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摘要：在消費類產(chǎn)品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢的推動下，廠商開發(fā)了更小的封裝類型。實際上，封裝已經(jīng)成為新設(shè)計中選擇還是放棄某一器件的關(guān)鍵因素。本文首先定義了“倒裝芯片”和“晶片級封裝”兩個名詞，介紹晶片級封裝(WLP)技術(shù)的開發(fā)。然后，討論使用晶片級封裝器件的實際情況。討論主題包括：如何確定某一器件能否使用倒裝芯片/UCSP?封裝；通過標(biāo)識識別倒裝芯片/UCSP；晶片級封裝的可靠性；查找適用的可靠性信息。在本文總結(jié)部分，展望了今后的封裝技術(shù)發(fā)展，列出本應(yīng)用筆記的參考文獻(xiàn)以及本文沒有討論的某些主題和相關(guān)資料鏈接等。
晶片級封裝的概念起源于1990年，在1998年定義的CSP分類中，晶片級CSP是多種應(yīng)用的一種低成本選擇，這些應(yīng)用包括EEPROM等引腳數(shù)量較少的器件，以及ASIC和微處理器等。CSP采用稱為晶片級封裝(WLP)的工藝進(jìn)行加工，WLP的主要優(yōu)點是所有裝配和測試都在晶片上進(jìn)行。隨著晶片尺寸的增大、管芯的縮小，WLP的成本不斷降低。作為最早采用該技術(shù)的公司， Dallas Semiconductor在1999年便開始銷售晶片級封裝產(chǎn)品。
圖1. 晶片級封裝(簡圖)最終將每個芯片從處理過的晶片上分離出來。
圖2. 12焊球晶片級封裝，3 x 4焊球，2個空焊球位置
對于Maxim?/Dallas Semiconductor，“倒裝芯片”和“晶片級封裝”最初是所有晶片級封裝的同義詞。過去幾年中，封裝有了進(jìn)一步的細(xì)分。在本文檔以及所有Maxim資料中，包括公司網(wǎng)站，“倒裝芯片”是指焊球具有任意形狀、可放在任何位置的晶片級封裝管芯(邊沿有空隙)。 “晶片級封裝”是指在間隔規(guī)定好的柵格上有焊球的晶片級封裝管芯。圖3解釋了這些不同，注意，并不是所有柵格位置都要有焊球。
圖3中的倒裝芯片尺寸反映了第一代Dallas Semiconductor的WLP產(chǎn)品；晶片級封裝尺寸來自各個供應(yīng)商，包括Maxim。目前，Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片級封裝產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸列在表1中。
圖3. 圖中顯示了晶片級封裝和倒裝芯片封裝的典型尺寸以及區(qū)別。
表1. Maxim和Dallas Semiconductor UCSP (晶片級封裝)的標(biāo)稱尺寸7
在電路/配線板上將芯片和走線連接在一起的焊球最初采用了錫鉛共晶*合金(Sn63Pb37)。為了減少電子產(chǎn)品中的有害物質(zhì)(RoHS)，半導(dǎo)體行業(yè)不得不采用替代材料，例如無鉛焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高鉛焊球(Pb95Sn5)。每種合金都有自己的熔點，因此，在元件組裝回流焊工藝中，溫度曲線比較特殊 (在特定溫度上保持一段時間)。
集成電路的目的在于提供系統(tǒng)需要的全部電子功能，并能夠裝配到特定封裝中。芯片上的鍵合焊盤通過線鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設(shè)計規(guī)則要求鍵合焊盤位于芯片周界上。為避免同一芯片出現(xiàn)兩種設(shè)計(一種是普通封裝，一種是CSP)，需要重新分配層來連接焊球和鍵合焊盤。
圖4. 倒裝芯片和UCSP標(biāo)識模板
可以在快速瀏覽頁的更多信息部分了解UCSP的頂標(biāo)代碼。某些情況下，數(shù)據(jù)資料中也有這些信息。對于反向查找，例如，從頂標(biāo)確定器件的封裝，可以使用網(wǎng)站上的頂標(biāo)代碼功能或下載完整的頂標(biāo)表13，利用搜索功能識別相應(yīng)器件。頂標(biāo)代碼用于包含12個焊球的UCSP。更大的UCSP有足夠的空間打上全部型號以及日期代碼等詳細(xì)信息。表2所示為Maxim器件使用的商標(biāo)。
表2. 典型的Maxim UCSP商標(biāo)
表3中的商標(biāo)類型也適用于Dallas Semiconductor的倒裝芯片和UCSP。激光標(biāo)識非常小，需要放大鏡才能看清楚。Dallas Semiconductor的倒裝芯片對最小器件采用類似方法，2位器件代碼(也稱為系列碼)之后是管芯的版本號，這一方法不需要交叉參考列表。
表3. 典型的Dallas Semiconductor的倒裝芯片和UCSP商標(biāo)
機械壓力性能對WLP而言是較大的問題，倒裝芯片和UCSP直接焊接后，與用戶的PCB連接，從而緩解了封裝產(chǎn)品鉛結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力。因此，必須考慮焊接觸點的完整性。Dallas Semiconductor的晶片級封裝裝配指南14提供電路板布板考慮、裝配工藝流程、焊接層絲網(wǎng)印刷、元件布局、回流焊溫度曲線要求、環(huán)氧封裝以及視覺檢測標(biāo)準(zhǔn)等方面的詳細(xì)信息。應(yīng)用筆記189115介紹了Maxim的限定規(guī)格和測試數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息?？焖贋g覽頁提供Maxim器件的可靠性信息；公司網(wǎng)站提供Dallas Semiconductor器件的可靠性報告，見表4。
