胶粘剂,具有间接的导电性,可应用于形成凸点芯片及压焊。因为各种胶粘剂还不能直接用在铝上,所以通常把它们应用于金焊盘。采用聚合物倒装芯片方法,在晶圆片级状况下可把导电胶用模板印刷。
4
测试技术
IBM
公司通过对测试电路有限区域焊接,测试C4产品,并用机械的方法断开临时接线。虽然由于变形,对共晶焊料凸点芯片测试和老化仍然是个问题。新的接口技术预计允许共晶凸点的测试和老化。
5
压焊技术
共晶焊料构成的凸点,包含压焊和连接材料。用免清洗焊剂涂覆凸点,并置于板上像普通的SMD元件一样进行焊料回流。几种拾-放机可提供焊剂,使用的是焊剂熔解轮。仅对凸点提供焊剂是较难的,特别是当使用下填充物时,此熔解轮将被用来给凸点和导电胶提供焊膏。
不熔的芯型凸点,诸如镍凸点,要求增加连接材料作为组装工艺过程的一部分。可把焊料进行丝网印刷、模板印刷或针式分配到电路载体上,接着放置芯片并进行焊料回流。把SMD和倒装片一起装配到陶瓷上是可行的,此方法可应用于汽车电子行业。
使用印刷或分配方法可把导电胶提供给电路载体或凸点,一种令人感兴趣的方法,即聚合物浸涂芯片法(PDC)。使用装满粘附膏的焊剂熔解轮,在旋转盘或别的储层的外面涂覆胶粘剂,厚度略小于凸点高度。把芯片放入膏中并用粘着凸点的胶粘剂抽出,把倒装芯片置于电路上并进行胶粘剂固化。
6
下填充技术
假定描述的低成本凸点形成技术和压焊方法能够获得低成本、小尺寸和高速率,那么可靠性状况怎样呢?硅(<3×10-6/)和有机基板(1850×10-6/)之间的热机失配状况如何?此类问题的解决方法是令人高兴的,既简单又节省成本。填入下填充物材料聚合物(如图3),下填充物是简单的被填在PCB和已压焊芯片之间的一种填充的矿物胶粘剂合成物。组装和测试之后,通过毛细作用在芯片间隙之下把液态材料进行塑流。下填充物被分配到芯片的一面或两面,产品能够在几秒钟内在典型的250密耳芯片下塑流。通过在发生初始配料处的芯片的对侧面,提供更多的下填充物,可有选择地形成凸焊缝。接着,把下填充物硬化成为加强验收等级的热循环性能结构。
把硅器件直接压焊到有机电路上将产生危险的热机应力和热机疲劳。在每个热循环阶段,PCB将比硅以更高的速率扩展并收缩。当在热循环期间发生变形时,焊接材料诸如倒装片上的焊料凸点将经历加工硬化和加工蜕化过程。通过集中应力,极低的凸点高度(1~4密耳)加重了这一问题。
在倒装片和PCB之间加入下填充物可靠性提高了一个数量级或更多。最简单的解释为,经过硬化的下填充物把板移动定位在硅芯片的移动上。低膨胀、极高模量无机硅至少在表面上成为限制有机PCB膨胀的约束力。下填充物必须是相对坚硬的、高模量的和能够把硅及PCB固定在一起的材料。下填充物的热膨胀系数应该接近于焊接材料的热膨胀系数,对焊料而言为25×10-6/。如果下填充物的热膨胀系数(CTE)太高或太低,都将产生垂直应力,并且焊接将失效。可通过给聚合物系统增加矿物填充剂,调整CTE
7
结语
倒装片如今在各类产品中已开始生产——构建于FR-4及光盘驱动挠曲电路上。全球很多家公司正在研究并开发倒装片技术。半导体制造商正在研究销售凸点芯片,设备制造商保证他们能够应对倒装片技术。虽然倒装片和别的CSPsPCB行业提出了严格的要求,但是底部结构将很快填补,最后赢得简易化。
倒装片是现在最常见的一种高连接密度芯片尺寸封装CSP。在FC中,芯片倒扣在封装衬底上,互连凸点阵列分布于硅片表面,取代了金属丝压焊连接,属于一种面阵列封装。与常规的引线键合相比,FC最主要的优点为:拥有最高密度的I/O 数;由于采用了凸点结构,互连长度大大缩短,互连线电阻、电感更小,封装的电性能得到极大地改善;芯片中产生的热量可通过焊料凸点直接传输到封装衬底,通常在芯片衬底都装有散热器,故芯片温度会更低。
芯片凸点与衬底焊盘的精密对位是FC封装技术的关键技术。FC连接方式主要有:可控塌陷芯片连接(C4)、直接芯片连接(DCA)、倒装片胶连接(FCAA)等。形成的凸点按材料不同可分为焊料球状凸点(SBB)、金凸点(ASB)、聚合物凸点(PB)。其中应用最广泛的是焊料凸点技术。焊料凸点的制造技术有电镀、印刷和金属注射等。
倒装片封装技术广泛地应用于消费类IC中,如MCUDSPASSPASIC等。

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