摘要：由球柵陣列轉(zhuǎn)向細節(jié)距BGA的行動正在受到降低封裝尺寸要求的推動。此外，與增加功能有關(guān)的I/O數(shù)量的增加對降低陣列的間距進一步產(chǎn)生了壓力。BGA封裝在給定的面積當中將I/O的數(shù)量提高至化，對越來越小腳跡的需求推動了節(jié)距小于1.0mm封裝的發(fā)展。近三年芯片級封裝的發(fā)展是對更小封裝的興趣和需求的證言。為實現(xiàn)本項技術(shù)商品化所需支持的"基礎(chǔ)設(shè)施",經(jīng)常就是電路板接受任何新型封裝的入門項目。該基礎(chǔ)設(shè)施的重要元件就是老化測試插座。

　　細節(jié)距BGA封裝含有的節(jié)距小于1.0 mm,對印制線路板工業(yè)和老化插座設(shè)計師們提出了許多挑戰(zhàn)。如何使得接觸焊球溫度在125°C而不在接觸焊球的底部或在焊球上留下明顯的見證印記，是一個特別困難的問題。在焊球可用的空間中，為插座設(shè)計和生產(chǎn)出零件以接觸和保持封裝增加了這個問題的難度。本文將描述目前對接觸焊球所采用的某些方法，以及采用節(jié)距在1.0 mm和0.75mm之間的雙臂夾捏接觸件的解決方案，并用它來說明如何克服這些挑戰(zhàn)。

　　今天，有些閃存器件的封裝采用0.65 mm節(jié)距，DSP具有100多個I/O,采用0.5 mm的細節(jié)距球柵陣列（FP–BGA）封裝。對這些器件必須研制具有成本效益的老化插座解決方案。本文將對某些概念設(shè)計進行討論，并對Sensata 公司的產(chǎn)品進行了分析。

　　引言

　　發(fā)明晶體管和集成電路的挑戰(zhàn)一直是將更多能量和功能投入到更小的封裝當中，同時使得封裝便于處理和與外界對接。這樣就造成了一系列按字母排列的封裝，包括：DIP（雙列直插式封裝）、PGA（針柵陣列）、PLCC（無引線芯片載體）、LCCC（無引線陶瓷芯片載體）、QFP（四邊引線扁平封裝）、TQFP（薄形四邊引線扁平封裝）和BGA（球柵陣列）等。

圖1 CSP相對QFP的尺寸優(yōu)勢

　　個人電子工業(yè)的增長尤其在日本，為降低系統(tǒng)尺寸和重量提供了動機，成就了愈來愈小封裝的發(fā)展。所有的封裝路線圖都指向裸芯片，然而，處理和試驗的困難和成本已經(jīng)推遲了裸芯片這一格式的廣泛接受。作為常規(guī)封裝和裸芯片近尺寸縮小攻關(guān)的妥協(xié)結(jié)果，已經(jīng)研制出了尺寸大約為硅芯片尺寸的一類封裝，即所謂的芯片尺寸或芯片級封裝（CSP）。圖1比較了作為QFP和作為FP–BGA而封裝的產(chǎn)品尺寸的照片。英特爾公司表示，把8Mbit的閃存封裝為？BGA時較與之相當?shù)腡SOP可減小尺寸達80%.

　　芯片級封裝的接受和使用似乎在日本非常流行。雖然有50多種不同的CSP結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體公司似乎都有他們自己的品種，處理和測試這些器件的困難已經(jīng)向服務(wù)后端和測試基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)商發(fā)出了挑戰(zhàn)。如果Gil Olachea的預(yù)言是正確的，這將繼續(xù)成為令人關(guān)心的問題。按關(guān)于芯片密度增加的摩爾定律，Olachea已經(jīng)提出："半導(dǎo)體封裝的數(shù)量每六年將近翻番。"這暗示到2010年，將有120種不同形式的CSP.

