作者：杜潤

1 引言

所謂芯片尺寸封裝就是CSP (Chip Size Package或Chip Scale Package)。JEDEC(美國EIA協(xié)會聯合電子器件工程委員會)的JSTK一012標準規(guī)定，LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯片面積的120%的產品稱之為CSP。CSP技術的出現確保VLSI在高性能、高可靠性的前提下實現芯片的最小尺寸封裝(接近裸芯片的尺寸)，而相對成本卻更低，因此符合電子產品小型化的發(fā)展潮流，是極具市場競爭力的高密度封裝形式。本文從CSP的特點、類別和制作上藝以及生產和研發(fā)等幾個方面詳細論述這種先進的封裝技術，并對我國CSP技術的研發(fā)提出幾點建議。

2 CSP的特點

CSP實際上是在BGA封裝小型化過程中形成的，所以有人也將CSP稱之為μBGA(微型球柵陣列，現在僅將它劃為CSP的一種形式)，因此它自然地具有BGA封裝技術的許多優(yōu)點。

2．1 封裝尺寸小

CSP是目前體積最小的VLSI封裝之一。一般，CSP封裝面積不到0．5 mm，而間距是QFP的1／10，BGA的1／3～l／10。

2．2 可容納引腳的數最多

在各種相同尺寸的芯片封裝中，CSP可容納的引腳數最多，適宜進行多引腳數封裝，甚至可以應用在I／0數超過2000的高性能芯片上。例如，引腳間距為0．5 mm，封裝尺寸為40 mm×40 mm的QFP，引腳數最多為304根，若要增加引腳數，只能減小引腳間距，但在傳統(tǒng)工藝條件下，OFP難以突破0．3 mm的技術極限；與CSP相提并論的是BGA封裝，它的引腳數可達600～1000根，但值得重視的是，在引腳數相同的情況下，CSP的組裝遠比BGA容易。

2．3 電性能優(yōu)良

CSP的內部布線長度(僅為0．8～1．O mm)比QFP或BGA的布線長度短得多，寄生引線電容、引線電阻及引線電感均很小，從而使信號傳輸延遲大為縮短。CSP的存取時間比QFP或BGA短1／5～1／6左右，同時CSP的抗噪能力強，開關噪聲只有DIP(雙列直插式封裝)的1／2。這些主要電學性能指標已經接近裸芯片的水平，在時鐘頻率己超過雙G的高速通信領域，LSI芯片的CSP將是十分理想的選擇。

2．4 測試、篩選、老化操作容易實現

MCM技術是當今最高效、最先進的高密度封裝之一，其技術核心是采用裸芯片安裝，優(yōu)點是無內部芯片封裝延遲及大幅度提高了組件封裝密度，因此未來市場令人樂觀。但它的裸芯片測試、篩選、老化問題至今尚未解決，合格裸芯片的獲得比較困難，導致成品率相當低，制造成本很高；而CSP則可進行全面老化、篩選、測試，并且操作、修整方便，能獲得真正的KGD芯片，在目前情況下用CSP替代裸：芯片安裝勢在必行。

2．5 散熱性能優(yōu)良

CSP封裝通過焊球與PCB連接，由于接觸面積大，所以芯片在運行時所產生的熱量可以很容易地傳導到PCB上并散發(fā)出去；而傳統(tǒng)的TSOP(薄型小外形封裝)方式中，芯片是通過引腳焊在PCB上，焊點和PCB板的接觸面積小，使芯片向PCB板散熱相對困難。測試結果表明，通過傳導方式的散熱量可占到80％以上。同時，CSP芯片正面向下安裝，可以從背面散熱，且散熱效果良好。例如松下電子開發(fā)的10 mm×10mm CSP的熱阻為35℃／W，而TSOP、QFP的熱阻則可達40℃／W。若通過散熱片強制冷卻，CSP的熱阻可降低到4．2℃／W，而QFP的則為11．8℃／W。