表4. Dallas Semiconductor倒裝芯片和UCSP的可靠性報告
參考
引言
半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了芯片中的晶體管數(shù)量和功能，這一集成規(guī)模在幾年前還無法想象。現(xiàn)在我們認(rèn)識到，如果沒有IC封裝技術(shù)同樣令人振奮的發(fā)展，也不可能實現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計。在消費類產(chǎn)品小型化和更輕、更薄發(fā)展趨勢的推動下，廠商開發(fā)了更小的封裝類型。最小的封裝當(dāng)然是芯片本身，圖1描述了IC從晶片到單個芯片的實現(xiàn)過程，圖2是一個實際的晶片級封裝(CSP)。晶片級封裝的概念起源于1990年，在1998年定義的CSP分類中，晶片級CSP是多種應(yīng)用的一種低成本選擇，這些應(yīng)用包括EEPROM等引腳數(shù)量較少的器件，以及ASIC和微處理器等。CSP采用稱為晶片級封裝(WLP)的工藝進(jìn)行加工，WLP的主要優(yōu)點是所有裝配和測試都在晶片上進(jìn)行。隨著晶片尺寸的增大、管芯的縮小，WLP的成本不斷降低。作為最早采用該技術(shù)的公司， Dallas Semiconductor在1999年便開始銷售晶片級封裝產(chǎn)品。
圖1. 晶片級封裝(簡圖)最終將每個芯片從處理過的晶片上分離出來。
圖2. 12焊球晶片級封裝，3 x 4焊球，2個空焊球位置
命名規(guī)則
業(yè)界在WLP的命名上還有分歧。CSP晶片級技術(shù)非常獨特，封裝內(nèi)部并沒有采用鍵合方式。封裝芯片的命名也有分歧。常用名稱有：倒裝芯片(STMicroelectronics和Dallas Semiconductor?)、CSP、晶片級封裝、WLCSP、WL-CSP、MicroSMD (National Semiconductor)、UCSP (Maxim Integrated Products)、凸起管芯以及MicroCSP (Analog Devices)等。對于Maxim?/Dallas Semiconductor，“倒裝芯片”和“晶片級封裝”最初是所有晶片級封裝的同義詞。過去幾年中，封裝有了進(jìn)一步的細(xì)分。在本文檔以及所有Maxim資料中，包括公司網(wǎng)站，“倒裝芯片”是指焊球具有任意形狀、可放在任何位置的晶片級封裝管芯(邊沿有空隙)。 “晶片級封裝”是指在間隔規(guī)定好的柵格上有焊球的晶片級封裝管芯。圖3解釋了這些不同，注意，并不是所有柵格位置都要有焊球。
圖3中的倒裝芯片尺寸反映了第一代Dallas Semiconductor的WLP產(chǎn)品；晶片級封裝尺寸來自各個供應(yīng)商，包括Maxim。目前，Maxim和Dallas Semiconductor推出的新型晶片級封裝產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸列在表1中。
圖3. 圖中顯示了晶片級封裝和倒裝芯片封裝的典型尺寸以及區(qū)別。
表1. Maxim和Dallas Semiconductor UCSP (晶片級封裝)的標(biāo)稱尺寸7
| Parameter | Designator | Value |
| No. of Bumps | (---) | 4 to 36 |
| Bump Diameter | b | 0.30, 0.35mm |
| Bump Height | A1 | 0.25, 0.3mm |
| Bump Pitch | e | 0.5mm |
| Die Thickness | A2 | 0.33, 0.38mm |
晶片級封裝(WLP)技術(shù)
提供WLP器件的供應(yīng)商要么有自己的WLP生產(chǎn)線，要么外包封裝工藝。各種各樣的生產(chǎn)工藝必須能夠滿足用戶的要求，以確保最終產(chǎn)品的可靠性。Wafer-Level Packaging Has Arrived 8、The Wafer-Level Packaging Evolution9、WLCSP Technology Direction 10等文章生動地介紹了WLP的過去和未來。美國亞利桑那州鳳凰城的FCI、美國北卡羅萊納州的Unitive?建立了WLP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品名為UltraCSP (FCI)和Xtreme (Unitive)。Amkor在并購了Unitive后，為全世界半導(dǎo)體行業(yè)提供WLP服務(wù)11。在電路/配線板上將芯片和走線連接在一起的焊球最初采用了錫鉛共晶*合金(Sn63Pb37)。為了減少電子產(chǎn)品中的有害物質(zhì)(RoHS)，半導(dǎo)體行業(yè)不得不采用替代材料，例如無鉛焊球(Sn96.5Ag3Cu0.5)或者高鉛焊球(Pb95Sn5)。每種合金都有自己的熔點，因此，在元件組裝回流焊工藝中，溫度曲線比較特殊 (在特定溫度上保持一段時間)。
集成電路的目的在于提供系統(tǒng)需要的全部電子功能，并能夠裝配到特定封裝中。芯片上的鍵合焊盤通過線鍵合連接至普通封裝的引腳上。普通封裝的設(shè)計規(guī)則要求鍵合焊盤位于芯片周界上。為避免同一芯片出現(xiàn)兩種設(shè)計(一種是普通封裝，一種是CSP)，需要重新分配層來連接焊球和鍵合焊盤。
確定倒裝芯片/UCSP的可行性，符合無鉛要求
