在为新产品选用芯片级封装方式时,唯一的方法就是进行多方面比较选择,对目前的各种封装技术进行深入了解将有助于做出正确的决定。
- 封装技术的变革
- 芯片级封装分类
- 选择芯片级封装
- 小结
作者:Joseph Fjelstad
Pacific Consultants
如今的印刷线路设计人员在考虑采用IC封装时可以有很多种选择,这也表明随着人们对电子产品低成本小型化的需求不断增长,电子封装技术正进入一个迅猛发展时期。尽管变革是大势所趋,但它也可能使人感到困惑。那就是面对众多选择,如何才能知道所用的是最好的呢？本文将尽量为设计人员提供更多信息,以便让他们作出正确的抉择,并确信所选用的就是最佳封装方案。
半导体制造商以及封装供应商们都希望为业界提供成本尽可能低的封装方式,同时又要保持较高的性能和利润,这可能是一个很大的难题。很多时候,为了满足客户在价格上的要求,封装供应商不得不作出一些重大让步,然而不幸的是通常都是在可靠性方面进行让步。
做出这种折衷的根本原因是实现高可靠性费用太高,其论据是产品的生命周期与过去相比已经大为缩短,所以可靠性就没有那么重要了。这个论点听起来似乎很有道理,但是假如我们自己恰巧就是那个产品的用户会有什么样的感受呢？所以可靠性通常都处于比较重要的地位。幸运的是,只要稍加努力,设计人员还是可以做出可靠性和价格同时都能满足要求的产品。
封装技术的变革
在了解芯片级封装技术的发展历史之前,至少应该对IC封装有个大概的了解。多年来IC封装一直不大受重视,就在不久以前,它还只是被看作由金属引脚框架、一些精密引线以及密封包装组成的线路连线转换装置,封装大概仅仅在基材和装配技术无法充分满足成本要求时才被采用。因此传统观念认为,IC封装只是为半导体服务的一项技术,只提供很少的附加值。但是,这一观点正在发生根本的转变。
今天,封装技术占据的地位越来越重要,尤其是现代电子工业已发展到芯片级封装(CSP)时代。正如一些专家指出,现在已经可以清楚地看到半导体技术的物理极限,例如经计算可知,使用0.25μm线径的线路最大有效传输距离是3mm2范围,因此在当前的大面积芯片上,信号必须经过放大重放才能传送到更远的地方。
这个简单的事实告诉我们,封装技术必须要扮演更重要的角色,完成过去只能由半导体技术实现的功能。因此,IC封装因为能提供更大价值而被重新考虑,同时封装技术也成为硅片设计人员克服难题的一种非常重要的手段。
芯片级封装分类
据报道目前全球开发使用的CSP超过60种,在这种情况下,初看起来要想非常准确地选择一种封装方式实在是让人望而生畏。但是如果先花些时间对不同方案进行分类,并就特点、属性、可用性以及功能等进行比较,问题就简单多了。选择封装方案时需要考虑的内容包括:
?I/O接口位置 多年来I/O接口一直位于芯片的边缘部分,但从二十世纪八十年代末开始,业界普遍认识到了面阵列I/O方案的优点并加以应用。随着I/O数量增加,用面阵列方式可使引脚间距更宽,从而提供更好的I/O间隔距离；与外围引脚方式相比它占用面积小,而且在线路板装配过程中成品率更高。因此大多数CSP都采用面阵列形I/O,但对于I/O数量较少的芯片级封装器件来说,只要引脚间距不是太小,还是可以用外围引脚方式。
?内部互联方式 邦定、焊接、导电胶、TAB引脚邦定以及芯片表面覆层再分布等技术都可以用于制作芯片级封装,每种方法在使用性能和成本方面都具有不同的优缺点。内部连接方式对可靠性和电气性能具有重要意义,例如倒装芯片中使用的小焊球可提供很好的电气性能,但在可靠性方面可能就有问题。
?基本结构 CSP可以采用几种基本结构,包括引脚框或修正型引脚框(图1)、有机层板(如印刷线路板)、柔性层板(图2)以及硅片结构等。倒装芯片是一种大家都熟知的硅片结构代表产品,它可以单独应用再分布互连技术,并且和层压基材一起制成CSP。同样需要强调的是,各种封装方式都有优缺点,在性能和可靠性方面也各不相同。
下面是选用CSP时应考虑的一些原则:
?电气性能 与大多数过去产品相比,CSP因为尺寸小,所以通常都有良好的电气性能。但是随着性能升级,过去不同封装方式在电性能方面的细微差别会变得突出起来。例如Rambus存储器结构由于性能要求非常独特,就只有少数几种方案才可以做到,像Tessera公司开发的μBGA CSP技术就是大家十分熟悉的一个例子。
?机械兼容性 硅片和标准印刷线路板在材料性质方面差异巨大,最大差别是热膨胀系数(CTE)。 如果CTE问题处理不当就会产生焊点断裂或其它更严重的缺陷,从而影响产品的可靠性。过去,封装内长长的引脚完全可以抵消CTE问题,但是随着封装方式达到或接近芯片尺寸规格,CTE之间的差异必须要用某种方式进行处理。可选方案包括用更大一点的焊球、使用空I/O以增加引脚数量以及使用底部填充或特殊的专用工艺(如在硅片和I/O之间添加缓冲层)等。
?对裸片尺寸缩小的适应性 人们也许会考虑CSP技术能否可以在I/O形式保持不变的情况下缩小裸片尺寸,由于这是关系产品生命周期的决定性因素,因此非常重要。如果因为下一代封装缩小到比裸片尺寸还小而使得CSP需要不断地改变I/O的位置,那么所有后续部分就又得要重新设计。比如倒装芯片在转向CSP时就有这样一个缺点。
?α粒子散射防护性 α粒子就是氦原子核,它是放射性元素衰变的一种副产品,一般在铅或其他焊料合金里经常会发现,α粒子会随机地使晶体管门开或关而造成软性缺陷。过去这主要是存储器芯片里出现的问题,现在由于其它器件的芯片尺寸不断减小也变得越来越严重。通过在裸片表面的活跃区域覆以保护材料可以很好地解决这个问题。
?工业标准适用性 在大多数行业里设计和结构标准紧密相关,标准化封装可以使设计人员直接采用不同供应商生产的产品而不必再重新设计。但是有些封装技术,如直接倒装芯片产品似乎永远不会有统一标准,主要是因为芯片领域的竞争非常激烈,尺寸方面很小的差异都会为半导体厂商带来巨大经济回报。因此倒装芯片常用于制作CSP,而其标准仍在设立中。
?与产业结构的兼容性 这里所说的电子产业结构包括电子产品中常见的各个要素。由于封装几乎处于整个电子产品结构的最顶层,所以它对所有后续环节都会有影响,包括印刷线路板设计、制造和装配等。如果引脚间距非常小或在装配时需要用类似底部填充之类的特殊工艺,那么产量和成本都会因此受到影响。
?价格 由于器件成本在电子组装产品中占有相当大的比例,因此其价格总是备受关注。采用CSP可以减少对PCB面积的要求,使得PCB更小,这样产品的体积也更小并且使用的原材料也更少,从而节省了成本。不过在只对封装进行观察时,会发现各种封装之间的成本差别非常小,不像做成成品以后相差那么远。因此产品的成本应该在装配完成以后计算,而不是在最初,因为一些特殊工艺如底部填充等会增加装配成本,这些都应该在成本分析中加以考虑。
显然还可以在上述内容中增添一些设计人员其他专用重要项目,但作为简要介绍,上面几条也完全足够。标准选定以后,还可以画一个图来帮助进行选择。
选择芯片级封装
在选择芯片级封装方案时应该考虑上面提到的(或者其他一些)分类标准。有时候某些标准不在考虑范围之内也是有原因的,通常是由于对设计的产品有不同要求,比如有些封装可靠性不一定高但成本确实很低。为降低成本而牺牲可靠性必须要非常小心,如果为了节省一两分钱而使公司或产品的信誉受损则得不偿失。不管选用哪种标准都要列出一个对比清单,并用这个清单生成不同封装方式的比较表。需要注意的是不同的产品总体分类方法会产生多种可能性,因此建议对每种候选封装类型进行仔细研究。
小结
芯片级封装可以让PCB设计人员大大降低产品成本并且提高性能和可靠性,但是设计人员必须非常了解市面上不同CSP产品的主要区别。折衷对设计完整性而言始终是一个威胁,设计人员的职责就是对所有方案进行全面分析,确保得到尽可能最好的设计方案实现最大产品价值。
Joseph Fjelstad是Pacific Consultants公司合伙人,在微电子领域和互联领域已有超过25年的工作经验。该公司位于美国加尼福利亚,主要业务范围包括产品工程研究和分析等。
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