2．6 封裝內無需填料

大多數CSP封裝中凸點和熱塑性粘合劑的彈性很好，不會因晶片與基底熱膨脹系數不同而造成應力，因此也就不必在底部填料，省去了填料時間和填料費用，這在傳統(tǒng)的SMT封裝中是不可能的。

2．7 制造工藝、設備的兼容性好

CSP與現有的SMT工藝和基礎設備的兼容性好，而且它的引腳間距完全符合當前使用的SMT標準(0．5～1 mm)，無需對PCB進行專門設計，而且組裝容易，因此完全可以利用現有的半導體工藝設備、組裝技術組織生產。

3 CSP的分類

目前全球有50多家IC廠商生產各種結構的CSP產品。根據目前各廠商的開發(fā)情況，可將CSP封裝分為下列主要類別：

(1)柔性基板封裝CSP。柔性基板封裝CSP是由日本的NEC公司利用TAB技術研制開發(fā)出來的一種窄間距的BGA，因此也可以稱之為FPBGA。這類CSP封裝的基本結構如圖1所示，截面結構如圖2所示。主要由IC芯片、載帶(柔性體)、粘接層、凸點(銅／鎳)等構成。載帶是用聚酰亞胺和制箔組成。采用共晶焊料(63%Sn一37%Pb)作外部互連電極材料。

其主要特點是結構簡單，可靠性高，安裝方便，可利用傳統(tǒng)的TAB(Tape Automated Bonding)焊接機進行焊接。

(2)剛性基板CSP。剛性基板CSP是由日本的Toshiba公司開發(fā)的一種陶瓷基板超薄型封裝，因此又可稱之為陶瓷基板薄形封裝CSTP（Ceramic Substrate Thin Package)。其基本結構見圖3。它主要由芯片、氧化鋁(Al2O3)基板、銅(Au)凸點和樹脂構成。通過倒裝焊、樹脂填充和打印3個步驟完成。它的封裝效率(芯片與基板面積之比)可達到75％，是相同尺寸的TQFP的2．5倍。

(3)引線框架式CSP。引線框架式CSP是由日本的Fujitsu公司研制開發(fā)的一種芯片上引線的封裝形式，因此也被稱之為LOC(Lead On Chip)形CSP。通常情況下分為Tape-LOC型和MF- LOC型（Mul-ti-frame-LOC)兩種形式，其基本結構如圖4所示。

由圖可知，這兩種形式的LOC形CSP都是將LSI芯片安裝在引線框架上，芯片面朝下，芯片下面的引線框架仍然作為外引腳暴露在封裝結構的外面。因此，不需要制作工藝復雜的焊料凸點，可實現芯片與外部的互連，并且其內部布線很短，僅為0．1 mm左右。

(4)焊區(qū)陣列CSP。焊區(qū)陣列CSP是由日本的Panasonic公司研制開發(fā)的一種新型封裝形式，也被稱之為LGA(Land Grid Array)型CSP，主要由LSI芯片、陶瓷載體、填充用環(huán)氧樹脂和導電粘結劑等組成。這種封裝的制作工藝是先用金絲打球法在芯片的焊接區(qū)上形成Au凸點，然后在倒裝焊時，在基板的焊區(qū)上印制導電膠，之后對事先做好的凸點加壓，同時固化導電膠，這就完成了芯片與基板的連接。導電膠由Pd-Ag與特殊的環(huán)氧樹脂組成，固化后保持一定彈性，因此，即使承受一定的應力，也不易受損。表1示出了其材料結構與一些基本參數。

(5)微小模塑型CSP。微小模塑型CSP是由日本三菱電機公司研制開發(fā)出來的一種新型封裝形式。它主要由IC芯片、模塑的樹脂和凸點等構成。芯片上的焊區(qū)通過在芯片上的金屬布線與凸點實現互連，整個芯片澆鑄在樹脂上，只留下外部觸點。這種結構可實現很高的引腳數，有利于提高芯片的電學性能、減少封裝尺寸、提高可靠性，完全可以滿足儲存器、高頻器件和邏輯器件的高I／O數需求。同時由于它無引線框架和焊絲等，體積特別小，提高了封裝效率。基本結構如圖5所示，凸點斷面圖形如圖6所示。

