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    芯片级产品(Die products)的出现，为MCM技术的大规模应用开辟了道路。在便携式系统(如笔记本电脑、移动电话等)和掌上系统(如PDA、XBOX等)中，为了使系统在具有更多功能的同时兼具小、轻、薄和可靠性高等特点，采用芯片级产品的MCM组装技术的优势逐渐显露出来。采用芯片级产品的MCM与传统的SMD(表面贴装器件)相比，成本更低；与现今先进的SOC(片上系统)相比，则大大缩短了产品研发周期，从而可赢得产品的上市时间。

    芯片级产品(无包封和圆片级封装产品)是描述IC器件的术语，它是真正意义上的“芯片尺寸”封装。WLP(圆片级封装)、传统的COB(板上芯片)和倒装芯片(FC)器件均可属于芯片级产品。现在，芯片级产品可以以封装IC途径出现在市场上。

    2 芯片级产品的优势

    在当今信息时代，越来越多的电子器件应用于汽车、计算机、通讯、娱乐等领域。在这些应用中，人们对电子器件的功能要求越来越多、性能越来越高的同时还希望产品拥有更小的体积、更轻的重量、更实惠的价格以及更高的可靠性，这就要求电子器件向着多功能、高性能、小型化和轻便化的方向发展。使用芯片级产品是实现这些要求的最佳选择，因为它有着以下的优点：

   (1)更小的尺寸

    在互连基板上，采用裸芯片或WLP封装芯片可以很轻松地获得最少的占位空间。我们知道，衡量封装技术是否先进的重要指标之一就是芯片面积与其在基板上占用面积的比值，也称之为“封装效率(Peff)”，人们总是希望获得更高的封装效率。对于蜂窝电话，在2000年以前，封装效率为0．17，近几年己上升至0．27。随着芯片级产品，特别是以芯片级产品组装的3D产品的应用，便携式电子产品的封装效率将获得较大幅度提高。

   (2)优异的性能

    采用芯片级产品，可缩短芯片互连线长度，减小互连延迟，又可减少寄生元件(如寄生电感、电容等)的影响，从而可增强芯片I／O端的电性能。

   (3)商机

    目前，在掌上系统及无线系统的大生产中已广泛使用了芯片级产品，性价比的优势将进一步推动芯片级产品应用于更多的崭新领域。

   (4)价格优势

    更小的基板尺寸，更加简单的组装工艺，新产品更快的上市时间可进一步降低系统解决方案的经费。

   (5)可靠性

    在满足消费者所期望的性价比的同时，可提供更高质量和可靠的产品。目前，芯片级产品设备供应商己开发出一些强有力的测试工具，如芯片和圆片级测试老化的高性能载体、探针卡等，芯片级产品供应商可用这些工具对其产品能进行更加严格的测试和筛选，使他们提供的产品的可靠性得到大幅度提高，从而满足应用要求。

    3 便携式电子产品电路的封装趋势

    3．1 COB(板上芯片)封装

    所谓COB，就是将裸芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合实现其电连接。如果裸芯片直接暴露在空气中，易受污染或人为损坏，影响或破坏芯片功能，于是就用胶把芯片和键合引线包封起来。人们也称这种封装形式为软包封(图1)。

    COB技术早已广泛应用于电子工业生产中，特别是在一些需要引线键合的混合电路及SMT组装器件生产中。它的最大优势在于省去了一些后加工工序，从而降低了产品的成本。另外，它的封装效率也较高(通常＞0．27)。

    在电子产品市场中，COB占有不小的市场份额。但在传统的COB中，由于使用的是免测试或常规圆片测试的芯片，因而可靠性较低。在便携式电子产品中，可以使用经过严格测试和筛选的芯片级产品，从而可使产品的可靠性达到使用常规IC的水平。COB，这种传统的封装技术在便携式产品的封装中将发挥重要作用。

    3．2 FC(倒装片)封装

    利用集成电路的互连终端(I／O端口)与互连基板同时实现芯片粘附和电性能互连的方式称为直接芯片安装。进行安装时，芯片面朝向(下)基板，这种安装方式也称之为FC(倒装片)。一些新的和正在出现的FC安装技术正在为封装界提供良好的效益。

    在进行FC安装时，通过精密对位将芯片面朝下(基板)直接安装在基板上。倒装片现在主要分为回流焊FC和粘附FC两类。

    3．2．1 回流焊FC

    在上世纪60年代，IBM公司就开始使用采用回流焊技术安装的焊球凸点芯片。IBM公司的焊球凸点工艺称作C4，它使用高熔点铅锡焊球，因此不能用于与布线基板，如低玻璃转化温度FR4进行直接回流焊接。然而，这种凸点可作为一种固定支点，且可与互连基板焊盘表面的薄层共晶铅焊料直接回流焊接。另外一种方式是在芯片上制作共晶焊球，再直接利用回流焊技术与基板焊盘互连。

