详解CSP封装的类型与工艺

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了CSP封装（Chip Scale Package）的类型和工艺。

有引脚类型LF-CSP

1997年，富士通公司研发出一种名为芯片上引线（Lead On Chip，LOC）的封装形式，称作LOC型CSP。为契合CSP的设计需求，LOC封装相较于传统引线框架CSP做出了一系列革新设计：将芯片焊盘移至中部，把整个引线框架粘贴在芯片上方，焊线后进行塑封；之后将整个封装翻转，使芯片电路面朝下，此时芯片下方引线框架的外引脚与外部线路板的焊接面，与芯片电路面处于同一平面。

通常，引线框架CSP包含Tape-LOC型与MF-LOC型（Multi-frame-LOC，即多框架LOC型）两种。其中，MF-LOC的设计目的是改善Tape-LOC因缺少固晶区而存在的可靠性隐患，它将导线架拆分为上架与固晶架两部分：先把晶粒贴装到固晶架上，再将固晶架与上架组合，从而形成完整的导线架。

无引脚类型LF-CSP

无引脚类型LF-CSP的结构主要为QFN或SON封装形式。为满足CSP的要求，其内部互连需采用倒装方式，或采用CSP线弧焊线工艺。

焊球引脚型LF-CSP

1999年，Jong Tae Moon等人提出了了一种铜引线框架CSP，其工艺流程为：晶圆→芯片磨切→芯片键合→引线键合→模塑→模后固化→去溢料→UBM→焊料球及回流→切边（分割）→电性测试→打标→包装。

刚性基板式CSP

刚性基板式CSP又称刚性内插板CSP，以多层布线陶瓷基板或多层布线层压树脂基板作为芯片载体。根据芯片焊盘与基板焊盘的连接方式，可分为倒装芯片键合型与引线键合型；其外引脚以底部阵列型为主，又可分为焊球型和触点型，可看作缩小版的BGA或LGA封装。

1. 倒装芯片键合类型

倒装片键合陶瓷基片CSP产品的结构示意图如图所示，其封装工艺流程与倒装BGA/倒装LGA封装一致。

1995年，IBM公司的Raj N.Master团队研发出一种基于陶瓷基板的倒装芯片级封装（CSP），将其命名为MiniBGA。这款封装采用C4焊料倒装技术，基板选用氧化铝陶瓷材质，外形为边长21毫米的方形结构，共包含1521个输入/输出接口（呈39×39阵列分布）。其外引脚采用铅锡共晶焊球，单个焊球尺寸为0.250毫米，焊球间距设定为0.5毫米。

1995年，日本东芝公司推出了一款陶瓷基板薄型封装（Ceramic Substrate Thin Package，简称CSTP）。该封装归为LGA（触点阵列封装）类型，主要组成部分包括LSI芯片、氧化铝（或氮化铝）基板、金凸点以及树脂等。封装过程采用倒装焊接与底部填充工艺，完成后通过印刷焊料的方式贴装到印刷线路板（PWB）上。CSTP的整体厚度仅为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，仅为传统薄型小外形封装（TSOP）厚度的一半。值得注意的是，15毫米规格的CSTP封装效率（芯片与基板的面积比）超过75%，而同等尺寸的薄型四方扁平封装（TQFP）封装效率则不到30%。

1999年，Minehiro Itagaki等人开发出一种基于塑料基板的触点阵列（LGA）型芯片级封装（CSP）。该封装的芯片配备再布线层，能够将输入/输出电极引导至倒装焊盘，且倒装焊盘上设有金钉头凸点（SBB）；基板采用名为ALIVH的多层有机基板，芯片焊区的金钉头凸点通过引线钉头凸点法制作而成。在倒装键合（FCB）过程中，先在印刷电路板（PCB）或其他基板的焊区印制导电胶，再将芯片凸点对准并适当加压，待导电胶固化后完成芯片与基板的互连，随后采用环氧树脂进行底部填充。这种封装设计中，导电胶可缓解芯片与塑料基板因热膨胀系数差异较大产生的应力，且塑料基板与印刷线路板（PWB）的热膨胀系数更为匹配，因此具备较好的可靠性。

