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(lián)合電子器件工程委員會)的JSTK一012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯片面積的120%的產(chǎn)品稱之為CSP。CSP技術(shù)的出現(xiàn)確保VLSI在高性能、高可靠性的前提下實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)和研發(fā)等幾個方面詳細論述這種先進的封裝技術(shù)，并對我國CSP技術(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)最多

在各種相同尺寸的芯片封裝中，CSP可容納的引腳數(shù)最多，適宜進行多引腳數(shù)封裝，甚至可以應(yīng)用在I／0數(shù)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(shù)最多為304根，若要增加引腳數(shù)，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(shù)極限；與CSP相提并論的是BGA封裝，它的引腳數(shù)可達600～1000根，但值得重視的是，在引腳數(shù)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(nèi)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(guān)噪聲只有DIP(雙列直插式封裝)的1／2。這些主要電學(xué)性能指標(biāo)已經(jīng)接近裸芯片的水平，在時鐘頻率己超過雙G的高速通信領(lǐng)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(xiàn)

MCM技術(shù)是當(dāng)今最高效、最先進的高密度封裝之一，其技術(shù)核心是采用裸芯片安裝，優(yōu)點是無內(nèi)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(dǎo)致成品率相當(dāng)?shù)?，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(chǎn)生的熱量可以很容易地傳導(dǎo)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(jié)果表明，通過傳導(dǎo)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(nèi)無需填料

大多數(shù)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(shù)不同而造成應(yīng)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(shè)備的兼容性好

CSP與現(xiàn)有的SMT工藝和基礎(chǔ)設(shè)備的兼容性好，而且它的引腳間距完全符合當(dāng)前使用的SMT標(biāo)準(zhǔn)(0．5～1 mm)，無需對PCB進行專門設(shè)計，而且組裝容易，因此完全可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝設(shè)備、組裝技術(shù)組織生產(chǎn)。

3 CSP的分類

目前全球有50多家IC廠商生產(chǎn)各種結(jié)構(gòu)的CSP產(chǎn)品。根據(jù)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(shù)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(jié)構(gòu)如圖1所示，截面結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)見圖3。它主要由芯片、氧化鋁(Al2O3)基板、銅(Au)凸點和樹脂構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的外面。因此，不需要制作工藝復(fù)雜的焊料凸點，可實現(xiàn)芯片與外部的互連，并且其內(nèi)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(dǎo)電粘結(jié)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(dǎo)電膠，之后對事先做好的凸點加壓，同時固化導(dǎo)電膠，這就完成了芯片與基板的連接。導(dǎo)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(yīng)力，也不易受損。表1示出了其材料結(jié)構(gòu)與一些基本參數(shù)。

(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(gòu)成。芯片上的焊區(qū)通過在芯片上的金屬布線與凸點實現(xiàn)互連，整個芯片澆鑄在樹脂上，只留下外部觸點。這種結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)很高的引腳數(shù)，有利于提高芯片的電學(xué)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(shù)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?；窘Y(jié)構(gòu)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(jīng)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(yīng)，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(dǎo)體工藝進行后續(xù)組件封裝，利用劃片槽構(gòu)造周邊互連，再切割分離成單個器件。WLP主要包括兩項關(guān)鍵技術(shù)即再分布技術(shù)和凸焊點制作技術(shù)。它有以下特點：①相當(dāng)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)，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(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)SMT設(shè)備，生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品之前一次完成，因而節(jié)省了測試的開支?？傊琖LP成為未來CSP的主流已是大勢所驅(qū)。

除以上列舉的幾類封裝結(jié)構(gòu)外，還有許多符合CSP定義的封裝結(jié)構(gòu)形式這里就不再贅述。

4 開發(fā)CSP產(chǎn)品需要解決的技術(shù)問題

4．1 CSP產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化問題

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

4．2 CSP產(chǎn)品的封裝技術(shù)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(chǎn)品需要開發(fā)的封裝技術(shù)就可以分為3類。

4．2．1 開發(fā)倒裝片鍵合CSP產(chǎn)品需要開發(fā)的封裝技術(shù)

(1)二次布線技術(shù)。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(shù)。在再分布的芯片焊盤上形成凸點。

(3)倒裝片鍵合技術(shù)。把帶有凸點的芯片面朝下鍵合在基片上。

(4)包封技術(shù)。包封時，由于包封的材料厚度薄，空洞、裂紋的存在會更嚴(yán)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(xiàn)。另外，還要提高材料的抗水汽滲透能力。因此，在CSP產(chǎn)品的包封中，不僅要提高包封技術(shù)，還要使用性能更好的包封材料。

(5)焊球安裝技術(shù)。在基片下面安裝焊球。

4．2．2 開發(fā)引線鍵合CSP產(chǎn)品需要開發(fā)的封裝技術(shù)

目前，有不少的CSP產(chǎn)品(40％左右)是使用引線鍵合技術(shù)來實現(xiàn)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(chǎn)品需要開發(fā)如下一些封裝技術(shù)。

(a)短引線鍵合技術(shù)。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(shù)。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(guān)技術(shù)問題，還要解決包封的沖絲問題。

(c)焊球安裝技術(shù)。

4．2．3 開發(fā)TAB鍵合CSP產(chǎn)品需要開發(fā)的封裝技術(shù)

