焊球阵列转变与绝缘基板技术

摘 要:在半导体整体的焊球阵列封装(BGA)领域,一份针对数个关键封装形式所进行的分析报告中,显示了造成不同焊球阵列封装形式成长或下跌的原因,并更清楚地点出了目前使用的数种基板技术的缺点。这篇分析报告列出了主要的焊球阵列封装的形式和基板发展潮流,还清楚地指出焊球阵列封装整体的发展延缓了硅芯片技术的演进,这在某些BGA领域中尤其明显,主要是因为缺乏先进的基板技术。因此文后得出结论,封装产业供货供应链基板市场中可能出现新的厂商,其也许来自主机板市场。
关键词:BGA封装;封装基板;主机板;封装供货
中图分类号:TN305.94 文献标识码:A 文章编号:1681-1070(2005)03-19-04
1 引言
目前及预期的IC封装交付趋势显示,焊球阵列(BGA)封装会出现积极增长。众多市场分析师预计将出现20%以上的复合年增长率,到2008年,每年的交付量将突破170亿件。尽管在部分领域除芯片尺寸封装和倒装芯片封装外还有其他畅销产品,但正如下文所要描述的那样,大部分BGAi曾长无疑来自于芯片尺寸封装(CSP)和倒装芯片(FC)封装。
在整个BGA封装领域,一份有关特定主要封装类型的分析表明,各种BGA封装类型的增长或下降趋势更为详尽地反映出基板技术的某些缺点。后文的BGA和基板趋势概述清楚地表明,焊球阵列封装的总体生命力正随着晶圆发展而不断提升,部分领域的速度因绝缘基板技术而快于其他领域。
2 PBGA趋势
PBGA(塑料焊球阵列)基板技术通常要求最低程度的电源管理,例如,几乎没有电阻控制。基板层从2至6。Line-Space Pairs为65μm-45μm;BondFinger Pitch为135μm-95μm。最后以减法制程进行镍金电镀,或使用一些全金反蚀刻或双像制程(如Amkor的buss-less电镀)进行。
总体而言,PBGA技术的Line-Space和通路性能很难与收缩硅芯片技术同步。为了实现芯片收缩,PBGA基板解决方案可能在增加成本的基础上要求更多的层数、更多的通路激光钻孑L以及更长更厚的金线。因此,与其他更具成本效益的BGA解决方案相比,PBGA正逐渐失去优势。
对基板供货商而言,2-4层PBGA的利润率正在逐步降低。供货商只得透过更加昂贵的6层高密度互连PBGA基板取得足够的利润率。具有更厚内铜层的热加强型PBGA的应用是延长PBGA寿命的一大亮点。热加强型PBGA趋向于填补标准PBGA与凹槽向下型(CD)PBGA之间的性价比差距。
3 凹槽向下型封装趋势
凹槽向下型BGA的封装规格跨度极大,从31mm到50mm不等,甚至面向特殊应用的规格可低至23mm。通常球数从300个到1 000多个不等。凹槽向下型BGA基板可具有1-10个金属层,1-3个焊接列。尽管有一些应用采用更奇特的绝缘材料,如拓展型聚四氟乙烯或聚酰亚胺,但使用双马来酰亚胺三嗪(BT)绝缘体更为常见。10层、3列的组合是以双马来酰亚胺三嗪绝缘体构成的最高性能基板。
对凹槽向下型BGA基板来说,热电管理至关重要。在某些情况下,这些封装可能必须处理高达40W的功耗。尽管对大部分凹槽向下型的情况而言,平均为-15W,但是对双层凹槽向下型而言,接近8-10W更为典型。
总体而言,凹槽向下型BGA的现有应用较少,甚至2004年封装路由器的增长(自2000年来的首次增长)日前也开始放缓。凹槽向下型BGA的大部分传统应用如主流电信IC,正在以倒装芯片模式进行改装,从而提升其性能。事实上,电信领域的这种自身转变已经导致凹槽向下型BGA的应用减少70%以上。
从基板供货商的角度来看,由于凹槽向下型BGA量相对较低,它们仍可以获得良好的利润率,但此后终端用户为这些基板所支付的成本使其成为毫无吸引力的传统应用解决方案。因此,向倒装芯片转型实为大势所趋,高达10Gb/s以上且经测试的线接基板正与凹槽向下型BGA争夺市场。
4 衬底封装
同凹槽向下型封装领域一样,衬底(tapesubstrate)封装领域几乎已经萎缩,大部分剩余工作已经转至层压基板。层压基板现在可设计为低至50μm核心层。更低的成本及更多的平面使层压成为对衬底基板极具吸引力的选择。