2. 引线键合类型

引线键合类型的刚性基板式CSP多采用塑料封装阵列引脚形式，如塑料基板BGA型、LGA型等。其工艺与传统BGA或LGA类似，主要差异在于：焊线采用CSP线弧焊线，且尽可能缩小焊线节距；芯片边缘与封装边缘的距离较小，甚至小于0.5mm；外引脚焊球尺寸相对较小，焊球或触点节距通常小于0.8mm；封装厚度较薄。

采用引线键合的树脂基片CSP产品典型结构如图，其中模压树脂边缘与芯片边缘距离为0.5mm，焊料球直径0.45mm，球间距0.8~1.0mm。

挠性基板式CSP

挠性基板式CSP的封装结构采用弹性材料与聚酰亚胺薄膜组合，可吸收不同材料因热膨胀系数不一致产生的应力及弯曲形变。根据芯片焊盘与基板的互连方式，可分为引线键合、凸点倒装、通孔金属化连接、载带键合等类型。

1. 引线键合类型

富士通公司的FBGA封装、德州仪器（TI）公司的MicroStar CSP封装均属于引线键合类型的挠性基板CSP。

以MicroStar BGA为例，其封装流程如下：①准备挠性基板（通常以PI为主体），上表面设有铜布线图形及焊线区，下表面开孔露出铜布线层；②将芯片电路面朝上进行贴装；③完成引线键合；④进行塑封；⑤涂覆助焊剂后植球并回流；⑥切割分单；⑦开展测试、打标、包装等环节。

2. 凸点倒装类型

日本电气（NEC）公司的小节距BGA（FPBGA）和日东电工（NITTO DENKO）公司的MCSP均属于凸点倒装类型的CSP。其中，FPBGA采用通孔凸点与专用倒装焊接头，MCSP采用金凸点热压焊接。

FPBGA由NEC公司开发，主要由LSI芯片、载带、黏结层及金属凸点组成，凸点节距为0.5~1mm。其工艺特点是采用通孔键合，无焊线线弧及TAB引线弯曲，减少了焊盘间布线，因此能缩小封装尺寸与焊盘节距，更易实现芯片级尺寸。

FPBGA的载带结构包括树脂基膜、芯片下方用于黏结芯片的黏结层、穿过基膜与黏结层连接芯片焊盘的内凸点、基膜另一侧用于转移焊盘的布线层、阻焊层（阻焊层在内焊盘处开有通孔焊接用的焊接开口，及外引脚连接用的外焊盘开口）。

FPBGA的工艺流程与TAB（载带自动键合）一样采用卷对卷方式，具体步骤为：①内引脚焊点焊接；②层压——在热压作用下，黏结层黏结并覆盖芯片有源区域，增强互连强度；③模塑；④在外引脚焊盘涂覆助焊剂、植球并回流，完成外引脚凸点制备；⑤边缘切割。

3. 通孔金属化连接类型

通孔金属化连接的典型代表是COF CSP（Chip-on-Flex CSP），由GE公司开发，是一种基于柔性薄膜的CSP技术。其结构主要包括柔性层及上面的布线、用于黏结芯片的黏附层、芯片、塑料包封、阻焊层、小焊料球及金属焊盘。其工艺特点是柔性层内部有通孔，且柔性层焊球一侧的布线与芯片焊盘通过通孔连接，封装边缘到芯片边缘的最小距离为0.25mm。

COF CSP的工艺与TAB不同，不采用卷对卷方式，而是用边框或载体固定柔性薄膜后再进行后续流程。柔性薄膜为25μm厚的聚酰亚胺，其一面或双面设有4~8μm厚的金属图案，形成布线与焊盘。具体工艺流程为：①在柔性薄膜表面喷涂或旋涂10~15μm厚的热塑性黏附层，将芯片有源面朝向柔性薄膜贴装，通过热压实现键合；②模塑；③用激光在芯片、金属1、金属2处刻出通孔，通过溅射与电镀实现孔金属化；④在表面施加阻焊并开口，定义输入/输出端口；⑤用0.15~0.2mm厚的钢网印刷焊膏，回流后形成焊球（焊球直径0.25~0.3mm，高度0.15~0.18mm）；⑥切割形成单个封装。

