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”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(chipscalepackage,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。
2csp技术的特点及分类
2.1csp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μbga(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1[2]。
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1/3~1/10[3]。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40×40的qfp,引脚数最多为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600~1000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0.8~1.0mm)比qfp或bga的布线长度短得多[4],寄生引线电容(<0.001mω)、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1/5~1/6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,10mm×10mmcsp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11.8[3]。
(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(underfill),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(0.5~1mm),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。
2.2csp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