总的来说,半导体和衬底不再是完美的组合,除了极为细小的模式。双金属衬底封装目前用于一些有限的应用。这些基板仍是要求极小尺寸的应用的最佳解决方案,例如,英特尔的堆栈封装。但即使是这种封装的成本也显得过于高昂,其设计方案有待改善。
多层衬底封装目前正应用于倒装芯片。这种技术可轻易以50-90μm微型通路与20μm行间隔取得所要求的密度。
目前仅有约5个衬底供货商为半导体行业提供传统的衬底封装服务。其他供货商已经退出或回到可使他们获得更高利润率的磁盘驱动器和打印驱动应用市场。相机模块有很多衬底封装业务,但事实上这更类似于磁盘驱动器应用。这个领域对衬底供货商而言颇具吸引力,因为这个领域的技术人门水平相对较低,与高密度的封装应用不同,衬底上的相机模块要求密度相对较低且简单的制程。
5 芯片尺寸封装趋势
芯片尺寸封装现在正呈现增长趋势,因为芯片尺寸封装矩阵的密度或数组封装已经与芯片收缩同步。芯片尺寸封装基板技术的特征是每平方米的通路密度大于400000,以及新近可用的生产40μm行间隔模式密度(最近从50 μm降至40μm)。芯片尺寸封装密度的能力无法透过同等成本的PBGA模式获得,因为后者的体积规格过大。芯片尺寸封装目前还在球侧采用有机町焊性保护剂(OSP)进行最终表面加工,以处理以往使用常规性镍金时的金脆效应的可靠性问题。
芯片尺寸封装还大幅度地利用目前的芯片堆栈,3-4个芯片堆栈现在十分常见。事实上,目前堆栈芯片尺寸封装是芯片尺寸封装最大的细分领域。这一技术的推动力就是转向更细小的4个芯片堆栈封装,降至210±30μm总基板厚度,这将促进更多衬底封装的应用面世。
芯片尺寸封装技术的现有业务是应对0.4mm球接脚。尽管存在一些转至0.3mm的期望,但是0.3mm技术问题涉及寻求一个适合且与球置放兼容的表面加工应用方法,以避免二级加工。目前,对于怎样转至0.3mm模式尚没有明确的解决方案。
我们见证了一些芯片尺寸封装向倒装芯片的转变,主要是面向SIP应用,但也面向标准芯片尺寸模式。这一转变的推动力主要来源于涉及电阻问题应用过程中倒装芯片减少电源线感应系数的能力。
6 SIP封装趋势
SIP是附加表面电容器、感应器等设备的芯片尺寸封装,它涉及大量高水平的整合。目前,SIP趋势主要由RF模块应用所推动。
SIP技术通常从2-4层基板转向更高密度。SIP基板一直尚未到极端,通常为65μm行间隔、250μm钻孔及0.2mm以上核心层。在将传输线结构植入层压时采用特殊材料。制程使用特定的镍金镀以改进可靠性和双像制程。这种技术的基板关键在于这些封装必须非常平坦,在电介质厚度方面的限度极小,以便利于配件连接和电阻控制。电阻控制在处理RF应用时是绝对必不可少的,这与PBGA和芯片尺寸封装不同。此外,SIP基板无法包含高压线与总线之间的连接或产生断截而影响电路性能的反蚀刻制程。
由于SIP解决方案相对而言较为独特,并且大量生产具有一定的挑战性,目前业内只有少数几家供货商经营状况良好。
7 倒装芯片封装趋势
倒装芯片基板技术涉及当今业内所使用的最先进的材料和设计规则。越来越多的IC功能不断促使层数增加,继而促使成本的增加。材料成本占倒装芯片成本的60%至80%,该部分成本的控制情况将决定倒装芯片的未来。
例如,如今的倒装芯片以ABF非传导性技术为主导,即涉及一系列性能指针的高价绝缘体。尽管介电常数与介电损耗良好,但从机械性能角度来看该材料不如其他可用材料。由于可能产生封装结构及造型问题,封装设计师们不得不被迫考虑采用更加昂贵的材料。倒装芯片的水平问题在于很可能在开发过程中发现不同的材料组合。我们更希望看到由于层数的增长,明年倒装芯片封装的成本上涨,而不希望看到由于应用的增加而引发更为典型的成本下降。 层数的增多将增加倒装芯片封装的成本并改变该领域的传统方向,如添加信号层之间的涂层以改善受长时间传输线延迟影响的电路性能。
如今的倒装芯片基板技术(见表1)包含4项核心部件,材料成本在不同程度上主导着此项技术,倒装芯片采用了许多特殊材料。

8 转变过程中的基板