Maxim/Dallas Semiconductor只有一小部分器件采用了倒裝芯片或UCSP。識別封裝最簡單的方法是利用公司網(wǎng)站上的器件快速瀏覽網(wǎng)頁。進(jìn)行型號搜索后，會顯示數(shù)據(jù)資料的快速瀏覽頁，它包括器件的簡要說明、關(guān)鍵特性、封裝選擇以及應(yīng)用筆記的URL和詳細(xì)信息的鏈接(例如，可靠性報告、評估套件)等。在快速瀏覽頁的右上角可以找到型號的數(shù)據(jù)資料，如果多個型號使用同一份數(shù)據(jù)資料，型號表上有下拉框選擇特定的型號。點擊Go，打開一個窗口，顯示定購型號、封裝說明、封裝外形的URL、溫度范圍以及封裝是否無鉛等。查找FCHIP或UCSP，Dallas Semiconductor器件的倒裝芯片/UCSP標(biāo)識符是“X”。Maxim UCSP一般使用后綴“B”，隨后是型號的數(shù)字部分12。型號表中的封裝外形總是含有定位標(biāo)識，由于UCSP外形用于管芯大小不同的多種器件，因此，沒有包括焊球的電配置參數(shù)，這些信息在器件的數(shù)據(jù)資料中提供。而倒裝芯片外形只用于特定芯片，因此，其外形一般包括電配置參數(shù)。倒裝芯片/UCSP頂標(biāo)(器件標(biāo)識)
與塑料封裝常用的方式不同，大部分倒裝芯片和UCSP沒有給標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識方式留有足夠的空間。最小的UCSP (4個焊球)只有足夠的定位標(biāo)識和兩行6字符代碼的空間。定位標(biāo)識還表明封裝是“標(biāo)準(zhǔn)”(共晶焊球)、高鉛(#)還是無鉛(+)，見圖4。圖4. 倒裝芯片和UCSP標(biāo)識模板
可以在快速瀏覽頁的更多信息部分了解UCSP的頂標(biāo)代碼。某些情況下，數(shù)據(jù)資料中也有這些信息。對于反向查找，例如，從頂標(biāo)確定器件的封裝，可以使用網(wǎng)站上的頂標(biāo)代碼功能或下載完整的頂標(biāo)表13，利用搜索功能識別相應(yīng)器件。頂標(biāo)代碼用于包含12個焊球的UCSP。更大的UCSP有足夠的空間打上全部型號以及日期代碼等詳細(xì)信息。表2所示為Maxim器件使用的商標(biāo)。
表2. 典型的Maxim UCSP商標(biāo)
| Maxim Brand | Legend | ||||||||||||||||
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表3中的商標(biāo)類型也適用于Dallas Semiconductor的倒裝芯片和UCSP。激光標(biāo)識非常小，需要放大鏡才能看清楚。Dallas Semiconductor的倒裝芯片對最小器件采用類似方法，2位器件代碼(也稱為系列碼)之后是管芯的版本號，這一方法不需要交叉參考列表。
表3. 典型的Dallas Semiconductor的倒裝芯片和UCSP商標(biāo)
| Dallas Semiconductor Brand | Legend | ||||||||||||||
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晶片級封裝器件的可靠性
晶片級封裝(倒裝芯片和UCSP)代表一種獨特的封裝外形，它和利用傳統(tǒng)的機械可靠性測試的封裝產(chǎn)品有所不同。封裝的可靠性主要和用戶的裝配方法、電路板材料以及使用環(huán)境有關(guān)。用戶在考慮使用WLP型號時應(yīng)認(rèn)真考慮這些問題。必須進(jìn)行工作壽命測試和抗潮濕性能測試，這些性能主要由晶片制造工藝決定。機械壓力性能對WLP而言是較大的問題，倒裝芯片和UCSP直接焊接后，與用戶的PCB連接，從而緩解了封裝產(chǎn)品鉛結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力。因此，必須考慮焊接觸點的完整性。Dallas Semiconductor的晶片級封裝裝配指南14提供電路板布板考慮、裝配工藝流程、焊接層絲網(wǎng)印刷、元件布局、回流焊溫度曲線要求、環(huán)氧封裝以及視覺檢測標(biāo)準(zhǔn)等方面的詳細(xì)信息。應(yīng)用筆記189115介紹了Maxim的限定規(guī)格和測試數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息?？焖贋g覽頁提供Maxim器件的可靠性信息；公司網(wǎng)站提供Dallas Semiconductor器件的可靠性報告，見表4。
表4. Dallas Semiconductor倒裝芯片和UCSP的可靠性報告
| Device | Applicable Reliability Reports with URL |
| DS2431 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf |
| DS2401 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2401.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas_Backgrind_FC-RDL.pdf |
| DS28E01 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf |
| DS1804 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS1845 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS2406 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS2411 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2411A1Bump-8in.pdf |
