组装的作用和封装技术的关系重点.doc

组装的作用和封装技术的关系对于“组装技术”，以往我们只是狭义地加以理解，认为它是一种关于接合和装配的生产技术。但是，当我们对产业今后的发展方向有了深入的了解后，应该把“组装技术”提到一个新的高度加以认识，因为它已经成为实现高度多样化的电子信息产品的关键性技术。关于组装技术的未来作用，可以归纳为如下几类：1、使元器件/IC正常工作，充分发挥它们的功能；2、保证所有部件之间的信息正常交换，以便实现作为功能部件的效能；3、把多个功能部件之间有机结合，实现作为系统设备的功能；4、系统和使用系统的人之间的信号交换，也就是说建立合适的人机接口；5、作为商品，利用组装增添诱人的魅力，从而提高市场竞争能力。上述的1、2两项，与以往的认识没有什么不同；然而，另外3项的作用，作为今后组装技术的应用目标，必须引起我们的重视。为了把这种组装技术分解成为要素技术加以掌握，利用“组装层级”的概念是有益的。组装层级表示的是用于实现系统功能的LSI器件、封装、模块和系统等的实际层次和该层次的技术领域。组装层级和半导体封装技术的关系，请参阅图1所示。通常，把组装层级用级别数字加以表示。图1：组装层级和半导体封装技术的关系半导体封装技术包括组装层级的级别1和级别2；其中，级别1是指在LSI器件上形成再布线层或外部引脚，如形成面焊盘和LSI内部门电路的I/O端连接再布线等技术领域。级别2是指LSI器件的封装级，如像内置互连基板，LSI的接合以及密封等技术领域，其主要是承担上述的1、2两项的作用。随着电子信息产品的高速、多功能化和轻便小型化的发展，35项的作用变得愈来愈重要。封装技术的现状和发展动向为了满足电子信息产品的功能要求，就要充分发挥出半导体器件的性能。不难想象，半导体封装技术所起的作用将与日俱增，因此，半导体封装形式发展迅速（详见图2所示）。如像以往是利用QFP或TSOP等外围引脚型封装形式；现在则是以BGA等焊球引脚封装形式为主流；MCP和SIP将在今后日益普及起来。图2 LSI封装形式的发展半导体封装所承担的基本功能，可以简单地概括为如下4个方面： A、芯片保护功能； B、实现电功能； C、提高处理性能和组装接口的标准化； D、冷却散热功能。上述几个方面今后也不会改变，但是所要求的具体内容将会发生变化。一方面要满足这些要求，更重要的是优化出满意的性能/价格比。芯片保护随着LSI封装的薄小轻便化，密封水平从严密的气密型向简易的树脂型发展。封装尺寸小型、薄型和多级层叠结构化的进展，导致在封装领域里出现许多重要研究课题，诸如，芯片保护、保持可靠性，进而减少电路板组装后的应力乃至确保接合可靠性等。实现电功能 随着LSI电路芯片的功耗增加和电路高速化，正确的信号波形输入/输出、稳定的电源火线和地线系统以及降低电磁干扰的重要性与日俱增，特别是降低电源地线上的电感、直流电阻以及寄生电容尤为重要。关于信号布线，力求增加输入/输出端数目、减少布线长度、寻求阻抗匹配和削减LCR的离散。为了实现上述要求，LSI电路设计和相关联的封装设计以及电路板设计，都愈来愈重要起来。提高处理性能和组装接口标准化已成为主流的焊球引脚封装形式，其材料和结构等将会复杂和多样化，仅是依靠以往的技术是绝对不行的。例如，对于焊球焊接后的检测技术，电路板组装后的结合部分检查和薄型封装的处理等都成为有待研究的课题。今后，焊球引脚封装形式的间距、尺寸、材料等的电路板组装和接口的标准化，都成为重要因素。冷却散热功能作为今后的发展方向，在面向大多数产品的LSI电路芯片里，电力消耗有所增长。当LSI的功耗约在23W以上时，在封装上安装散热片或者散热器，冷却散热功能成为应当强化的领域。若LSI的功耗在510W以上时，则必须强制冷却；一旦LSI功耗在50W到100W以上时，空气冷却技术已到了极限。针对这样的发展动向，冷却散热是必须研究的项目。主要封装技术的发展趋势电子信息产品的规模或功能是形形色色的，它们所使用的LSI功能和集成度也都不一样，LSI引脚数目也因用LSI的产品而不尽相同。今后的LSI电路的引脚数目逐渐增长，详见图3所示。图3 LSI封装引脚数目变化预测从图3可知，LSI的集成度（门电路个数）增加，相应地LSI引脚数也将增加。逻辑部件里的门电路数和I/O端个数的关系，遵循Roent法则，可用P=KG墓叵凳奖硎尽诒泶锸街校琍是连接到逻辑部件上的外部信号线数目，G表示逻辑部件里的门电路个数，K是比例系数，荝oent常数。通过改变常数值，包括存储器电路在内的各种LSI电路，都可用P=KG表达式。LSI引脚数目是确定封装形式和组装方式的重要因素之一。作为今后主要的半导体封装形式，分3种加以考察，详见图4所示。也就是说，超小型封装、超多引脚封装和多芯片封装MCP共计3种封装形式。