圆片级封装的一些基本原则

    
     技术分类： 模拟与无源器件 来源：作者：黄子伦 编译 发表时间：
    
    　　圆片级封装(WLP)技术正在流行，这主要是它可将封装尺寸减小至IC芯片大小，以及它可以圆片形式成批加工制作，使封装降低成本。WLP封装成本还会随芯片尺寸减小相应下降。此外，由于对电路封装、测试、分离和发运已知好电路可进行流水线作业和管理，从而进一步降低了封装总成本和缩短了周期时间。如果在设计半导体器件时就考虑到封装要求，这无疑会有益于器件布局设计，并可改善元件性能。
    
    　　圆片级封装(WLP)和圆片级芯片尺寸封装(WL-CSP)是同一概念，它们表示在电路封装完成后，仍以圆片形式存在。它们可用于有源IC和无源元件的封装。同其它封装一样，WLP必须为芯片提供导热和电气通道，还要为芯片提供合适的机械和环境保护。同样重要的是WLP还必须与标准的表面安装技术(SMT)兼容。
    
    　　1 器件与应用
    
    　　圆片级封装产品正以惊人的速度增长。预计到2005年，其平均年递增率(CAGR)可达210％。拉动这种增长的器件是集成电路、无源元件、高性能存贮器和引脚数量少的器件，如闪存／EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驱动器、射频器件、逻辑器件、电池组电源管理器件及模拟器件(
    电压调整器、温度传感器、控制器、运算放大器、功率放大器等)。这些器件支撑移动电话、存储器件、PDA、笔记本电脑、数字视频控制器及通信网络等终端应用。
    
    　　在分析一种圆片是否适合于WLP时，圆片上的器件尺寸、焊盘数量、以及希望的节距等必须联系起来考虑，才能确认在芯片表面是否有足够的面积来分布所需的互连。这是因为：圆片级封装需要采用与"扇出"布线相反的"扇人"布线方式(如图1所示)，芯片的边缘就是圆片级封装电路的边界。
    
    　　相反，CSP(比IC大，不超过20％)可使用扇人和扇出布线两种方式，有时还可在横向或纵向增添焊球
    
    　　和CSP相同，当前圆片级封装采用与SMT兼容的0．8mm、0．75mm、0．65mm和0．5mm节距。图2示出了这四种节距与器件尺寸和I/O数量的关系。该图近似地表明当节距从0．5mm至0．8mm变化时，IC表面能否支撑一个给定的I/O数。图中仅为近似值，设计者可利用公共I/O末减少电路与线路板间的互连数。随着0．5mm节距新标准(随后将是0．4mm节距)的出现，将会有更多类型的器件采用圆片级封装。因为节距减小时，可以分布更多的互连。
    
    　　味着器件不足以支撑给定节距的全部I/O。公共I/O可以合并，以减少I／O数。该图可用来简单地估计"扇人"能力
    
    　　2 WLP工艺
    
    　　Atmel、Bourns、加利福尼亚微器件、达拉斯半导体、仙童、富士通、日立、国际整流器、Maxim、Micro、三菱、国家半导体、日本电气、冲电气、菲利普、ST微电子、德克萨斯仪器及Xicor等厂商推出了不同型式的WLP产品。所有这些产品的封装工艺可分成三种基本工艺类型(表1)。
    
    　　薄膜再分布WL-CSP-E艺是当今使用最普遍的工艺。因为它的成本较低，非常适合大批量、便携式产品板级应用可靠性标准的要求。
    
    　　目前正在开发适合于更省I／O数器件的下一代WLP工艺。因为薄膜再分布工艺主导着当今市场，所以我们有必要仔细考察这类WL-CSP的现有设计和工艺。
    
    　　3 薄膜再分布WL-CSP
    
    　　如同其它的WLP一样，薄膜再分布WL-CSP的圆片仍采用常规圆片工艺制作。在圆片送交WLP供货商之前，要对圆片进行测试，以便对电路进行分类和绘出合格电路的圆片图。圆片在再分布之前，先要对器件的布局进行评估，以确认该圆片是否适合于进行焊球再分布。
    