4. 载带键合类型

载带键合类型CSP的典型是Tessera公司开发的Micro BGA（μBGA），一种柔性载带CSP，应用广泛。

这种CSP采用类似TAB工艺中的聚酰亚胺-铜挠性基板制作，载带的图形化与铜布线预先完成，后续整体工艺主要包括以下步骤：

（1）载带预处理——将载带（多采用聚酰亚胺材质）的一面朝上，利用钢网印刷工艺在芯片贴合区域制作出低模量弹性小块；其中，聚酰亚胺载带、弹性小块以及后续的低模量封装材料，能有效缓冲芯片与印刷线路板（PWB）因热膨胀系数差异引发的应力。

（2）芯片贴装——在弹性小块表面喷涂液态胶粘剂，将芯片贴合到位后，于150摄氏度环境下烘烤3分钟以完成胶粘剂固化。

（3）内引脚键合——借助专门设计的键合装置，在预设位置通过热压焊接方式将内引脚与芯片的铝焊盘（PAD）连接固定。

（4）包封——使用上下两层临时保护膜覆盖已完成芯片与引脚连接的载带，通过压力辅助注射工艺将液态树脂注入覆盖区域，待树脂完全裹覆后，通过分段升温的方式使其固化，形成弹性封装保护层。

（5）焊球植装——采用丝网印刷工艺在外引脚焊盘上涂抹20微米厚的助焊剂，随后放置直径约300微米的焊球，经回流焊接后使焊球与焊盘形成稳固连接。

（6）电学性能测试与激光打标。

（7）切单、检验与封装——测试完成后，将条带上的所有封装单元切割分离为单体，经再次检验合格后进行最终封装。

晶圆级CSP

晶圆级CSP（Wafer-Level Chip Scale Package，WLCSP）是在晶圆前道工序完成后，直接利用半导体工艺对晶圆进行后道封装，再切割分离为单个器件。其芯片面积与封装面积之比达100%。

按照芯片焊盘与封装外引脚的连接方式，WLCSP可初步分为四类：（1）芯片焊区上凸点（Bump On Pad，BOP）WLP；（2）电极再分布（Redistribution Layer，RDL）WLP；（3）包封式WLP；（4）柔性载带WLP。

基于EMC包封的CSP

除上述四类外，还有一些不同结构的CSP，此处介绍两种基于EMC（环氧模塑料）包封的类型——芯片焊盘与外部引脚的凸点通过包封或穿过包封实现连接。

1. 薄树脂包封的CSP

1995年，三菱电机公司的Masatoshi Yasunaga等人报道了一种薄树脂包封的CSP，主要由IC芯片、薄树脂包封层及外电极焊料凸点组成。

具体工艺过程为：①芯片工艺完成后，晶圆表面为焊盘与钝化层；②在芯片上制作金属再布线层，通过7μm厚的P钝化及蒸发剥离形成共40μm厚的Pb/Sn焊料金属层，减薄并切割芯片；③将芯片转移到带有内凸点的不锈钢基底框架上（内凸点主体为100μm厚的Cu，表面闪镀NiAu）；④不锈钢基底框架带着芯片一起模塑成型；⑤模塑完成后，基底框架与芯片分离，内凸点转移到封装上；⑥在内凸点上涂覆助焊剂、植球并回流，完成焊料球外引脚安装，形成完整封装，最后进行测试、打标与包装；⑦形成的凸点截面如图g所示。

2. BCC CSP

1996年，富士通公司的J.Kasai等人报道了一种凸点式片式载体（Bump Chip Carrier，BCC）CSP封装，主要包含金线、芯片、树脂、金凸点、绝缘胶及表面覆盖金属的树脂凸点。

BCC CSP的具体工艺流程为：①通过半蚀刻处理在铜合金引线框架材料上形成凹坑，并在凹坑上镀PdNiPdAu金属膜；②将芯片键合到引线框架上，通过引线键合连接芯片焊盘与引线框架凹坑上的镀层；③腐蚀去除铜合金引线框架，形成单个封装。