所讨论的发展趋势也是围绕着这3种封装形式展开的。图4 主要封装技术的发展趋势超小型封装关于超小型封装的形式，对象产品、技术动向和研究课题分别如表1所示。作为封装对象的LSI是存储器、消费电子产品和便携式产品用LSI。对于存储器LSI的封装，今后几乎是向100引脚以下的封装形式发展。消费电子产品用LSI，向单片系统（System On a chip）方向迈进，其引脚数目几乎是维持在200300左右。便携式产品用LSI，为提高性能向多引脚封装形式发展，为了小型化，引脚数目也受到了限制。双方制衡的结果是其引脚数目不可能大幅度增加；可以预测，引脚数目为300左右的LSI将成为主流封装形式。表1 超小型封装领域存储器芯为了实现低成本竞争，反复压缩芯片面积，对于批量生产的存储器芯片，其面积一般控制在100mm2以下。在引脚数目40以下的领域里，即使是TSOP型封装，尺寸也不比芯片尺寸大很多，使用BGA型封装显不出优势来。但是，若是对于引脚数目在40以上的产品，为了实现芯片尺寸封装，作为BGA型封装是有利的。对于逻辑电路芯片，引脚数目在100300之间时，利用QFP型封装已经是很大的，所以必须采用BGA封装形式。特别是一旦引脚数达到300以上时，即使是0.80.5mm的引脚间距，同芯片尺寸相比，封装尺寸仍然是相当大的。因此，今后引脚的间距一定会向细间距方向发展，特别是在CSP领域里，预计将要使用0.4mm0.3mm的间距，详情如图5所示。图5 LSI封装外部引脚间距变化预测为了同时适应多引脚数和小型化需求，从能够得到更多引脚的方面考虑，选用焊球引脚封装形式是有利的。但是，从把焊球安装到基板上的观点考虑，焊球引脚封装形式将带来诸多问题，如基板布线困难，迫使基板多层化等。超多引脚封装 关于超多引脚封装形式、对象产品、技术动向和课题的概要情况，分别如表2所示。OA机器（中规模系统）用LSI封装，虽然已超过500个引脚，但是，由于要提高数据处理能力（带宽）不得不增加信号引脚，用于屏蔽干扰和馈电的电源地线的引脚也持续增长，可以预计，在不久的将来，封装引脚数目达到1000以上将是主流封装形式。高性能机器（高档系统）用LSI，因为性能具备最高优先权，预计封装的引脚数目将达到3000到10000之间。表2 超多引脚封装领域超多引脚封装之所以选择BGA封装结构，不仅是适应多引脚而且也是为了适应高功耗和高速度要求。今后不仅是高档系统，即使是在OA机器里，LSI电路之间的信号传送频率也将跨入GH2区域（参阅图6）。因此，布线电阻在高频电流流过时产生压降问题或布线的传播延迟等问题，都显现了出来。图6 LSI芯片之间信号传送频率变化预测当进行具体分析时发现，供电电源低的情况下，LSI功耗很大（每W消耗的电流很大），由于布线精细化导致封装内布线电阻增大，同步信号数量增大和高速度（SSO噪声干扰），电源/地线寄生电感问题，器件内外布线延迟和干扰等诸多问题都有待研究。作为对策，必须竭力缩短器件内部和封装内的电源/地线和信号布线长度，FC BGA封装最适宜。LSI的I/O部分设计和封装设计，都必须在3维解析的基础上开展设计活动。多芯片封装关于多芯片封装形式，对象产品、技术动向和课题，参见表3所示。作为便携式产品，如移动电话手机，对采用多芯片封装（MCP）或堆层封装结构非常积极。对于堆层CSP来说，早在1998年时就出现了两芯片堆叠的CSP，紧接着于1999年开始实现了商品化。2000年以后，在移动电话或信息通信终端里正式开始应用，2001年时已有4芯片堆叠的产品上市。芯片的接合方法，虽说引线键合是主流工艺，但是FC技术也刚开始实用化，可以预测今后这两种技术混用的情况将会增加。堆层的CSP结构实现了降低组装面积和轻便化的目标；而在功能方面，实现新一代大容量复合存储器，或把控制用LSI、快闪存储器和SRAM在单个封装里构成高功能系统LSI也是可能的。可以预计，今后作为混合装配不同种类器件的SIP将会实用化。开发用于SIP的基本技术如下： 构筑SIP的设计/模拟环境 （A.平面图；B.信号完整性；C.热设计等）； SIP结构工艺技术（A.精细多层布线技术；B.精细多引脚接合技术；C.芯片再布线、超薄形研磨芯片/粘合技术等）； 检测技术（A.简易测试技术；b.裸芯片检测技术；C.可靠性研究等）。人们殷切地期望上述的各项技术开发尽快进入实用化阶段。表3 多芯片封装领域今后课题作为今后的半导体封装课题，不仅是封装结构自身的开发，而且把器件安装到电路板上的工艺也成为最为关键的部分。这是因为布线板的精细化进展不能适应随着LSI工艺规则精细化/高集成度化而带来的LSI引脚间距缩小或引脚数目急剧增长的要求。例如，若比较308脚IC的封装尺