高階IC封裝技術演進趨勢分析

壹、前言

進入後PC時代，隨著IA產品風起雲湧興起之際，資訊傳輸容量大為擴增，訊號傳輸的速度要求也大幅提高，同時在多功能手持式電子產品的驅動下，IC製程發展無可避免朝高容量、窄線寬的高密度化、高頻、低耗能、多功能整合方向演進，而在IC封裝技術，為配合高I/O數、高散熱以及封裝尺寸縮小化的高標要求下，使得CSP（Chip Scale Package）、FC（Flip Chip）等高階封裝型態需求持續升高，躍居未來封裝主流地位更是指日可待。

各項電子應用產品IC技術之演進趨勢

資料來源：SIA Publication。

貳、IC封裝技術之演進趨勢

IC封裝技術的演進大致上可分為四個階段，最早為插孔元件（PTH）封裝技術，接著開始進入表面黏著技術（SMT），此階段的發展主要是藉以縮小封裝體積和增加I/O腳數，但基本上兩者均以導線架為載體，利用金線連接晶片電極與導線架上的引腳，屬於週邊（Peripheral）的封裝方式，在封裝體積的縮減及I/O腳數的增加上仍有其限制。到了第三代，封裝技術演變為面矩陣式（Area Array），由於使用面矩陣封裝方式以及有機基板載體的引進，大幅增加了I/O腳數、高速率、高功率以及超薄型化的要求。第四代裸晶封裝方式更深具潛力，特別是Area-Arrayed Flip Chip封裝方式，待週邊各項技術發展成熟後，將成為未來封裝的主流。

IC封裝技術的演進趨勢

在封裝尺寸小型化的要求下，封裝腳數達到300 pin以上的封裝型態，包括BGA、TAB、CSP、FC等。所謂CSP，其定義是封裝體尺寸（長及寬）不超過晶片大小的1.2倍，或封裝產品的面積小於晶片面積的1.5倍。若以QFP的封裝面積和重量為基準，相較之下，BGA的封裝面積及重量只達QFP的一半，而CSP的封裝面積則僅達13%，重量只有五分之一，FC封裝技術，其面積及重量更只有QFP的十分之一及二十分之一。

IC封裝型態大小比較

註：以QFP為比較標準。

資料來源：工研院化工研究所。

由上述得知IC製造往窄線寬及高容量發展的同時，使得訊號傳輸速度及輸出功率大幅提升，為因應高I/O數、高散熱的要求，加上在應用電子產品輕薄短小化的驅動下，造成IC封裝型態漸往高階的CSP及FC演進的趨勢，尤其在資訊家電IA蓬勃發展之際，以及在行動電話、可攜式PDA與NB等電子產品需求激增的帶動下，IC封裝走向CSP已構成一股不可檔的潮流。根據Prismark & ETP資料顯示，預估全球CSP市場產值今年將達到10.6億美元，較去年成長46%，2003年將擴增至21.1億美元，五年複合成長率將高達48.9%，成長幅度凌駕其他封裝型態。

封裝市場產值預估（百萬美元）

資料來源：Prismark & ETP。

在應用市場方面，過去CSP主要應用在小尺寸IC及PC卡上，近來隨著手持式IA的Flash Memory需求量的擴大，已廣泛應用在Flash、Low Power SRAM、Flash Combo、DRAM及RDRAM，未來高頻的DDR SDRAM推出後，由於更強調封裝電氣特性，故BGA CSP將會是最理想的選擇。未來隨著應用需求擴增，生產成本下降後，CSP將有機會取代目前BGA及QFP的應用領域。

先進產品封裝型態

註：MCM為Multi-Chips Module多晶片模組，WLP為Wafer Level Package晶圓級封裝，兩者同為高階封裝技術之一。

高階封裝形式的演進過程，從BGA、CSP、FC發展至今，甚至有所謂晶圓級封裝（wafer level package）概念的興起，WL-CSP與傳統的CSP不同之處，在於WL-CSP是直接用整片晶圓進行封裝後再切割的技術，雖然較目前先切割再封裝的方式既經濟又快速，因為不但可省下填膠（Underfill）、組裝、基板（Substrate）的製作，還可節略黏晶、打線等製程，不論晶粒大小、腳數多少，都可在晶圓上直接進行封裝，因此大幅減少人工成本外，也縮短封裝的製程時間，此外，WL-CSP的另一項優勢在於，為較大的晶圓進行封裝，成本越能壓低，不但符合8吋、12吋晶圓趨勢的發展，更使封裝廠的獲利提高，且因WL-CSP可使產品的內部連綿長度縮短，產品將更具高效能，符合IC的高速特性；但由於KGD（known good die）的技術尚未成熟，良率不高，故全面量產的時程恐怕仍須待研發有所突破後才有可能達成。

參、凸塊封裝為高階IC封裝技術的特色

一般而言，外引腳的種類有導線架（lead frame）、端子型（Land Grid Array，簡稱LGA）等，在內部接合方面，則有打線接合（wire bond）、引腳接合（lead bond）、周圍凸塊接合（peripheral bump bond）及區域凸塊接合（area bump bond）等。具有輕薄短小優勢的CSP封裝，其封裝方式不同於打線方式，而是以錫鉛凸塊（Solder Bumps）或金凸塊（Gold Studs）直接生長在晶圓表面，凸塊封裝方式，主要是為了連接較多的I/O數目，以高階封裝方式而言，高密度化封裝走向面矩陣式封裝型態大都採用凸塊封裝的方式，但FC與BGA不同之處在於，BGA係在基板（Substrate）下採取錫鉛凸塊，而FC則是在晶片上產生凸塊，其做法是將晶片之面倒置後，以凸塊形式直接與塑膠基板連接，故稱為覆晶封裝。