| DS2415 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS2417 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS2430A | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf |
| DS2432 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf |
| DS2433 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf |
| DS2502 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2502Bump.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas_Backgrind_FC-RDL.pdf http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf |
| DS2760 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf |
| DS2761 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf |
| DS2762 | http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf |
結(jié)論
目前的倒裝芯片和CSP還是新技術(shù)，處于發(fā)展階段。正在改進(jìn)的措施將采用背面疊片覆層技術(shù)(BSL)，保護管芯的無源側(cè)不受光和機械沖擊的影響，提高激光標(biāo)識在光照下的可讀性。除了BSL，還會有更小的管芯厚度，保持裝配總高度不變。Maxim UCSP尺寸(參見表1)說明了2007年2月產(chǎn)品的封裝狀況。依照業(yè)界一般的發(fā)展趨勢，這些尺寸有可能進(jìn)一步減小。因此，設(shè)計人員在完成電路板布板之前，應(yīng)該從各自的封裝外形上確定設(shè)計的封裝尺寸，這一點非常關(guān)鍵。此外，了解焊球管芯W(wǎng)LP合金的組成也很重要，特別是器件沒有聲明或標(biāo)記為無鉛產(chǎn)品時。帶有高鉛焊球(Pb95Sn5)的某些器件通過了無鉛電路板裝配回流焊工藝測試，不會顯著影響其可靠性16, 17。采用共晶SnPb焊球的器件需要同類共晶SnPb焊接面，因此，不能用于無鉛裝配環(huán)境。參考
- Analog Devices, 應(yīng)用筆記617 (PDF, 414kB)
- National Semiconductor, 應(yīng)用筆記1281 (PDF, 225kB)
- National Semiconductor, 應(yīng)用筆記1412 (PDF, 828kB)
- STMicroelectronics, 應(yīng)用筆記1235 (PDF, 328kB)
- STMicroelectronics, 應(yīng)用筆記2348 (PDF, 333kB)
- Maxim Integrated Products, FCHIP封裝圖
- Maxim Integrated Products, UCSP封裝圖
- Dr. Philip Garrou, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technologies Society, Semiconductor International, October 2000, http://www.reed-electronics.com/semiconductor/index.asp?layout=articlePrint&articleID=CA47705
- Michael T?pper, Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration (Fraunhofer-IZM); Philip Garrou, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society, Semiconductor International, 2004年10月, http://www.reed-electronics.com/semiconductor/index.asp?layout=articlePrint&articleID=CA456679
- M. T?pper, V. Glaw, K. Zoschke, O. Ehrmann, H. Reichl, Fraunhofer IZM - TU Berlin Microperipherics Center, Advancing Microelectronics - 2006年1月/2月, http://www.imaps.org/adv_micro/2006jan_feb/2006jan_feb_full.pdf (PDF, 6.73MB)
- Amkor Technology, Wafer Level Packaging Data Sheet (PDF, 164kB)
- Maxim Product命名規(guī)則
- Topmark Cross-Reference Table (PDF, 265kB) (200頁以上)
- Maxim晶片級封裝安裝指南
- 晶片級封裝(WL-CSP)封裝基礎(chǔ)
- 采用無鉛(Pb)裝配流程裝配高含鉛的DS2502倒裝芯片
- 在無鉛裝配流程中安裝含鉛的DS2761倒裝芯片
工商網(wǎng)監(jiān)
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