微小模塑型CSP的制作工藝：首先在LSI芯片上制作連接焊區(qū)和外引腳的金屬布線圖形，制出Pb-Sn焊料浸潤性良好的底層金屬，制出聚酰亞胺緩沖層，在聚酰亞胺開口區(qū)域采用蒸發(fā)光刻方法形成Pb-Sn層；然后，將上述經過再布線的芯片到裝焊在易于移植金凸點的框架上，使之于芯片焊區(qū)一一對應，加熱加壓，Pb-Sn熔化后就使框架上的金屬凸點(一般為Cu)移植到芯片上；最后，模塑封裝，脫模去除毛刺，形成外電極焊球。(6)圓片級CSP。圓片級CSP封裝(Wafer一Level Package)由ChipScale公司開發(fā)的此類封裝見圖5。它是在圓片前道工序完成后，直接對圓片利用半導體工藝進行后續(xù)組件封裝，利用劃片槽構造周邊互連，再切割分離成單個器件。WLP主要包括兩項關鍵技術即再分布技術和凸焊點制作技術。它有以下特點：①相當于裸片大小的小型組件(在最后工序切割分片)；②以圓片為單位的加工成本(圓片成本率同步成本)；③加工精度高(由于圓片的平坦性、精度的穩(wěn)定性)。圓片級CSP的局部結構示意圖如圖7所示。

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與其他各類CSP相比，圓片級CSP只是在IC工藝線上增加了重布線和凸點制作兩部分，并使用了兩層BCB和PI作為介質和保護層，所使用的工藝仍是傳統(tǒng)的金屬淀積、光刻、蝕刻技術，最后也無需模塑或底部下填充其他材料。圓片級CSP從晶圓片開始到做出器件，整個工藝流程一起完成，并可利用現有的標準SMT設備，生產計劃和生產的組織可以做到最優(yōu)化；硅加工工藝和封裝測試可以在硅片生產線上進行而不必把晶圓送到別的地方去進行封裝測試；測試可以在切割CSP封裝產品之前一次完成，因而節(jié)省了測試的開支。總之，WLP成為未來CSP的主流已是大勢所驅。

除以上列舉的幾類封裝結構外，還有許多符合CSP定義的封裝結構形式這里就不再贅述。

4 開發(fā)CSP產品需要解決的技術問題

4．1 CSP產品的標準化問題

CSP是近幾年才出現的一種集成電路的封裝形式，目前已有上百種CSP產品，并且還在不斷出現一些新的品種。盡管如此，CSP技術還是處于發(fā)展的初期階段，因此還沒有形成統(tǒng)一的標準。不同的廠家生產不同的CSP產品。一些公司在推出自己的產品時，也推出了自己的產品標準。這些都嚴重的制約了CSP研發(fā)及市場推廣。目前，我國乃至全球CSP產品迫切需要在外型尺寸、電特性參數和引腳面積等方面標準化，有了統(tǒng)一的標準，設計人員不必進行個體設計，大大縮短產品推向市場的時間，節(jié)約了成本。

4．2 CSP產品的封裝技術問題

在CSP中，集成電路芯片焊盤與封裝基片焊盤的連接方式主要有3種：倒裝片鍵合、TAB鍵合、引線鍵合，因此，開發(fā)CSP產品需要開發(fā)的封裝技術就可以分為3類。