                       錫鉛凸塊                                           金凸塊

FC封裝技術最早是由IBM公司於1961年發展出來，名為C4（Controlled Collapse Chip Connection）製程技術，將晶片上用蒸鍍方式做好錫鉛凸塊（Solder Bump）後，再黏著於陶瓷基板上，由於所有凸塊均長在晶片上，即成為真正的CSP。

晶圓凸塊的封裝流程相當類似晶圓廠的製程（濺鍍與黃光步驟），大致可分為幾個階段，先在來自晶圓廠的晶圓上，用光蝕刻製程作出圖樣（pattern），經由電鍍製作成一般的球下金屬層（Under Bump Metallurgy；UBM）與錫球成型凸塊步驟後，再將晶圓切成晶片，沾上助銲劑（Flux）黏著於塑膠基板上，在黏著的製程中，可與BGA使用相同的SMT設備而不需變更其他製程，但FC在黏著焊接後還要再加一道填充的製程，即以液體之底部充填膠（underfill）將凸塊及銲點密封，烘烤固化後才告完成。

由於底部充填膠之開發，使得原先C4技術必須要黏著之陶瓷基板，可進而由塑膠基板替代之，又因為可從晶片表面任何位置上設立電極，電極增加不但不影響封裝尺寸大小，且可以在最短距離與塑膠基板連接，加快訊號傳輸的速率，另外還具有引線短、低電感、高頻雜訊易控制及晶粒散熱性高等優點，使得此種封裝型態更加符合市場對於輕薄短小以及高效能產品的要求，但也由於多了一道填充製程，因而使得FC封裝技術的測試檢驗較為不便，在SMT製程中的不穩定性及複雜性亦隨之升高。此外，由於目前凸塊及IC基板的製造成本較高，使得FC封裝市場需求成長受到限制，但在高階封裝需求前景看俏下，仍驅使國內不少廠商投入相關領域的研發與製造，除了IC基板供應商多為PCB廠商或封裝廠的轉投資公司外，由於晶圓凸塊與晶圓製程類似，因此凸塊的供應廠商除了大型封裝廠本身與國外廠商技術授權外，部份有能力製造凸塊的專業廠商因為同時也具有高階封裝的技術能力，因而成為潛在的競爭對手。

肆、國內相關廠商的高階封裝技術概況

若將國內封裝業者的高階封裝技術與國外大廠作一比較，國內CSP量產技術最高腳數達256腳，最小球間距為0.75mm，仍遜於先進國家的最高腳數768腳，最小球間距0.5mm。此外，在FC方面，國內FC技術試產達1000腳數，也低於先進國家2300腳。換言之，無論在CSP或FC等高腳數的封裝量產技術上，我國廠商仍較國外大廠落後許多，但畢竟高階封裝市場需求在現階段還不算大，故若以目前主流產品封裝而言，以我國廠商的技術水準仍足夠滿足市場的主要需求。

以國內廠商的技術水準來看，部分國內大廠已自國外取得CSP、FC等相關技術授權，如日月光、矽品，除取得Tessera的Micro-BGA技術授權外，同時也自FCT（Flip Chip Technology）公司引進FC長凸塊製程技術，此外，由於看好通訊產品（例如手持式產品所需之SRAM、DRAM、Flash、RF IC、Regulator IC等）對高階封裝的需求，日月光及矽品相繼於日前再度宣佈獲得全球最大IC封裝設備廠K&S（Kulicke & Soffa）旗下合資公司美商FCT，達成在CSP技術上的授權協議，將獲得其「Ultra CSP」技術移轉，由於此類封裝技術可選擇不需底部充填膠，故嚴格說來並非FC技術的一種，一般而言由於通訊產品對於高頻、高速效能表現的要求較高，FC技術較能達成產品需求，但Ultra CSP在製程技術上較FC更有彈性，生產成本也較低廉，因此特別適用於I/O數目少、產出顆粒多（具量產規模）的低價通訊晶片上。日月光計劃將此高階封裝新技術整合至高雄廠現有的CSP封裝生產線中，預計今年第一季結束前，晶圓凸塊單月產能將達一萬九千片，第二季底則有機會成長至單月三萬片，矽品也預計將此CSP高階封裝技術整合至台中廠的生產線中。

除了封裝測試大廠自國外廠商技術移轉高階封裝技術外，國內DRAM模組生產廠商也有自行成功研發CSP生產技術的，例如勝開的Tiny BGA與群翼的SIM BGA等。此外，在FC凸塊需求的擴增下，也帶動了相關錫鉛凸塊廠商的興起，例如米輯、華治、悠立等。

國內投入高階封裝及凸塊的相關廠商

資料來源：IT IS（2000）及富邦投顧研發部整理。

伍、結論

隨著手持式通訊及消費性電子產品之成長性已凌駕於傳統PC產品之上，電子元件持續朝高密度、高I/O數發展，而相關的封裝技術亦朝輕薄短小，及低成本方向發展。為符合未來封裝技術演進趨勢所產生的需求，國內除了有大型封裝廠商相繼投入CSP、FC、Bumping等高階封裝技術外，也有不少專業凸塊廠前來分食這塊大餅。在國內廠商看好高階封裝市場前景且紛紛投入之際，若我國業者能以向來最擅長的量產技術降低生產成本，進而與國外業者共同合作研發兼具高效能表現及低成本的高階產品的話，則高階封裝的商機落實在國內業者身上的機會將大大提高，不過未來的進展仍有待國內廠商在相關技術上的努力與研發。　

(本文摘自富邦證券--三月月刊 )