可以解決眾多封裝難題的CSP-ASIP

無線手持設備、掌上電腦以及其他移動電子設備的增加導致了消費者對各種小外形、特征豐富產(chǎn)品的需要。為了滿足越來越小的器件同時具有更多功能的市場趨勢和移動設計要求，業(yè)界開發(fā)了芯片級封裝(CSP)形式的特定應用集成無源(ASIP)陣列或集成無源器件(IPD)。
某種程度上，CSP是一種“沒有封裝體”的產(chǎn)品，芯片就是它的封裝體。CSP-ASIP可以在目前許多無線手持設備中找到，掌上電腦、移動消費類電子產(chǎn)品也已經(jīng)采用這些新的設計。
一些半導體供應商采用CSP技術制造ASIP，從如何包裝芯片的角度來看，CSP技術與傳統(tǒng)的標準塑料封裝技術不同。CSP技術不再需要傳統(tǒng)塑封中芯片需要的引線框和包裝芯片的塑料封裝體(見圖1)，CSP封裝的芯片在設計時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：
?在每一個按照完整硅圓片流程完成的芯片的每一個I/O鍵合區(qū)上加上一層凸點下金屬化層(Under-bump metallurgy，UBM)。首先在整片圓片上濺射單層或者雙層的苯環(huán)丁烷樹脂(BCB)鈍化層或者Al/NiV/Cu合金的薄膜導電層。各供應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(通過鍵合區(qū)金屬化層)和焊球之間的界面。
?通過CSP植球機器，預成型的共晶焊球同時精確放置在金屬焊區(qū)的位置上。預成型的共晶焊球成分為63%的錫和37%的鉛，針對歐盟和日本的無鉛化要求，很多公司也采用無鉛焊球進行CSP產(chǎn)品的設計。
?然后，完成CSP工藝的硅圓片經(jīng)過探針電測試，以檢驗每一個CSP器件的功能都正常并滿足設計要求。壞的器件打上記號或在圓片圖上標出，這樣在卷帶中可以將這些壞芯片扔掉。
?在圓片背面作標示以便與其他CSP產(chǎn)品區(qū)分，同時還保證在PCB組裝中CSP器件的正確位置。
?圓片進行切片，然后裝盒或者卷帶。
CSP產(chǎn)品可以設計成一系列焊球間距，最常見的間距是0.5和0.65mm，前者由于可以提供最小的間距而在移動應用中很普遍。總的來說，間距和工藝能力由用戶決定。
由于不用塑料封裝，器件的尺寸可以減小很多，通常認為CSP封裝的大小不超過芯片大小的1.2倍。與分立無源器件組裝或塑料封裝ASIP相比，CSP器件可以節(jié)省高達90%的PCB面積。由于手持電子產(chǎn)品要求在尺寸減小的同時功能增多，PCB上的空間成為消費類電子產(chǎn)品非常重要的影響因素。
設計CSP-ASIP的另一個好處是可以降低整體的寄生電感，寄生電感對ASIP性能的影響表現(xiàn)在芯片和PCB之間的互連。在一個典型塑料封裝中，芯片通過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濾波器往往會由于分立厚膜無源元件和PCB導線而帶來不必要的寄生電感。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。將分立無源元件集成到一個芯片上，不僅減少了PCB空間，同時還減少了元件的數(shù)量，從而使整個工藝更易于管理和實現(xiàn)。另外，由于需要放置的元件數(shù)目減少(如1個CSP ASIP等同于30個分立無源器件)，其制造成本可以降低。還有一個經(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。

板級組裝
由于目前使用的放置元件設備和回流焊設備可以用于CSP的組裝，因此，板級組裝時不需要特別的設備把芯片放在PCB上。因為CSP是從卷帶上拾取并放置到PCB上，所以CSP-ASIP和傳統(tǒng)的標準ASIP的表面貼裝工藝沒有區(qū)別。有很多種方法可以實現(xiàn)CSP-ASIP的安放，一種就是修改拾取和安放機器的程序，使光學檢測系統(tǒng)用于CSP焊球和PCB焊盤之間的對準，更好的方法是利用CSP ASIP的邊角進行定位并安放到PCB上。
采用CSP-ASIP還有一個需要重視的問題：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將在硅片/焊球、焊球/PCB界面產(chǎn)生機械剪切應力。如果在設計階段對此沒有考慮，那么在溫度循環(huán)時，很可能在焊球和芯片之間造成信號的間斷或者開路。
剪切應力隨著焊凸點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)將會承受更大的應力，通過組裝過程中采用底部填充材料可以減小這種應力。實際上，很多CSP-ASIP在設計時就已經(jīng)考慮到應力的問題，并使組裝時不需要底部填充，可以在-40℃到+125℃的環(huán)境下應用。正確設計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械的應力。
不少移動電子產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)采用CSP-ASIP器件，CSP-ASIP在移動電子市場得到了越來越多的應用。在CSP-ASIP性能、尺寸、易于制造的優(yōu)勢面前，很多移動電子制造商開始傾向于接受這樣的器件。■ (蔡堅譯)