4．2．1 開發(fā)倒裝片鍵合CSP產品需要開發(fā)的封裝技術

(1)二次布線技術。二次布線，就是把IC的周邊焊盤再分布成間距為200 um米左右的陣列焊盤。在對芯片焊盤進行再分布時，同時也形成了再分布焊盤的電鍍通道。

(2)凸點形成(電鍍金凸點或焊料凸點)技術。在再分布的芯片焊盤上形成凸點。

(3)倒裝片鍵合技術。把帶有凸點的芯片面朝下鍵合在基片上。

(4)包封技術。包封時，由于包封的材料厚度薄，空洞、裂紋的存在會更嚴重地影響電路的可靠性。因此，在包封時要減少甚至避免孔洞、裂紋的出現。另外，還要提高材料的抗水汽滲透能力。因此，在CSP產品的包封中，不僅要提高包封技術，還要使用性能更好的包封材料。

(5)焊球安裝技術。在基片下面安裝焊球。

4．2．2 開發(fā)引線鍵合CSP產品需要開發(fā)的封裝技術

目前，有不少的CSP產品(40％左右)是使用引線鍵合技術來實現芯片焊盤和封裝外殼引出焊盤間的連接的。開發(fā)引線鍵合CSP產品需要開發(fā)如下一些封裝技術。

(a)短引線鍵合技術。在基片封裝CSP中，封裝基片比芯片尺寸稍大(大l mm左右)；在引線框架CSP中，引線框架的鍵合焊盤伸到了芯片上面，在鍵合時，鍵合線都很短，而且弧線很低。而在鍵合引線很短時，鍵合引線的弧線控制很困難。

(b)包封技術。在引線鍵合CSP的包封中，不僅要解決倒裝片CSP包封中的有關技術問題，還要解決包封的沖絲問題。

(c)焊球安裝技術。

4．2．3 開發(fā)TAB鍵合CSP產品需要開發(fā)的封裝技術

(a)TAB鍵合技術；

(b)包封技術；

(c)焊球安裝技術。

4．2．4 開發(fā)圓片級CSP產品需要開發(fā)的新技術

(a)二次布線技術；

(b)焊球制作技術；

(c)包封技術；

(d)圓片級測試和篩選技術；

(e)圓片劃片技術。

4．3 與CSP產品相關的材料問題

4.3.1 CSP產品的封裝基片

在CSP產品的封裝中，需要使用高密度多層布線的柔性基片、層壓樹脂基片、陶瓷基片。這些基片的制造難度相當大。要生產這類基片，需要開發(fā)相關的技術。同時，為了保證CSP產品的長期可靠性，在選擇材料或開發(fā)新材料時，還要考慮到這些材料的熱膨脹系數應與硅片的相匹配。

4.3.2 包封材料

由于CSP產品的尺寸小，在產品中，包封材料在各處的厚度都小。為了避免在惡劣環(huán)境下失效，包封材料的氣密性或與被包封的各種材料的黏附性必須良好；有好的抗潮氣穿透能力，與硅片的熱膨脹匹配；以及一些其它的相關性能。

4．4 CSP的價格問題

CSP產品的價格也是一個重要的問題。目前，CSP產品的價格都比較貴，是一般產品的1倍以上。為了降低價格，需要開發(fā)一些新工藝、新技術、新材料，以降低制造成本，從而降低CSP的價格。

4．5 組裝CSP產品的印制板問題

組裝CSP產品的印制板，其制造難度是相當大的，它不僅需要技術，而且需要經驗，還要使用新材料。目前，世界上只有為數不多的幾個廠家可以制造這類印制板。主要困難在于：布線的線條窄，間距窄，還要制作一定數量的通孔，表面的平整性要求也較高。在選擇材料時還要考慮到熱膨脹性能。

4．6 CSP產品的市場問題

CSP技術剛形成時產量很小，1998年才進入批量生產，但近兩年的發(fā)展勢頭則今非昔比，2002年的銷售收入已達10．95億美元，占到IC市場的5％左右。國外權威機構"Electronic Trend Publications"預測，全球CSP的市場需求量2003年為64．81億枚，2004年為88．7l億枚，2005年突破了百億枚大關，達103．73億枚，2006年更可望增加到126．71億枚。尤其在存儲器方面應用更快，預計年增長幅度將高達54．9％。目前，國內的CSP市場完全被外國公司和外資企業(yè)控制，國內企業(yè)產品要進入這個市場也是相當困難的。要進入CSP市場，首先是要開發(fā)出適銷對路的產品，其次是要提高和保持產品的質量，還須供貨及時，且價格要低。