(a)TAB鍵合技術(shù)；

(b)包封技術(shù)；

(c)焊球安裝技術(shù)。

4．2．4 開發(fā)圓片級CSP產(chǎn)品需要開發(fā)的新技術(shù)

(a)二次布線技術(shù)；

(b)焊球制作技術(shù)；

(c)包封技術(shù)；

(d)圓片級測試和篩選技術(shù)；

(e)圓片劃片技術(shù)。

4．3 與CSP產(chǎn)品相關(guān)的材料問題

4.3.1 CSP產(chǎn)品的封裝基片

在CSP產(chǎn)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(dāng)大。要生產(chǎn)這類基片，需要開發(fā)相關(guān)的技術(shù)。同時，為了保證CSP產(chǎn)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(shù)應(yīng)與硅片的相匹配。

4.3.2 包封材料

由于CSP產(chǎn)品的尺寸小，在產(chǎn)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(guān)性能。

4．4 CSP的價格問題

CSP產(chǎn)品的價格也是一個重要的問題。目前，CSP產(chǎn)品的價格都比較貴，是一般產(chǎn)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(shù)、新材料，以降低制造成本，從而降低CSP的價格。

4．5 組裝CSP產(chǎn)品的印制板問題

組裝CSP產(chǎn)品的印制板，其制造難度是相當(dāng)大的，它不僅需要技術(shù)，而且需要經(jīng)驗，還要使用新材料。目前，世界上只有為數(shù)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(shù)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(chǎn)品的市場問題

CSP技術(shù)剛形成時產(chǎn)量很小，1998年才進入批量生產(chǎn)，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(quán)威機構(gòu)"Electronic Trend Publications"預(yù)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(guān)，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(yīng)用更快，預(yù)計年增長幅度將高達54．9％。目前，國內(nèi)的CSP市場完全被外國公司和外資企業(yè)控制，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品要進入這個市場也是相當(dāng)困難的。要進入CSP市場，首先是要開發(fā)出適銷對路的產(chǎn)品，其次是要提高和保持產(chǎn)品的質(zhì)量，還須供貨及時，且價格要低。

5 關(guān)于開發(fā)我國CSP技術(shù)的幾點建議

CSP技術(shù)是為產(chǎn)品的更新?lián)Q代提出來的，該技術(shù)一開發(fā)成功，即用于產(chǎn)品中。經(jīng)過短短幾年，已成為集成電路重要的封裝技術(shù)之一。而且，該技術(shù)還在迅速發(fā)展。近幾年，CSP產(chǎn)品的產(chǎn)量增長很快，預(yù)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(chǎn)品僅占IC市場的1／20。隨著CSP技術(shù)的進一步開發(fā)，會越來越多地取代其它產(chǎn)品而占領(lǐng)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(jù)。隨著CSP產(chǎn)品應(yīng)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(shù)，以便在該市場上占有一席之地。但是，開發(fā)CSP技術(shù)，困難很多，它涉及的范圍廣、技術(shù)難度大。因此，要開發(fā)CSP技術(shù)，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(shù)是一項系統(tǒng)技術(shù)，涉及封裝材料、封裝工藝、應(yīng)用材料、應(yīng)用工藝等，為了完成CSP技術(shù)的開發(fā)，需要材料研究、材料制造、封裝研究、CSP產(chǎn)品應(yīng)用、印制板制造等相關(guān)機構(gòu)的協(xié)同努力。為了協(xié)調(diào)這些機構(gòu)的開發(fā)研究工作，需要充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會領(lǐng)導(dǎo)、推動、協(xié)調(diào)、督查的作用，以期加快CSP的開發(fā)研究和推廣應(yīng)用，使我國CSP產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和能力得到迅速提高，從而可生產(chǎn)出高質(zhì)量、高可靠性的CSP產(chǎn)品，滿足國內(nèi)市場及軍事方面的應(yīng)用。

(2)建立CSP技術(shù)重點研究室

為了開發(fā)CSP技術(shù)，可建立一定數(shù)量的CSP技術(shù)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(chǎn)品封裝研究室、高密度印制板研究室、CSP產(chǎn)品組裝研究室、CSP標(biāo)準(zhǔn)化研究室、CSP產(chǎn)品可靠性研究室等。而且，一種類型的研究室應(yīng)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(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

(3)需要國家投入足夠的資金

CSP技術(shù)，是一項具有一定難度的高新技術(shù)。其中部分技術(shù)我們已有，但需要提高；而有些技術(shù)我們目前還沒有，需要開發(fā)。要實現(xiàn)這些技術(shù)的開發(fā)，需購買先進的設(shè)備，而這些設(shè)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(jù)國情，如將所有資金均由開發(fā)單位承擔(dān)，目前還不現(xiàn)實，因此需要國家投入專項資金，以扶持CSP技術(shù)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(xiàn)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(jié)束語

我國的集成電路封裝，從上世紀(jì)60年代末期到現(xiàn)在，經(jīng)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(shù)的開發(fā)和應(yīng)用開始，我國的封裝技術(shù)人員就付出了辛勤的勞動，使我國的封裝技術(shù)達到了目前的水平。但是封裝技術(shù)的進步，除了封裝技術(shù)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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