    3．2．2 粘附FC

    常用粘附FC有如下几种方式：①用绝缘的粘附薄膜将制作有焊球凸点的IC直接粘附在窄间距互连布线的印制线路板上。因为粘附薄膜具有良好的绝缘性能，因此适用于高密度I／O的互连。同时粘附薄膜也起到保护膜和密封或下填充材料的作用，并可缓解层间热应力，封装产品的可靠性也随之提高；②另一种粘附FC是使用各向异性的导电材料(粘附膜或膏)来实现芯片与基板之间的机械和电气互连。各向异性导电薄膜(ACF)像纸(类似于双面胶带)，它由热固性粘附剂、导电粒子和释放膜组成。各向异性导电粘附剂(ACA)像膏，它由热固性粘附剂和导电粒子组成。各向异性导电材料粘附IC的示意图如图2。

    与回流焊FC相比，粘附FC更具有优势。首先粘附FC的焊盘间距可以比回流焊FC的小，其次免去了涂敷焊料或助焊剂的工艺过程。粘附FC的清洗工作也简单多了，并且不使用铅。在粘附FC中，芯片上的凸点可以是用热声金球键合形成的金球凸点，这样FC中芯片凸点的制作就变得更加简单了。

    在FC中，由于在整个芯片表面都可以用于制作I／O端，而不象传统的丝焊电路那样只能使用芯片的周边，因此倒装芯片可提供更多的I／O端数(倒装芯片通常以阵列方式排列I／O端)。它的芯片内部到I／O端的互连布线较之于周边I／O端的短，在组装时芯片的I／O端到基板间的连线也短，从而可减小信号传输损耗，加快芯片的运行速度。另外，其相对宽松的焊脚间距，也有利于芯片的组装。

    FC的I／O端数和丝焊IC(周边焊盘布置)的能力比较有如图3。从图3中我们可清晰地看出采用FC与传统丝焊的IC芯片在相同的焊盘间距时，可利用I／O端数之间的巨大差异。还有一点我们也应该看到：IC的特征尺寸依然遵循着摩尔定律在逐年减小。因此，芯片周边长度与电路I／O端数的比也相应会减小。对于一些IC芯片，采用周边焊盘布置时就可能存在问题；而采用面阵列I／O结构，其I／O数就可能不会受到限制。

    在便携式电子产品中，FC的府用已相当广泛。由于FC具有很多优点，封装效率高(100％)、电性能好、可靠性高等，在便携式电子产品中将会越来越多的使用到FC芯片。因此在未来的便携式电子产品中，需要大量地使用到FC制作技术和安装技术。

    3．3 WLP(圆片级封装)

    WLP，它在圆片上完成测试(芯片级产品测试)和互连凸点的制造，然后进行圆片切割，将芯片分成独立的小片。WLP的IC可直接应用于表面组装，从而降低了制造成本，也加快了产品的上市时间。与FC技术相比，WLP具有更宽的引脚间距和更大的焊球尺寸。间距大，更容易进行表面安装；焊球大，焊接机械强度大，焊球单位面积受到的由于IC芯片和基板间热膨胀系数失配产生的应力就小；焊球高度高，可使互连结构中的应变减小，即焊球的变形减小，从而可进一步提高电路组装的可靠性。表1对WLP与FC中一些关键参数进行了比较。

  WLP，它是由90年代后期兴起的CSP技术发展而来的。在WLP中，它的面积(组装占用PCB的面积)比芯片尺寸稍大一些，它的I／O端在芯片的表面，与传统的SMT工艺兼容。由于WLP的I／O端口间距大，因此更容易测试和组装，从而可降低测试和组装的难度，节约成本。 由于在使用WLP时，可以不要下填充，因而更有助于WLP技术的广泛应用。但少了下填充的保护，若结构设计不佳，芯片与基板间的热膨胀系数不匹配可能会导致热应力过高或未知的外力作用使器件受到破坏。所以在设计WLP时应注意增加应力缓冲层、控制好焊球几何尺寸以及优化焊球位置布置设计等，从而增加焊接的可靠性。另外，由于圆片级封装的芯片尺寸一般较小，热膨胀失配产生的机械剪切应力也较小，电路因热膨胀系数不匹配造成失效的可能性就小，因而使用的风险就小，从而使WLP能够得到进一步推广应用。

    WLP电路的封装效率接近100％，封装体的厚度薄，可靠性与常规IC相当。在便携式电子产品的组装中必将越来越多的使用WLP电路，用以取代常规的封装IC。因此，在便携式电子产品中封装会越来越多的便用到WLP制造技术和WLP电路的安装技术。

    3．4 MCM(多芯片模块)封装

    MCM通常是全定制设计的，在一个大的高密度基板上安装有数十、上百个元件。由于元件数多，加工工艺就较复杂；如果在模块中有元件损坏，返工难度较大。另外，在模块组装完成后，还存在模块中元件的早期失效问题，因此它的成本很高。传统的MCM技术主要应用于军事研究及高性能计算机技术中。由于芯片级产品的出现，MCM技术的优势就显露了出来。在便携式电子产品的组装中可以使用芯片级产品，从而使MCM的组装合格率得到大大提高，元件的早期失效问题也得到缓解。