　　看好的一類CSP是FP-BGA.這是BGA的邏輯發(fā)展，節(jié)距和球體尺寸減小了。FP–BGA一般歸類為BGA,其在中心的焊球小于1.0 mm,已寫成或正在編寫的節(jié)距標準為0.8、0.75 和0.5 mm.

　　設(shè)計考慮

　　一般商業(yè)問題

　　對老化插座的要求涉及對機械、電、熱、可靠性和可重用性的功能考慮及商業(yè)成本問題。這些要求與試驗插座的要求稍微有所區(qū)別。在不到1.00 mm節(jié)距上接觸I/O的挑戰(zhàn)對兩種型號的插座均相同，然而，試驗頻率、重復(fù)使用次數(shù)及高溫暴露有非常大的不同。Pfaff曾提供了涉及到研制CSP插座的商業(yè)和技術(shù)問題的極好述評。表1來自Pfaff的論文，總結(jié)了試驗和老化插座之間的關(guān)鍵要求和區(qū)別。

表1  試驗和老化插座要求比較

　　批量是試驗及老化插座所采用的制造工藝和價格差別的關(guān)鍵。在一種新型封裝的早期使用和驗收期間，老化插座的價格會很高，這就是CSP插座的當今。存貯器件用常規(guī)TSOP插座的價格范圍在6~15美元，具體取決于I/O的特定數(shù)量。用于0.75 mm FP–BGA帶有48個I/O的插座的價格范圍在35~50美元，這個價格完全按批量的大小來決定。供應(yīng)商已經(jīng)表示，該價格將遵循常規(guī)的學(xué)習(xí)/批量坡度曲線，當批量增加時，預(yù)計10~15美元的價格將是常見的。

　　人們對于CSP的各個性質(zhì)和整體封裝外形缺乏標準已經(jīng)表示了關(guān)心。對這個問題尚不明確的是CSP插座是否將保持定制解決方案，實現(xiàn)降低成本的機會是，能夠生產(chǎn)出銷售到許多顧客的插座。關(guān)于這種設(shè)計的考慮將在下面說明。

　　據(jù)報導(dǎo)，CSP的市場在2008年大約為4億只，在2010年為21億只，CAGR達15%.其它預(yù)測沒有如此有進取心，但是也表現(xiàn)了明顯的增長機會，2010年CSP的容量在10~20億只之間。雖然不是所有的封裝都需老化插座，這一增長提供了實實在在的機會，插座供應(yīng)商們正在辛勤地工作，以研制出具有成本效益的解決方案。

　　機械性能

　　在研制老化插座的過程中必須考慮幾個設(shè)計問題，評述如下：

　　1.器件加載

　　基本上有兩種類型的插座設(shè)計：蛤殼式和開頂式。蛤殼式設(shè)計對小批量手工加載和卸載看好。對于大批量的應(yīng)用，優(yōu)選零插入力或開頂式設(shè)計，這是因為采用目前的自動化設(shè)備，器件的加載和卸載簡單易行。

　　圖2是開頂式插座的照片，它設(shè)計用于54腳I/O的？BGA存貯器產(chǎn)品。圖中示出了該適配器的輪廓，由適配器確定器件的位置，鎖片使封裝對準。

　　當按下插座的蓋子時，接觸件打開，鎖片移動到側(cè)面。將封裝推入插座中，與適配器的側(cè)邊對齊。當把蓋子閉合時，鎖片引導(dǎo)封裝并確保封裝正確定位，使得接觸件接住焊球。

　　2.插入次數(shù)

　　要求插座可以重復(fù)使用多次，典型的設(shè)計要求可插入1萬次或2萬次。這就對插座耐磨和耐應(yīng)力的能力及彈性元件的低循環(huán)疲勞強度提出了要求。這些問題當中有許多可以運用有限元方法及快速原型測試方法在設(shè)計階段進行評價，以便在投入硬模之前就測試基本設(shè)計。