在上述焊球阵列技术回顾中,隐含的信息是绝大多数基板技术的价格不是下降就是处于零运营利润状态(图1)。可以把FC 2-n-2部分定价归结为少量上涨,原因是材料费用的上涨,但我们认为即使是这一技术的价格,到2005年末也将呈下滑趋势。这些趋势削减了传统基板供货商投资新技术和设备的动力,而这恰恰是推动这一行业向前发展所必须的。最好的情况是,就未来该如何解决基板需求问题,我们能以不同的态度看待对基板供应基地的需求。但基板供货商的终端客户——整合组件制造商(1DM)和原始设备制造商(OEM)——却在促使封装IC降价方面表
现得非常出色,基板行业过低的利润率正在打击供应基地继续从事半导体封装基板业务的信心(图1)。

总体而言,自20世纪90年代许多基板供货商进入了基板供应链后,才发现该市场价格竞争十分激烈,在技术上也极具挑战性,从而导致大量供货商最终不得不离开半导体行业。在PBGA产品方面情况更是如此,因为市场上其他供货商们往往青睐高级BGA应用而非高价且缩减的PBGA市场。
目前有一个可行的解决方案。笔者认为,主板行业最早从本质上孕育了BGA基板行业,该行业能运用先进的主板技术从而重塑对PBGA的需求。PBGA产品每平方米制造成本约为250美元,非常适合作为目前主板技术的补充,与目前BGA基板供货商每平方米400美元的产品储存价格形成了鲜明对比。
主板供货商从事PBGA基板行业所需的投资仅要求他们向前迈一小步,因为绝大多数必需设备已经到位。但要让主板供货商信赖成本模式是一个指导性的过程,目前相关努力正在进行之中。
这一设想解决了目前与PBGA产品相关的价格压力,但这充其量不过是这一特殊产品的权宜之计。总体而言,这并不能解决钢铸板以及其他基板制造的成本压力。领先的BGA基板制造将需要推出分裂式技术以应对不断上涨的制造和材料成本问题。新的设备系列、方法和材料目前需求量极大,目的是填补日益扩大的基板技术和晶圆级别技术之间的空缺。
9 总结
在我们看来,BGA基板技术有“在转变中消失”的危险,PBGA(塑料焊球数组)技术已停滞不前。甚至在领先的BGA方面,尽管基板供货商在不断努力地推动和满足当前的许多需求,但是从总体上讲,他们还是一步一步地落伍了。在资金方面,这些供货商已没有动力提高投资水平以跟上硅芯片(silicondie)技术的需求。因此,该行业可能正在失去把电路芯片技术(dietechnology)转化到电路板水平的能力,即基板最终只能充当电路芯片和主板之间的转换器(translator)或内插器(interposer)。
如果说能从半导体技术中学到有关硅技术发展的任何东西的话,那就是,不断地推动技术发展从而制造体积更小且功能更强大的组件,需要一直进行高投入的开发工作。在该行业的封装基板方面,我们似乎缺乏与开发65nm技术、高介电常数材料与低介电常数材料、凸点底层金属等项目相关的努力。在基板方面,没有人真正关心如何使基板供货商跟上时代的发展或帮助新厂商进入这一领域。
的确,硅技术的发展反映出基板技术的潜在不足,并且正在尝试其自身的解决方案。例如,现在更多地采用混合信号整合——将更多的内插器技术应用于芯片。然而,对将转变拓展至主板领域而言,这是一种成本高昂的途径。这其中还包括晶圆水平再分配技术——又一项能将UO设备从芯片拓展至基板的内插器水平技术,但这也同样是一种成本较高的方式。此外,再分配技术受限于0-100I/O范围内直线下降或输出端通路,而非输入输出。再分配技术之所以能够找到适合其发展的环境是由于基板技术的不断落后。整合服务供货商的再分配技术在业内的成功应当引起基板供货商的注意。事实上,它们正在抢夺原本属于基板供货商的市场份额。
如今的基板供货商,无论是衬底封装或是层压封装,似乎都在先进科技领域阔步向前,如从25μm转变至23μm亦或是20μm。需求带来了更为革命性的步伐,例如,有人会将基板技术的行间隔降至10μm。的确,这是一个具有巨大市场潜力的良好机遇。很显然,理想的预期将是制程的简化而并非单纯层数或技术含量的增加。最大的阻碍在于资金的缺乏。而来自于整合组件制造商、原始设备制造商或其他企业的支持将进一步支撑起这条产业链。
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  • sunhk (2007-6-05 15:38:45)

    謝謝!對整個硅技术的发展與基板技术有一個整體的描述!