晶圆级芯片规模封装技术

晶圆级芯片规模封装技术

1微缩的晶圆级封装csp取代了芯片的设计和制造技术。较早的CSP类型与传统封装形式相同，也就是说，将晶圆片上的芯片分离后，应用后端工艺进行封装。此传统工艺方法虽然使用后端设施运作良好，但是不能转变为最节省成本的封装方案。近来已出现较新的趋势，就是驱使封装向芯片尺寸方向的微缩，封装在切片之前直接在晶圆片上进行。微型表面贴装元器件（microSMD）是晶圆级芯片规模/尺寸封装（CSP）。通常把CSP确定为封装的外部尺寸小于或等于内部芯片尺寸的120%以内。微型SMD主要优点在于，该封装是采用晶圆形式装配的，适合于标准表面贴装的加工工艺。最适合于下一代更快、更小、更轻和更节省成本的产品，主要优点为：(1）采用倒装片凸点形成技术———比引线键合的互连技术更快；(2）无需下填充物材料———客户组装循环时间与成本更低；(3）每个I/O最小的脚印——显著的印刷电路板（PCB）成本节省；(4）能够实现的标准表面贴装技术———无需新设备，用户成本更低；(5）节省成本的晶圆级制造技术——卖方循环时间与成本更低；(6)0.5mm节距下互连设计——适合于别的CSP标准。虽然较严格的节距是可行的，但是这样的设计会转变为更昂贵的细节距板技术，并形成对专用细节距组装和检查设备的需求。2msop与微型smd封装的比较微型SMD8I/O封装如图1所示。此结构形式提供了商业方面用于8I/O封装的最小脚印，形成了优于等体积8-线MSOP（微小型封装，目前最小的传统表面贴装8I/O封装）6倍的不动产成本节省费用。MSOP与微型SMD封装的比较（见图2）与其它封装的I/O密度比较（见图3）。在质量方面，微型SMD为4mg，大约是8I/OMSOP(27mg）质量的1/7。8I/O微型SMD为1.45mm×1.45mm，厚度近似于0.9mm。硅片背部采用防护密封剂保护层。此涂层起着双重作用，即：在划片阶段防止硅碎片及较清晰的激光打印特征。该封装具有用矩阵布局方式定位于元器件有效侧面上的焊料凸点。焊料凸点直径为0.17mm，高0.125mm。凸点高度保持在±0.015mm之内。脚印遵循JEDEC外形MO-211标准。微型SMD为JEDEC等级1封装。目前采用标准的8mm宽的带卷形式运送。3研究发现图4示出了封装技术工艺流程。一般封装技术工艺步骤包括：(1）标准的晶圆制造工艺；(2）采用苯并环丁烯（BCB）的晶圆再钝化；(3)I/O焊盘上低共熔焊料凸点淀积；(4）基于激光的凸点特性检查；(5）保护密封剂涂层应用；(6）晶圆片型试验；(7）激光打印；(8）分离与带卷式运送。4标准smt贴放机封装PC板上组装涉及标准SMT操作--PCB板上印刷焊膏、元件贴放、焊料回流与清洗（根据钎焊剂类型）。与传统的倒装片封装不同，采用标准SMT贴放机把微型SMD放置于板上。标准的带卷传送装置，便于组装期间封装控制。由于坚固的封装和互连设计，可使控制损坏最小化。为了便于返修，可与传统倒装片封装一样组装，不需要焊膏印刷工艺过程。下列各部分分别概述了每个SMT工艺步骤的具体细节。4.1微织构布及封装内未充放电织盘的确定两种类型的焊接图案用于表面贴装封装，也就是说，确定的焊料掩模焊盘（SMD），焊料掩模开口比金属焊盘小，确定的非焊料掩模焊盘（NSMD），金属焊盘比焊料掩模开口小。由于与焊料掩模蚀刻工艺状况相比较，铜蚀刻工艺方面较严格的控制，以NSMD确定为佳。再者，SMD焊盘的确定可在PCB侧面上的焊料掩模附近产生聚集点，聚集点会引起极度疲劳状况下的焊点断裂。再说，在NSMD确定情况下较小的铜焊盘尺寸，如果必要，便于PCB上轨迹逸出。封装侧面上SMD焊盘尺寸为0.150mm(6密耳）。推荐具有最佳可靠性的封装和PCB侧面上，焊盘尺寸之间的比率为1:1。对NSMD焊盘确定而言，转变为0.150mm铜焊盘尺寸。焊料掩模蚀刻工艺的容差控制为，开口上±0.025mm（±1密耳），对准±0.050mm（±2密耳）。对NSMD焊盘而言，为了避免焊点与焊料掩模间的任何搭接，在铜焊盘和焊料掩模周围拥有±0.025mm（±1密耳）的容差是必要的。PCB布局考虑0.100mm(4密耳）宽的轨迹和14.18g铜层。小于0.140mm的铜焊盘会引起对FR4基板粘片胶下降的铜层，可能出现剥离现象。表1示出了关键的特征尺寸。虽然采用有机焊料性能保护剂精整的PCB完成大多数板级特征，但是看出PCB焊盘精整对微型SMD组装及可靠性没有显著影响。均匀的涂层厚度对高组装效率是关键的。对电镀浸镍的金抛光而言，为了避免焊点脆裂，金层厚度必须小于0.5μm。4.2两种漏板装配方法采用漏板印刷技术，在PCB上印刷焊膏。漏板参数诸如孔径面积比和制造工艺，对焊膏淀积具有极大的影响。孔径面积比确定为，漏板断面面积与孔径墙面积之比。为了获得合格的焊膏传递，推荐的面积比为大于或等于0.66。3种典型的漏板装配方法，包括化学蚀刻、激光切割和金属添加剂工艺过程。