5 關于開發(fā)我國CSP技術的幾點建議

CSP技術是為產品的更新換代提出來的，該技術一開發(fā)成功，即用于產品中。經過短短幾年，已成為集成電路重要的封裝技術之一。而且，該技術還在迅速發(fā)展。近幾年，CSP產品的產量增長很快，預計在今后的幾年，還將高速增長。目前的PC市場容量達1000億只，CSP產品僅占IC市場的1／20。隨著CSP技術的進一步開發(fā)，會越來越多地取代其它產品而占領更多的市場份額。

在我國，CSP的市場(手機、掌上電腦、薄型電腦等等)很大。但是，這個市場目前完全被外資公司占據。隨著CSP產品應用范圍的進一步擴大，市場還將增大。因此急需開發(fā)我們自己的CSP技術，以便在該市場上占有一席之地。但是，開發(fā)CSP技術，困難很多，它涉及的范圍廣、技術難度大。因此，要開發(fā)CSP技術，需要有多家單位協(xié)同作戰(zhàn)，同時須獲得多方面資金的支持。為此，作者有如下幾點建議：

(1)充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的作用

CSP技術是一項系統(tǒng)技術，涉及封裝材料、封裝工藝、應用材料、應用工藝等，為了完成CSP技術的開發(fā)，需要材料研究、材料制造、封裝研究、CSP產品應用、印制板制造等相關機構的協(xié)同努力。為了協(xié)調這些機構的開發(fā)研究工作，需要充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會領導、推動、協(xié)調、督查的作用，以期加快CSP的開發(fā)研究和推廣應用，使我國CSP產品的生產質量和能力得到迅速提高，從而可生產出高質量、高可靠性的CSP產品，滿足國內市場及軍事方面的應用。

(2)建立CSP技術重點研究室

為了開發(fā)CSP技術，可建立一定數量的CSP技術研究室，如：模塑包封材料研究室、柔性基片材料研究室、高密度樹脂基片研究室、高密度多層布線陶瓷基片研究室、CSP產品封裝研究室、高密度印制板研究室、CSP產品組裝研究室、CSP標準化研究室、CSP產品可靠性研究室等。而且，一種類型的研究室應有兩個以上，以使研究室之間互相競爭和互相促進，從而可保證和加快CSP技術的開發(fā)和應用。

(3)需要國家投入足夠的資金

CSP技術，是一項具有一定難度的高新技術。其中部分技術我們已有，但需要提高；而有些技術我們目前還沒有，需要開發(fā)。要實現這些技術的開發(fā)，需購買先進的設備，而這些設備價格均較高，且在開發(fā)中，需要投入一定的人力和物力；根據國情，如將所有資金均由開發(fā)單位承擔，目前還不現實，因此需要國家投入專項資金，以扶持CSP技術的開發(fā)。

(4)選擇合適的CSP研究品種

由于CSP的封裝種類多、工藝也多，每一種封裝工藝都開發(fā)現在還不可能，也沒有必要。要選擇 由易到難且具有代表性的品種逐步漸進地開發(fā)。

6 結束語

我國的集成電路封裝，從上世紀60年代末期到現在，經歷了金屬圓管殼→扁平陶瓷管殼→雙列陶瓷管殼、雙列塑封→陶瓷QFP管殼、塑料QFP→陶瓷、塑料LCC→陶瓷PGA管殼的封裝，目前正在進入BGA、U BGA、CSP的封裝階段。從集成電路的金屬圓管殼封裝技術的開發(fā)和應用開始，我國的封裝技術人員就付出了辛勤的勞動，使我國的封裝技術達到了目前的水平。但是封裝技術的進步，除了封裝技術人員的努力外，更需要國家在各方面的大力支持

編輯：黃飛

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