　　3.接觸焊球

　　這是一個復(fù)雜的問題，已經(jīng)提出了許多不同的概念。設(shè)計問題包括：

　　A. 接觸焊球而不造成任何損傷

　　B. 穿透表面氧化層

　　C. 如圖3所示，保護NDZ（無損區(qū)）

　　對于接觸焊球，已經(jīng)提出了若干種方法，分成三種基本類別。其中一些并不滿足不觸及焊球底部的要求：

　　A.   夾捏式接觸件，運用某種彈性元件接觸球的側(cè)面

　　B. 探針接觸件，例如測試探針和模糊按鈕

　　C. 薄膜接觸件，包括陶瓷體導(dǎo)電環(huán)氧樹脂、柔體粗凸點和硅體袋狀蝕刻

　　其中一些接觸件示意于圖4.為了更加全面的列舉和說明，讀者可查閱Crowley給出的CSP市場和技術(shù)分析。

　　4. 高溫暴露

　　老化爐工作于各種不同的溫度下。然而，典型的老化溫度為150°C,在插座的壽命期間，在高溫下的總時間可能超過1000小時。由于老化期間加載了接觸件，彈性元件經(jīng)過了應(yīng)力松弛。其中一種彈性合金為CDA- 172000,它是一種鈹青銅合金。這種材料由于其兼具有可成型性、模量大、屈服強度高和應(yīng)力松馳性能好，已經(jīng)廣泛用于老化插座。

　　一種沖壓成型的接觸件由鈹青銅制成，用于0.75 mm節(jié)距的插座示于圖5.這是一種具備現(xiàn)代工藝水平的金屬成型的零件，片狀材料的厚度僅為0.12 mm （0.0047"）。

　　夾捏式接觸件的優(yōu)點是：接觸荷載是由應(yīng)力懸臂梁簧片提供的，沒有荷載施加于封裝的表面。芯片上僅有的垂直荷載是通過使封裝與插座對齊的鎖片提供的。對于使用測試插針的接觸件，電鍍的凹點或其它種類的探針式插針必須經(jīng)過芯片才能施加垂直荷載。既然在許多CSP當中，芯片就是封裝，這意味著直接按壓硅片，從而有可能損傷芯片。

　　通過適當?shù)脑O(shè)計和組裝技術(shù)，夾捏式接觸件可以滿足要求，而不會在焊球的底部留下探針印記。圖6是圖3所示插座的橫截面，芯片已就位，顯示了許多接觸件緊握焊球。接觸點高于焊球的中緯線，接觸探針標記處于"無損傷區(qū)"之外。這一夾捏動作具有試驗期間將封裝保持在插座中的好處。在經(jīng)過125°C、9小時之后在焊球上留下的見證標記示于圖7.

圖6 插座的橫截面顯示接觸焊球的夾捏式接觸件

圖7 在經(jīng)過125°C 、9小時的老化之后，在焊球上留下的探針標志SEM照片

　　與BIB（老化板）的接口

　　大多數(shù)的老化板為通孔，標準印制板技術(shù)很容易接納具有1.2~1.00 mm節(jié)距的插座。然而，對CSP,該節(jié)距小于1.0 mm,對高I/O數(shù)的器件，這會為BIB（老化板）制造商產(chǎn)生信號逃逸的問題，為I/O節(jié)距為0.75 mm的插座打出通孔并非常規(guī)方法所能，今天代價更加高昂。

　　為降低或消除與BIB接口的問題，可以使用一個內(nèi)插器（適配器）。它也被稱為扇出板，是一種焊接到插座底部上的小子卡。這個適配器以較為常規(guī)的1.27 mm節(jié)距向老化板提供了接口。此外，增加了插針的尺寸，提供了更大的強度且便于在BIB上裝配操作。

　　圖8示出了一種內(nèi)插器和插座。相比插座上的接觸件尾體，內(nèi)插器上插針的堅固性可見一般。內(nèi)插器的腳跡大小與插座相同，因此，在BIB基板面中沒有采用內(nèi)插器的不利后果。插座的高度增加不到2mm （0.080"）。

