晶圆级CSP封装技术趋势与展望

2011-11-03 17:12:11来源: 互联网
晶圆CSP封装(WLCSP)技术不同于传统的切割、芯片粘贴、引线键合、模塑的封装流程,它在结束前端晶圆制作流程的晶圆上直接完成所有的操作。在封装过程中再将芯片从晶圆上分离,从而使WLCSP可以实现与芯片尺寸相同的最小的封装体积,这几乎是最终的封装缩微技术。

自1998年可行性的WLCSP技术宣布以来,近年市场上已经出现了各种不同类型的WLCSP。这种技术已经使用在移动电子设备中,比如用于移动电话的电源供给芯片,并且延伸到逻辑产品的应用中。

WLCSP技术分类

WLCSP主要有三种形式(图1),即树脂封装类型(with Epoxy Resin Encapsulation)、无树脂封装类型(w/o Epoxy Resin Encapsulation)和玻璃类型(with glass Type)。

树脂封装类型自从1998年面世以来,就成为最普遍的一种形式。它的结构类似于常规FBGA(Fine Pitch Ball Grid Array)塑胶封装。由于表面环氧树脂封装了表层,它可以使用常规的回流焊工艺,贴放在印刷电路板(PCB)上。

无树脂封装类型又被称作倒装芯片类型。为了保护芯片表面和提高可靠性,芯片表面“生成”有一层薄的有机体或玻璃薄膜层。近年来,由于防潮性能提高,这种类型也已经采用在传统的回流焊工艺中。

玻璃类型是指在芯片表面有玻璃的结构,它应用于CCD和C-MOS传感器中。

WLCSP技术和工艺

在WLCSP中,传统封装中使用金线进行电路连接的方法被取而代之,而采用光刻和电镀技术在晶圆上进行电路的刻印。以下流程是对已经完成前道工艺的晶圆进行WLCSP封装的操作步骤,必要时需要重复这些步骤:

● 隔离层流程 (Isolation Layer)

● 接触孔流程 (Contact Hole)

● 焊盘下金属层流程 (UBM Layer)

● 为电镀作准备的光刻流程 (Photolithography for Plating)

● 电镀流程 (Plating)

● 阻挡层去除流程 (Resist Romoval)

在上述电路刻印流程完成后,需要在表面再生成一层防护层,然后进行其它流程,包括终端成型(Terminal Formation)、打标(Marking)、电性能测试。在最后的工序中进行芯片分割,从而结束整个流程。最后的电性能测试可以在晶圆级进行,也可以在切割后进行。

电路刻印技术

WLCSP的电路生成使用了光刻和电镀技术。2000年树脂封装类型的WLCSP开始大量生产时,线路图形的线宽和间隙大约是50/50um。现在,精细刻印已经发展到约15/15um,而且5/5um级别的也已经在研发中。

精细的线路刻印能力直接关系到WLCSP的两个特性——引脚数量和高性能。由于WLCSP在芯片表面形成终端连接,高的引脚数量意味着窄的终端宽度。

因为芯片的终端引线焊脚多是为常规的引线键合技术设计的,WLCSP的量产通常需要将周边的键合衬垫进行再分布的流程(Redistribution Process),即刻印流程(Pattern Process),线路生成在表面的区域阵列焊盘之间。线路和间隙的设计规则可由下列公式得出(图2):L/S=P/2/(2n+1)。

 

当前,0.4mm的终端焊盘间距已经在规模生产线中使用,终端焊盘之间有6条线路,并可以实现7行的终端焊盘设计。精密的刻印技术是实现高性能WLCSP的关键,这是因为可以使用再分布流程制作被动线路电感(图3)。

当隔离层更厚(>5um)、线路图形更厚(>5um)、线路阻抗更低(铝的60%)时,电感通常比SoC中使用铝线路的电感更优越。WLCSP技术中制作铜电感可以实现芯片更低的功耗,使应用扩张到移动产品中。线宽和空间分布L/S是实现高性能电路的重要指标,因此光刻和电镀也成为整个工艺流程中最重要的技术。

 未来的线路再分布技术

生成电路图形是上文提到的基本技术的重复。它生成UBM层,涂上光刻胶并生成所需的图形,然后进行电镀,最后再去除不再需要的光刻胶和UBM层。可以说,这个工艺还是所谓的“浪费材料的技术”。

目前业界已经开发出了一种不会“浪费材料”的技术,它可以直接实现图形制作(图4),以替代现有的“浪费材料的技术”。该技术采用纳米胶(nano-paste)和刻印喷?SPAN lang=EN-US>(inkjet printing)技术。这种技术的L/S指标目前还不能达到现在采用光刻、电镀技术实现的精细间距水平,然而,它是有益生态的技术,通过进一步的开发,这种技术可能会使用在更多的应用中。

WLCSP技术的展望

WLCSP在2000年应用在电子手表中之后,已经应用在手机、存储卡、汽车导航仪、数码设备中。未来几年中,在手机这样的高性能移动市场中,会更多采用WLCSP技术的芯片。

 电子终端产品市场需要各种不同的系统级封装(SiP,System In Package),已有的形式包括在一个多芯片模块(MCP,Multi Chip Package)封装,以及封装体堆叠(PoP,Package On Package)等SiP的不同形式。手机设备中“SRAM+Flash”的封装是推动SiP技术实现高性能电子设备的重要动力。

 WLCSP技术为实现生产轻薄和小巧电子设备带来了更多的可能性。WLCSP已经应用在电路板组装上,近来它也成为SiP的重要组成部分,结合WLCSP和常规引线键合技术的MCP也已经进入量产(图5)。

集成电路通常通过回流焊贴装在PCB板上。使用常规的表面贴装技术,PCB的组装密度将接近极限。将芯片嵌入到PCB板中的技术可以实现更高的功能,并已经有量产。将WLCSP技术和芯片嵌入PCB工艺结合,可以确保PCB组装质量的稳定,这是因为WLCSP不仅易于进行PCB板贴装,而且具有“已知优良芯片(KGD,Known Good Die)”的特性。

结论

WLCSP不仅是实现高密度、高性能封装和SiP的重要技术,同时也将在器件嵌入PCB技术中起关键作用。尽管引线键合技术非常灵活和成熟,但是WLCSP技术的多层电路、精细线路图形、以及能与引线键合结合的特点,表明它将具有更广泛的应用和新的机遇。

关键字:晶圆  CSP封装

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1103/article_12924.html
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