文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了CSP封裝（Chip Scale Package）的類型和工藝。

有引腳類型LF-CSP

1997年，富士通公司研發(fā)出一種名為芯片上引線（Lead On Chip，LOC）的封裝形式，稱作LOC型CSP。為契合CSP的設(shè)計需求，LOC封裝相較于傳統(tǒng)引線框架CSP做出了一系列革新設(shè)計：將芯片焊盤移至中部，把整個引線框架粘貼在芯片上方，焊線后進(jìn)行塑封；之后將整個封裝翻轉(zhuǎn)，使芯片電路面朝下，此時芯片下方引線框架的外引腳與外部線路板的焊接面，與芯片電路面處于同一平面。

通常，引線框架CSP包含Tape-LOC型與MF-LOC型（Multi-frame-LOC，即多框架LOC型）兩種。其中，MF-LOC的設(shè)計目的是改善Tape-LOC因缺少固晶區(qū)而存在的可靠性隱患，它將導(dǎo)線架拆分為上架與固晶架兩部分：先把晶粒貼裝到固晶架上，再將固晶架與上架組合，從而形成完整的導(dǎo)線架。

無引腳類型LF-CSP

無引腳類型LF-CSP的結(jié)構(gòu)主要為QFN或SON封裝形式。為滿足CSP的要求，其內(nèi)部互連需采用倒裝方式，或采用CSP線弧焊線工藝。

焊球引腳型LF-CSP

1999年，Jong Tae Moon等人提出了了一種銅引線框架CSP，其工藝流程為：晶圓→芯片磨切→芯片鍵合→引線鍵合→模塑→模后固化→去溢料→UBM→焊料球及回流→切邊（分割）→電性測試→打標(biāo)→包裝。

剛性基板式CSP

剛性基板式CSP又稱剛性內(nèi)插板CSP，以多層布線陶瓷基板或多層布線層壓樹脂基板作為芯片載體。根據(jù)芯片焊盤與基板焊盤的連接方式，可分為倒裝芯片鍵合型與引線鍵合型；其外引腳以底部陣列型為主，又可分為焊球型和觸點(diǎn)型，可看作縮小版的BGA或LGA封裝。

1. 倒裝芯片鍵合類型

倒裝片鍵合陶瓷基片CSP產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，其封裝工藝流程與倒裝BGA/倒裝LGA封裝一致。

1995年，IBM公司的Raj N.Master團(tuán)隊研發(fā)出一種基于陶瓷基板的倒裝芯片級封裝（CSP），將其命名為MiniBGA。這款封裝采用C4焊料倒裝技術(shù)，基板選用氧化鋁陶瓷材質(zhì)，外形為邊長21毫米的方形結(jié)構(gòu)，共包含1521個輸入/輸出接口（呈39×39陣列分布）。其外引腳采用鉛錫共晶焊球，單個焊球尺寸為0.250毫米，焊球間距設(shè)定為0.5毫米。

1995年，日本東芝公司推出了一款陶瓷基板薄型封裝（Ceramic Substrate Thin Package，簡稱CSTP）。該封裝歸為LGA（觸點(diǎn)陣列封裝）類型，主要組成部分包括LSI芯片、氧化鋁（或氮化鋁）基板、金凸點(diǎn)以及樹脂等。封裝過程采用倒裝焊接與底部填充工藝，完成后通過印刷焊料的方式貼裝到印刷線路板（PWB）上。CSTP的整體厚度僅為0.5~0.6毫米，其中LSI芯片厚度0.3毫米，基板厚度0.2毫米，僅為傳統(tǒng)薄型小外形封裝（TSOP）厚度的一半。值得注意的是，15毫米規(guī)格的CSTP封裝效率（芯片與基板的面積比）超過75%，而同等尺寸的薄型四方扁平封裝（TQFP）封裝效率則不到30%。

1999年，Minehiro Itagaki等人開發(fā)出一種基于塑料基板的觸點(diǎn)陣列（LGA）型芯片級封裝（CSP）。該封裝的芯片配備再布線層，能夠?qū)⑤斎?輸出電極引導(dǎo)至倒裝焊盤，且倒裝焊盤上設(shè)有金釘頭凸點(diǎn)（SBB）；基板采用名為ALIVH的多層有機(jī)基板，芯片焊區(qū)的金釘頭凸點(diǎn)通過引線釘頭凸點(diǎn)法制作而成。在倒裝鍵合（FCB）過程中，先在印刷電路板（PCB）或其他基板的焊區(qū)印制導(dǎo)電膠，再將芯片凸點(diǎn)對準(zhǔn)并適當(dāng)加壓，待導(dǎo)電膠固化后完成芯片與基板的互連，隨后采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行底部填充。這種封裝設(shè)計中，導(dǎo)電膠可緩解芯片與塑料基板因熱膨脹系數(shù)差異較大產(chǎn)生的應(yīng)力，且塑料基板與印刷線路板（PWB）的熱膨脹系數(shù)更為匹配，因此具備較好的可靠性。