激光切割工艺确保锥形孔径墙，有利于焊膏释放。在0.100mm厚激光切割漏板上0.250mm±0.300mm椭圆形孔径产生合格的结果。推荐的椭圆形孔径的面积比为0.69，焊膏的可复验性结果淀积0.129mm4.3在轮廓的视觉系统上定位个别凸点的美学性能采用贴装精度为±0.050mm的标准贴片机，可贴放微型SMD。元器件贴片系统包括识别和定位元器件的视觉系统与实际实施贴片操作的机械系统。适于面阵列封装的2种视觉系统为：(1）定位封装轮廓的视觉系统；(2）在互连图案上定位单个凸点的视觉系统。虽然后一种类型通常提供的贴装更精确，但是趋向于更昂贵和更多的耗费。由于焊料表面张力的自定心作用，在回流期间元件可重定中心，那么2种方法对微型SMD都是合格的。图4示出了当把元件放置于离开实际焊盘中心位置时的自定位现象。结果表明，对规定的漏板设计（焊盘上添印焊膏），微型SMD允许在x和y方向上，离开贴装多达±0.225mm。PCB上无焊膏时（倒装芯片组装），会把封装件放置到偏离焊料凸点中心与PCB上铜焊盘边缘接触的位置。在图5中所指的为倒装芯片工艺的工艺窗口，元件的贴装精度为±0.04mm。4.4特定板定位状况下的热分析采用标准表面贴装技术（SMT）回流焊工艺，不需要任何特定考虑，组装微型SMD与别的封装一样，必须确定特定板定位状况下的热曲线。在焊料回流操作期间，推荐采用氮气净化。图6示出了组装此封装的典型回流曲线。适合于微型SMD的回流操作多达3种（J-STD-020）。回流期间，为了形成粘结且发光的焊点，使用有效焊剂把PCB上的低共晶焊料凸点和低共晶焊膏熔化。根据所用焊剂的类型，清洗组装结构。4.5返回后审查表面贴装组装之后，为了鉴定诸如桥接、短路、开路和空洞诸现象，采用X线透射可检查焊点。图7示出了组装后典型的X线检查照片。4.6制备热焊接器把微型SMD从PCB拆卸涉及到采用真空气体吸嘴加热焊点，使温度高于低共晶焊料的液相温度。为了使其对别的元器件的损坏最小化，必须控制热曲线，同时也要控制倾斜率。在加热封装之前，对预定温度PCB的预热，将确保维持元器件和板一体化的控制过程。高于液相温度，自动激活真空吸嘴并拾取元器件。拆卸封装之后，使用相同的气体吸嘴加热焊盘，以便回流焊料残余物。接着，采用特氟隆尖端吸嘴真空棒拆卸回流后的焊料。对元器件替换而言，在返修的部位应用免清洗焊剂。如果此特殊应用允许在元器件附近有部分板空间存在，应采用小型漏板来放置新的焊膏。使用成像棱镜于多数返修系统，接着在返修部位校准新的元器件，并放置到已涂焊膏的部位。使用对流吸嘴和底部预热器，应使部件的回流与原始回流曲线相匹配。返修器件应进行X线检查和电试验。5试验过程设计微型SMD8I/O封装评定包括行业标准可靠性试验，诸如温度循环试验（TMCL）、温湿偏置试验（THBT）、偏置工作寿命试验（SOPL）和预处理应力试验。表2概述了评定结果。6小型smd连续性6.1．4层fcrbc的制造工艺见图12微型SMD把倒装片技术扩展到节省成本的表面贴装中。由于没有顺从的引线和下填充物，评定焊点可靠性是必要的。遵循表面贴装焊料粘附的加速可靠性试验IPC-SM-785指导方针，安装到标准的4层FR4PCB(1.575mm）上的菊花链微型SMD8I/O部件，在0～100℃，1个循环/h，经受温度循环状况的影响（如图8）。对更多要求的应用诸如汽车和电信设备方面，在-40℃～125℃，1个循环/h状况下完成更进一步的试验。表3概括了两个试验条件的可靠性数据。为了评定已返修元件的可靠性，对具有倒装片组装工艺（无焊膏印刷）的部件进行试验。遵循最佳组装条件，在0℃～100℃，1个循环/h状况下，微型SMD8I/O可通过2300个循环；在-40℃～125℃，1个循环/h状况下，通过800个循环，无失效现象，如图9所示。6.2微型smd组装环境试验在微型SMD8I/O封装上完成冲击试验，遵循PC卡环境试验标准，在从750mm高度到无缓冲作用乙烯板表面的3个互不相连的轴中，微型SMD8I/O组装受到2次冲击。20/20样品通过试验。6.3试验板的使用微型SMD封装组装的三点弯曲试验配置包括，100mm跨度的试验板与在试验板中心速度为9.45mm/min状况下，使用偏转。图9描述了试验中使用的配置。图10示出了有微型SMD8I/O试验板的时间—偏转和时间—电阻曲线图。可看出，不存在焊点失效现象，即使偏转大于25mm。对板尺寸而言，此等级的偏转超过了大多数制造、装运、处理和操作条件。6.4板级状况下的和弦振动振动试验的样品尺寸为16。使用随机和正弦两种激励。为了在宽范围频率甚小级状况下进行扫描，采用振动器来确定样品板的自然频率。自然频率范围为270～320Hz。为了获得板级状况下20～40G的响应，履行具有260～320Hz间频率的正弦激励。在20G微型SMD8I/O正弦振动延续1h，伴随着在40G正弦振动3h，无任何失效现象。另外，微型SMD8I/O也通过具有20～2000Hz频率范围2GRMS随机振动3h的试