　圖8 用于48個I/0的0.75 mm CSP插座的內(nèi)插器照片，用來使得與BIB相接更加方便

　　封裝尺寸的變化

　　供應(yīng)商的重大挑戰(zhàn)將是在產(chǎn)品壽命期間適應(yīng)封裝尺寸變化的能力。芯片收縮是在半導(dǎo)體產(chǎn)品壽命期間降低成本計劃的組成部分，對于常規(guī)封裝的元器件，器件腳跡是在計劃的開始就規(guī)定好了，芯片的收縮包括在封裝之內(nèi)，對于插座或其它試驗接觸器件沒有影響。對許多芯片級封裝來說，芯片尺寸規(guī)定了器件腳跡。隨著芯片的收縮，整個封裝的尺寸將減小，相當于一個新的封裝或器件，就位的插座將無法在不經(jīng)修改的情況下處理新封裝。假定產(chǎn)品壽命期間某些芯片經(jīng)歷2或3次芯片收縮，這對基礎(chǔ)設(shè)施成本的潛在影響意義重大。

圖9 為在0.5 mm節(jié)距上接觸焊球而蝕刻成的硅袋SEM照片

圖10采用硅袋內(nèi)插器老化后焊球的SEM照片

　　Sensata的插座設(shè)計師已經(jīng)考慮到這一點，在圖3中所示的插座有一個可移去的適配器。這個適配器是一種精密模壓的零件，它使芯片與夾捏接觸件對齊，甚至在把插座安裝在老化板之后還可除去。這種通過替換適配器實現(xiàn)現(xiàn)場修整的能力，允許終用戶方便地在元件壽命期間接納封裝腳跡中的任何變化。該適配器亦允許在許多場合中使用同樣的插座，只要I/O腳跡相同，封裝適合于插座的外形性能。

　　未來

　　對節(jié)距小于0.75 mm的封裝具有成本效益解決方案的需求，已經(jīng)被許多用戶指明。今天人們可利用許多技術(shù)，但是認為它們不具有成本效益，并且不容易改裝用于大批量處理和加工設(shè)備中的裝機基礎(chǔ)之中?？傊@些技術(shù)是為測試裸芯片而研制的載體的延伸。

　　在柔性薄膜上的接觸焊盤

　　Sensata的DieMate產(chǎn)品具有MMS（大量生產(chǎn)系統(tǒng)）法生產(chǎn)的柔性薄膜，目前這一技術(shù)正在進行CSP使用評價。

　　導(dǎo)電環(huán)氧凸點

　　在陶瓷或柔體上的導(dǎo)電環(huán)氧凸點可以用來接觸焊球。焊球的底部變形位于"無變形區(qū)"之內(nèi)，具體依賴于所采用的接觸荷載和溫度/時間。

　　硅內(nèi)插器

　　已經(jīng)建議采用的另一方法是采用蝕刻而成的硅袋，示于圖9.這是已知好芯片載體技術(shù)的另一延伸，造成的探針標志示于圖10.可見焊球底部已經(jīng)變形。

　　總結(jié)

　　今天，商業(yè)上已可為節(jié)距為0.8mm和0.75mm的芯片級器件提供老化插座。由于早期實施這種封裝相關(guān)的插座批量較小，插座的價格高于用于常規(guī)封裝的插座。這與CSP產(chǎn)品壽命周期的早期階段相關(guān)，預(yù)測是價格將隨著批量要求接近于與常規(guī)封裝相關(guān)的批量而有所降低。已可供應(yīng)用于0.5 mm節(jié)距封裝的插座，然而，人們認為100美元的價格還是太高。據(jù)報導(dǎo)，許多公司正在研究設(shè)計問題，然而，低成本解決方案已經(jīng)證明難以捉摸。隨著消費產(chǎn)品的力量增加，對具有成本效益的0.5 mm插座的需求將推動研制工作。這里已經(jīng)敘述了正在考慮之中的某些接觸0.5 mm FP–BGA的方法。然而，還沒有清楚地指明誰是贏家。