2. 引線鍵合類型

引線鍵合類型的剛性基板式CSP多采用塑料封裝陣列引腳形式，如塑料基板BGA型、LGA型等。其工藝與傳統(tǒng)BGA或LGA類似，主要差異在于：焊線采用CSP線弧焊線，且盡可能縮小焊線節(jié)距；芯片邊緣與封裝邊緣的距離較小，甚至小于0.5mm；外引腳焊球尺寸相對較小，焊球或觸點(diǎn)節(jié)距通常小于0.8mm；封裝厚度較薄。

采用引線鍵合的樹脂基片CSP產(chǎn)品典型結(jié)構(gòu)如圖，其中模壓樹脂邊緣與芯片邊緣距離為0.5mm，焊料球直徑0.45mm，球間距0.8~1.0mm。

撓性基板式CSP

撓性基板式CSP的封裝結(jié)構(gòu)采用彈性材料與聚酰亞胺薄膜組合，可吸收不同材料因熱膨脹系數(shù)不一致產(chǎn)生的應(yīng)力及彎曲形變。根據(jù)芯片焊盤與基板的互連方式，可分為引線鍵合、凸點(diǎn)倒裝、通孔金屬化連接、載帶鍵合等類型。

1. 引線鍵合類型

富士通公司的FBGA封裝、德州儀器（TI）公司的MicroStar CSP封裝均屬于引線鍵合類型的撓性基板CSP。

以MicroStar BGA為例，其封裝流程如下：①準(zhǔn)備撓性基板（通常以PI為主體），上表面設(shè)有銅布線圖形及焊線區(qū)，下表面開孔露出銅布線層；②將芯片電路面朝上進(jìn)行貼裝；③完成引線鍵合；④進(jìn)行塑封；⑤涂覆助焊劑后植球并回流；⑥切割分單；⑦開展測試、打標(biāo)、包裝等環(huán)節(jié)。

2. 凸點(diǎn)倒裝類型

日本電氣（NEC）公司的小節(jié)距BGA（FPBGA）和日東電工（NITTO DENKO）公司的MCSP均屬于凸點(diǎn)倒裝類型的CSP。其中，F(xiàn)PBGA采用通孔凸點(diǎn)與專用倒裝焊接頭，MCSP采用金凸點(diǎn)熱壓焊接。

FPBGA由NEC公司開發(fā)，主要由LSI芯片、載帶、黏結(jié)層及金屬凸點(diǎn)組成，凸點(diǎn)節(jié)距為0.5~1mm。其工藝特點(diǎn)是采用通孔鍵合，無焊線線弧及TAB引線彎曲，減少了焊盤間布線，因此能縮小封裝尺寸與焊盤節(jié)距，更易實(shí)現(xiàn)芯片級尺寸。

FPBGA的載帶結(jié)構(gòu)包括樹脂基膜、芯片下方用于黏結(jié)芯片的黏結(jié)層、穿過基膜與黏結(jié)層連接芯片焊盤的內(nèi)凸點(diǎn)、基膜另一側(cè)用于轉(zhuǎn)移焊盤的布線層、阻焊層（阻焊層在內(nèi)焊盤處開有通孔焊接用的焊接開口，及外引腳連接用的外焊盤開口）。

FPBGA的工藝流程與TAB（載帶自動鍵合）一樣采用卷對卷方式，具體步驟為：①內(nèi)引腳焊點(diǎn)焊接；②層壓——在熱壓作用下，黏結(jié)層黏結(jié)并覆蓋芯片有源區(qū)域，增強(qiáng)互連強(qiáng)度；③模塑；④在外引腳焊盤涂覆助焊劑、植球并回流，完成外引腳凸點(diǎn)制備；⑤邊緣切割。

3. 通孔金屬化連接類型

通孔金屬化連接的典型代表是COF CSP（Chip-on-Flex CSP），由GE公司開發(fā)，是一種基于柔性薄膜的CSP技術(shù)。其結(jié)構(gòu)主要包括柔性層及上面的布線、用于黏結(jié)芯片的黏附層、芯片、塑料包封、阻焊層、小焊料球及金屬焊盤。其工藝特點(diǎn)是柔性層內(nèi)部有通孔，且柔性層焊球一側(cè)的布線與芯片焊盤通過通孔連接，封裝邊緣到芯片邊緣的最小距離為0.25mm。

COF CSP的工藝與TAB不同，不采用卷對卷方式，而是用邊框或載體固定柔性薄膜后再進(jìn)行后續(xù)流程。柔性薄膜為25μm厚的聚酰亞胺，其一面或雙面設(shè)有4~8μm厚的金屬圖案，形成布線與焊盤。具體工藝流程為：①在柔性薄膜表面噴涂或旋涂10~15μm厚的熱塑性黏附層，將芯片有源面朝向柔性薄膜貼裝，通過熱壓實(shí)現(xiàn)鍵合；②模塑；③用激光在芯片、金屬1、金屬2處刻出通孔，通過濺射與電鍍實(shí)現(xiàn)孔金屬化；④在表面施加阻焊并開口，定義輸入/輸出端口；⑤用0.15~0.2mm厚的鋼網(wǎng)印刷焊膏，回流后形成焊球（焊球直徑0.25~0.3mm，高度0.15~0.18mm）；⑥切割形成單個封裝。