    　　当初次评估一种圆片级封装工艺时，对于器件工程师来说，典型的办法是选取一种现有的引线键合器件来进行WLP转换。这一策略可为评估和转换的确认提供最快的途径。但是，引线键合的I／O焊盘通常排布得过于靠近，以致于不能安放焊球。即使可在现有的I／O焊盘上放置焊球，但焊球的分布不可能是最佳的，因而不能获得最好的可靠性。
    
    　　再分布工艺就是在器件表面重新布置I／O焊盘。图3示出了引线键合闪速存储器上再分布的情形。从图上可见，闪速存储器芯片的两个短边上的原有焊盘转换成了凸点阵列。在此实例中，器件表面使用了两层介质层，中间夹有的一层再分布金属化层用于改变I／O的分布。在这工序之后，安装上焊料球(见图4)，于是芯片就变成了WLP产品。
    
    　　将引线键合焊盘设计再分布成焊球阵列焊盘的缺点是：生产的WLP产品在器件设计、结构或制造成本方面不可能是最佳时。但是，一旦证明其技术上可行，那么就可对这种电路重新设计，于是就可以消除外加再分布。这种情况已成共识。为此，特别定义了一种双相判定程序。下一代的变化可能是在芯片最后金属层内集成再分布层，或者是一种用以改进性能的最短信号线的新设计。
    
     重新设计可能需要补充新的软件工具。由于重新设计可消除外加的再分布工序和相关工艺，因此，重新设计的信号、电源和接地线的结构非常低廉。比较一下图4中所示的两种WLP结构。第一种示出的是较为复杂的薄膜再分布的截面第二种是把焊球直接安装在芯片I／O焊盘顶部的设计。第二种WLP被定义为单层聚合物WLP。聚合物用于硅片平坦化，对芯片提供必要的保护，以及用作标准的表面涂敷。对于薄膜再分布WLP来说，后一种方法不失为一种成本--效益更佳的设计。
    
    
    　　如果一种器件是以WLP和引线键合封装两种形式供货，把这种器件重新设计成非再分布结构是一种例外。在这种情况下，外加再分布工艺仍将必要，因为直到圆片制作好还不能确定封装类型。
    
    　　WLP的最终结构取决于IC的要求及其应用情况。例如，设计高性能存储器要求WIJ遵守总的电容规范。在这种情况下，为了使最终互连结构增加的电容量尽可能少，必须把焊料凸点置于再分布介质层表面，并且，在这种结构中必须使用低介电常数材料。在第二种实例中，最终金属层中的布线可能非常强，甚至其间距小到了可靠性要求的最小设计规则以下。因此，封装制造厂家推荐增加介质层数以使结构稳定。
    
    　　当前，如同
    有许多产品类型一样，也有许多互连方案。造成这种现象的原因是WLP技术还是新技术，以及缺乏内部的和工业化设计的标准。这就要求ⅢM和封装制造厂家相互密切联系，理解对方的规范和设计规则，以便生产出性能／价格比最佳的产品。
    
    　　4 WLP制造考虑
    
    　　4．1 焊球节距与直径
    
    　　焊料连接可靠性与焊料体积有关，增加焊料高度和直径可延长疲劳寿命。对于0．75~0．80mm节距的IC来说，典型的焊球直径为0．5mm。当节距接近0．5mm时，焊球尺寸可以减少至0．30~0．35mm。这类结构通常使用预成型焊球。尺寸≤0．25mm的焊料连接，要采用别的连接方式，因为预成型焊球的成本尚无竞争力。
    
