可以解決眾多封裝難題的CSP-ASIP

無(wú)線手持設(shè)備、掌上電腦以及其他移動(dòng)電子設(shè)備的增加導(dǎo)致了消費(fèi)者對(duì)各種小外形、特征豐富產(chǎn)品的需要。為了滿(mǎn)足越來(lái)越小的器件同時(shí)具有更多功能的市場(chǎng)趨勢(shì)和移動(dòng)設(shè)計(jì)要求，業(yè)界開(kāi)發(fā)了芯片級(jí)封裝(CSP)形式的特定應(yīng)用集成無(wú)源(ASIP)陣列或集成無(wú)源器件(IPD)。
某種程度上，CSP是一種“沒(méi)有封裝體”的產(chǎn)品，芯片就是它的封裝體。CSP-ASIP可以在目前許多無(wú)線手持設(shè)備中找到，掌上電腦、移動(dòng)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品也已經(jīng)采用這些新的設(shè)計(jì)。
一些半導(dǎo)體供應(yīng)商采用CSP技術(shù)制造ASIP，從如何包裝芯片的角度來(lái)看，CSP技術(shù)與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝技術(shù)不同。CSP技術(shù)不再需要傳統(tǒng)塑封中芯片需要的引線框和包裝芯片的塑料封裝體(見(jiàn)圖1)，CSP封裝的芯片在設(shè)計(jì)時(shí)就為焊球提供了可以粘附的位置，CSP工藝包括以下一些步驟：
?在每一個(gè)按照完整硅圓片流程完成的芯片的每一個(gè)I/O鍵合區(qū)上加上一層凸點(diǎn)下金屬化層(Under-bump metallurgy，UBM)。首先在整片圓片上濺射單層或者雙層的苯環(huán)丁烷樹(shù)脂(BCB)鈍化層或者Al/NiV/Cu合金的薄膜導(dǎo)電層。各供應(yīng)商選用的鈍化層材料不盡相同，有的用聚酰亞胺，有的可能根本不采用新的鈍化層。UBM是在硅芯片(通過(guò)鍵合區(qū)金屬化層)和焊球之間的界面。
?通過(guò)CSP植球機(jī)器，預(yù)成型的共晶焊球同時(shí)精確放置在金屬焊區(qū)的位置上。預(yù)成型的共晶焊球成分為63%的錫和37%的鉛，針對(duì)歐盟和日本的無(wú)鉛化要求，很多公司也采用無(wú)鉛焊球進(jìn)行CSP產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
?然后，完成CSP工藝的硅圓片經(jīng)過(guò)探針電測(cè)試，以檢驗(yàn)每一個(gè)CSP器件的功能都正常并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。壞的器件打上記號(hào)或在圓片圖上標(biāo)出，這樣在卷帶中可以將這些壞芯片扔掉。
?在圓片背面作標(biāo)示以便與其他CSP產(chǎn)品區(qū)分，同時(shí)還保證在PCB組裝中CSP器件的正確位置。
?圓片進(jìn)行切片，然后裝盒或者卷帶。
CSP產(chǎn)品可以設(shè)計(jì)成一系列焊球間距，最常見(jiàn)的間距是0.5和0.65mm，前者由于可以提供最小的間距而在移動(dòng)應(yīng)用中很普遍?？偟膩?lái)說(shuō)，間距和工藝能力由用戶(hù)決定。
由于不用塑料封裝，器件的尺寸可以減小很多，通常認(rèn)為CSP封裝的大小不超過(guò)芯片大小的1.2倍。與分立無(wú)源器件組裝或塑料封裝ASIP相比，CSP器件可以節(jié)省高達(dá)90%的PCB面積。由于手持電子產(chǎn)品要求在尺寸減小的同時(shí)功能增多，PCB上的空間成為消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品非常重要的影響因素。
設(shè)計(jì)CSP-ASIP的另一個(gè)好處是可以降低整體的寄生電感，寄生電感對(duì)ASIP性能的影響表現(xiàn)在芯片和PCB之間的互連。在一個(gè)典型塑料封裝中，芯片通過(guò)引線鍵合與引線框架相連，鍵合引線的電感為2000pH，而CSP焊球只有大約50pH的電感。這兩者的差異對(duì)于ASIP影響極大，尤其在EMI濾波器上。
采用分立EMI濾波器往往會(huì)由于分立厚膜無(wú)源元件和PCB導(dǎo)線而帶來(lái)不必要的寄生電感。這一寄生電感從1到3nH，是分立EMI濾波器性能不佳的主要因素(見(jiàn)圖2)。
選用CSP-ASIP還有其他的好處，如更低的制造成本、更高的可靠性、更方便的存貨管理、高效以及高產(chǎn)量。將分立無(wú)源元件集成到一個(gè)芯片上，不僅減少了PCB空間，同時(shí)還減少了元件的數(shù)量，從而使整個(gè)工藝更易于管理和實(shí)現(xiàn)。另外，由于需要放置的元件數(shù)目減少(如1個(gè)CSP ASIP等同于30個(gè)分立無(wú)源器件)，其制造成本可以降低。還有一個(gè)經(jīng)常被忽視的好處是可以提高產(chǎn)量，由于需要組裝的元件數(shù)目減少，器件的組裝更快。

板級(jí)組裝
由于目前使用的放置元件設(shè)備和回流焊設(shè)備可以用于CSP的組裝，因此，板級(jí)組裝時(shí)不需要特別的設(shè)備把芯片放在PCB上。因?yàn)镃SP是從卷帶上拾取并放置到PCB上，所以CSP-ASIP和傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)ASIP的表面貼裝工藝沒(méi)有區(qū)別。有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)CSP-ASIP的安放，一種就是修改拾取和安放機(jī)器的程序，使光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)用于CSP焊球和PCB焊盤(pán)之間的對(duì)準(zhǔn)，更好的方法是利用CSP ASIP的邊角進(jìn)行定位并安放到PCB上。
采用CSP-ASIP還有一個(gè)需要重視的問(wèn)題：熱膨脹系數(shù)(TCE)。典型硅基板的熱膨脹系數(shù)小于PCB材料，如FR-4的熱膨脹系數(shù)。這種熱失配在溫度變化時(shí)將在硅片/焊球、焊球/PCB界面產(chǎn)生機(jī)械剪切應(yīng)力。如果在設(shè)計(jì)階段對(duì)此沒(méi)有考慮，那么在溫度循環(huán)時(shí)，很可能在焊球和芯片之間造成信號(hào)的間斷或者開(kāi)路。
剪切應(yīng)力隨著焊凸點(diǎn)到芯片中心的距離增大而增大，所以焊接到PCB后，大的CSP-ASIP的最外面的焊球(或焊凸點(diǎn))將會(huì)承受更大的應(yīng)力，通過(guò)組裝過(guò)程中采用底部填充材料可以減小這種應(yīng)力。實(shí)際上，很多CSP-ASIP在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮到應(yīng)力的問(wèn)題，并使組裝時(shí)不需要底部填充，可以在-40℃到+125℃的環(huán)境下應(yīng)用。正確設(shè)計(jì)CSP-ASIP的厚度和采用延展性好的焊球，可以提供必要的靈活性以承受機(jī)械的應(yīng)力。
不少移動(dòng)電子產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)采用CSP-ASIP器件，CSP-ASIP在移動(dòng)電子市場(chǎng)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在CSP-ASIP性能、尺寸、易于制造的優(yōu)勢(shì)面前，很多移動(dòng)電子制造商開(kāi)始傾向于接受這樣的器件?！?(蔡堅(jiān)譯)