4. 載帶鍵合類型

載帶鍵合類型CSP的典型是Tessera公司開發(fā)的Micro BGA（μBGA），一種柔性載帶CSP，應(yīng)用廣泛。

這種CSP采用類似TAB工藝中的聚酰亞胺-銅撓性基板制作，載帶的圖形化與銅布線預(yù)先完成，后續(xù)整體工藝主要包括以下步驟：

（1）載帶預(yù)處理——將載帶（多采用聚酰亞胺材質(zhì)）的一面朝上，利用鋼網(wǎng)印刷工藝在芯片貼合區(qū)域制作出低模量彈性小塊；其中，聚酰亞胺載帶、彈性小塊以及后續(xù)的低模量封裝材料，能有效緩沖芯片與印刷線路板（PWB）因熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)的應(yīng)力。

（2）芯片貼裝——在彈性小塊表面噴涂液態(tài)膠粘劑，將芯片貼合到位后，于150攝氏度環(huán)境下烘烤3分鐘以完成膠粘劑固化。

（3）內(nèi)引腳鍵合——借助專門設(shè)計的鍵合裝置，在預(yù)設(shè)位置通過熱壓焊接方式將內(nèi)引腳與芯片的鋁焊盤（PAD）連接固定。

（4）包封——使用上下兩層臨時保護(hù)膜覆蓋已完成芯片與引腳連接的載帶，通過壓力輔助注射工藝將液態(tài)樹脂注入覆蓋區(qū)域，待樹脂完全裹覆后，通過分段升溫的方式使其固化，形成彈性封裝保護(hù)層。

（5）焊球植裝——采用絲網(wǎng)印刷工藝在外引腳焊盤上涂抹20微米厚的助焊劑，隨后放置直徑約300微米的焊球，經(jīng)回流焊接后使焊球與焊盤形成穩(wěn)固連接。

（6）電學(xué)性能測試與激光打標(biāo)。

（7）切單、檢驗(yàn)與封裝——測試完成后，將條帶上的所有封裝單元切割分離為單體，經(jīng)再次檢驗(yàn)合格后進(jìn)行最終封裝。

晶圓級CSP

晶圓級CSP（Wafer-Level Chip Scale Package，WLCSP）是在晶圓前道工序完成后，直接利用半導(dǎo)體工藝對晶圓進(jìn)行后道封裝，再切割分離為單個器件。其芯片面積與封裝面積之比達(dá)100%。

按照芯片焊盤與封裝外引腳的連接方式，WLCSP可初步分為四類：（1）芯片焊區(qū)上凸點(diǎn)（Bump On Pad，BOP）WLP；（2）電極再分布（Redistribution Layer，RDL）WLP；（3）包封式WLP；（4）柔性載帶WLP。

基于EMC包封的CSP

除上述四類外，還有一些不同結(jié)構(gòu)的CSP，此處介紹兩種基于EMC（環(huán)氧模塑料）包封的類型——芯片焊盤與外部引腳的凸點(diǎn)通過包封或穿過包封實(shí)現(xiàn)連接。

1. 薄樹脂包封的CSP

1995年，三菱電機(jī)公司的Masatoshi Yasunaga等人報道了一種薄樹脂包封的CSP，主要由IC芯片、薄樹脂包封層及外電極焊料凸點(diǎn)組成。

具體工藝過程為：①芯片工藝完成后，晶圓表面為焊盤與鈍化層；②在芯片上制作金屬再布線層，通過7μm厚的P鈍化及蒸發(fā)剝離形成共40μm厚的Pb/Sn焊料金屬層，減薄并切割芯片；③將芯片轉(zhuǎn)移到帶有內(nèi)凸點(diǎn)的不銹鋼基底框架上（內(nèi)凸點(diǎn)主體為100μm厚的Cu，表面閃鍍NiAu）；④不銹鋼基底框架帶著芯片一起模塑成型；⑤模塑完成后，基底框架與芯片分離，內(nèi)凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到封裝上；⑥在內(nèi)凸點(diǎn)上涂覆助焊劑、植球并回流，完成焊料球外引腳安裝，形成完整封裝，最后進(jìn)行測試、打標(biāo)與包裝；⑦形成的凸點(diǎn)截面如圖g所示。

2. BCC CSP

1996年，富士通公司的J.Kasai等人報道了一種凸點(diǎn)式片式載體（Bump Chip Carrier，BCC）CSP封裝，主要包含金線、芯片、樹脂、金凸點(diǎn)、絕緣膠及表面覆蓋金屬的樹脂凸點(diǎn)。

BCC CSP的具體工藝流程為：①通過半蝕刻處理在銅合金引線框架材料上形成凹坑，并在凹坑上鍍PdNiPdAu金屬膜；②將芯片鍵合到引線框架上，通過引線鍵合連接芯片焊盤與引線框架凹坑上的鍍層；③腐蝕去除銅合金引線框架，形成單個封裝。