    多芯片封装的优点如下：

    ①可将不同圆片技术或工艺技术的芯片组装在同一个封装体内；

    ②与SOC相比，用MCM可缩短产品上市时间，并可降低投资风险；

    ③机电(MEMS)，光电及显示元件也可整合于同一个封装体中；

    ④可选用不同的封装技术，将各种元件封装在一起；

    ⑤可提高封装效率、节省芯片组装原料和简化测试手段，从而可降低封装成本。 由于MCM技术具有这些优点，并且在便携式电子产品中也己获得了应用。在未来的便携式电子产品的封装中，MCM封装技术将成为极为重要的封装技术。

    3．5 SIP(系统封装)

    系统封装这个概念是在20世纪90年代出现的。它是将不同类型器件封装在一个管壳中，从而构成一个完整的系统，其封装外形跟标准单芯片封装形式一样，因而被称作系统封装。例如在便携式电器中将微处理器、内存、显卡等放在一个高密度低值互连基板上并封装起来而形成一个系统。SIP是属于MCM的一类封装，它通常包含有多个芯片(一般少于5个)及一些无源元件。由于系统封装的外形与单芯片电路封装外形一样，如BGA，因此容易组装。

    SIP具有如下优点：

    ①能以最少的成本将具有不同结构、制造工艺的芯片整合封装在一个外壳中。如在存储器件的设计过程中，可将多个存储器芯片组装在一起。这与在SOC技术中将多个存储器芯片嵌人一个芯片中相比，可以缩短产品设计时间，且增加了设计的灵活性，并可加快产品的上市时间，从而赢得经济效益；

    ②可将无源元件、天线、滤波器、屏蔽等元件整合到一个封装体内，于是可减小器件间的寄生效应，改善屏蔽效果，从而改善器件性能；

    ③因为SIP技术是利用元件来整合的，所以能因客户的不同需求对设计进行修正，从而大大增加设计的适应性，也可迅速满足市场需求。正因为SIP具有这些优点，因此在便携式产品中的应用非常广泛。在未来的便携式电子产品中，会越来越多地使用SIP器件。

    3．6 3D(三维)封装

    随着市场对产品的“苛刻”要求：轻、薄、短、小、高集成度、高性能和高可靠性等，一种新型的封装形式开始为人们熟悉，这就是3D封装。3D封装也可看作是SIP。由于芯片级产品技术的成熟，3D技术在1999年开始大量用于蜂窝电话的组装中，它运用堆栈的方法将闪存(Flash memory)和静态随机存储器(SRAM)芯片重叠起来，封装在一个管壳中，以实现更大的存储容量，从而大大地提高了封装效率。对于封装效率，裸芯片的效率为100％，WLP的可接近于100％，而使用3D堆栈式封装的CSP的可超过100％，甚至是几倍(假如采用多芯片进行堆栈)。在3D封装中，在封装效率大幅提升的同时又引进了多层薄膜技术，加之使用圆片超薄减薄、超薄粘附、低弧度引线键合和薄厚度包封技术或FC方式把它们堆叠在一起，使得多芯片堆栈后的产品厚度与传统的单芯片器件不相上下，从而使3D封装具有更强的市场竞争力。3D堆栈式封装不受器件种类的限制，可以将具有相同或不同尺寸的芯片，相同或不同种类的器件堆叠在一起。除IC器件外，分离器件、无源元件也都可以堆叠在一起；在模塑包封后构成一个完整的SIP形式的高性能功能块。

    3D封装有以下六种基本形态：

    ①封装完成后再进行堆栈：

    ②引线键合方式；

    ③倒装芯片方式；

    ④Silicon-on-Silicon之结合方式；

    ⑤软板型态折叠而成的3D封装

    ⑥混合型。

    3D封装虽可有效地提高封装效率以及进行系统的初步整合，然而其结构较复杂且散热设计、电性特性、翘曲度及可靠性控制与组合晶良率等皆比单一芯片封装更具挑战性。不过随着科技的进步，3D封装技术在便携式电子产品的封装中会有美好的前景。

    4 结束语

    在20世纪九十年代，MCM技术只是在航空航天事业及高性能计算机领域能发挥其作用，主要是由于它的价格太贵。今天由于芯片级产品的出现，MCM封装技术的优势就显露了出来，它可广泛用于便携式电子产品的生产中。在MCM组装中，可使用芯片级产品进行COB封装、FC封装、WLP芯片封装来组装。其封装形式可以是传统的MCM形式，也可以是SIP或3D形式。

    科技的发展，促使IC产品的应用以惊人的速度增长，支持各种产品的封装类型也不断涌现，以满足人们对IC产品的“苛刻”要求，封装已不再是简单的保护IC，同时还是系统设计者确保其产品形式和功能的一个重要因素。明天的便携式封装会是什么样子?让我们拭目以待。