    　　4．2合金类型
    
    　　目前，共晶Sn／Pb焊料是WLP应用最广的合金。市场还可买到其它合金，包括在电源应用中使用的高Pb(95Pb／Sn)合金；用于对。粒子敏感产品或"绿色"环保产品的无铅合金。
    
    　　4．3布线性能及专门特性
    
    　　WLP上布线情况取决于封装制造者的设计规则。对于非阻抗匹配布线来说，通常将线条和间隔特征最大化并避免90°角，以便减少电流积聚。为了把应力和电流积聚减少到最低程度，金属化图形要在焊球处散开。其它设计考虑有熔丝或探测焊盘。这些特征在驯LP转换之后可以保留或利用。但在最初评估期间，需要向WLP制造厂家指出来。
    
    　　4．4背面研磨
    
    　　较薄的芯片可增加热循环可靠性，且支持薄形产品。但芯片薄到什么程度取决于圆片直径和WLP工艺，其原因是：薄的圆片表面容易产出损伤，引起微裂纹，以及在其后的操作中造成圆片破裂。由于圆片背面研磨是圆片加3232艺的最终步骤，而圆片要减薄到什么程度却受WLP工艺限制。因此，把圆片级封装看作是圆片工艺的延伸，在设计圆片工艺时应考虑到封装工艺步骤的适用范围。
    
    　　4．5 背面打标
    
    　　背面打标就是在产品的背面做出器件编号、批号、型号及公司标识等。背面打标标准取决于使用的器具和技术。像铅字尺寸、字符间隔、标记区域面积等参数必须根据所采用的打印技术来确定。当使用激光打标时，最佳清晰度取决于激光光点尺寸。此外，光点数、起始和终止位置、打印标记深度等都必须给予考虑，以免产生的应力使IC中已有的微裂纹增长。背面表面抛光有助于提高标记清晰度。因为粗糙的氮化硅、二氧化硅或基底表面不仅激光能量难以(反射或吸收)起作用，采用其它工艺技术也难产生清晰的标记。
    
    　　4．6 圆片测试与老化
    
    　　如果在圆片上就能够完成WLP产品的最终测试，便可大大节省测试成本。目前使用圆片级封装的IC，如IPD、EEPROM及模拟器件等，不需要圆片级老化(WLBI)处理。但是，下一代高I／ODRAM将需要WLBI。预计DRAMWL-CSP的WLBI将在2005年前出现。
    
    　　图5 两种WLP的维1白尔曲线比较图。此图说明了是否使用聚合物环技术在可靠性上的差别。在试验中使用的WLP产品DNP为4．88mm，焊球为0．5mm 63Sn／Pb，组装在6层1．3mm厚的FR4电路板(具有0．35NSMD Cu-OSP焊盘)上。高β说明了一致的可重复失效机理。
    
    　　4．7分选与封装
    
    　　WLP设计必须考虑电路的分离问题，诸如锯片上的材料堆积、芯片暴露和由划片产生的结构损伤等。由于这些原因，再分布层必须分布在划片槽以内。尽管电路往往带卷形式包装和发运，但一些装配商要求IC以圆片形式发运。在装配时，可以直接从划片膜上拾取和放置电路。圆片图可保证使用合格芯片，这样就节省了包装和元件装配的成本。
    
     5 表面安装考虑
    
    
    　　圆片级封装是与标准的表面安装技术兼容的。因此，0．75~0．8mm节距的WLP产品迅速被人们所接受，并在全球获得应用。而0．5mm节距的IC在1999年已进人大批量生产，通过OEM(委托加工商)也迅速为人们接受。合同制造商正在工厂中推广组装诀窍。
    
    　　同任何其它新型封装产品一样，组装工艺必须围绕着WLP产品进行优化。这不仅对以圆片供货的WLP来说是正确的，而且对分离的WLP产品也是如此，因为结构的改变可能会引入不同的失效机理和失效发生时间。为了说明组装工艺和封装结构的变化是怎样影响电路板级