近年来标准表面贴装元器件的引脚节距大幅度地降低，对表面贴装工业带来了重新整合的冲击。传统的2.5 至 1.25 mm (100 至 50 mil)引脚节距的元器件被0.5 mm (20 mil)节距的元器件所替代（见图1所示）。现如今的趋势是愈来愈多的印刷电路板制造厂商将工艺定位在0.4 mm （16 mil ）引脚节距的标准表面贴装元器件上。另外，先进的组装技术，例如：载带自动键合（tape automated bonding 简称TAB）技术，已经将引脚的节距降低到0.2mm (8 mil)甚至更小。

图1反映了集成电路封装的发展趋势，从10多年前节距为2.54mm (100mils)的有引脚封装器件已经发展到了现如今节距为0.4mm(16mil)甚至更小的封装器件。具有大量引脚数量的器件、球栅阵列和直接芯片连接将成为普遍接受的器件。

图1 集成电路封装的发展趋势（略）

互连技术面临的挑战

随着四周有引脚封装器件朝着引脚节距超精细方向的不断发展，互连技术开始向着其极限的方向不断靠拢。在管芯一级，随着输入和输出端口（I/O）以及管芯尺寸的不断增加，功能和性能达到了相当高的层次。这些具有大量输入和输出端口的管芯能够安置在采用标准引脚节距的较大的封装中，或者通过降低引脚之间的节距，安置在较小的封装中。这种较大尺寸的封装迫使在印刷电路板上(printed circuit board简称PCB)的引线节距放大，为了能够与这些较大的封装相适应，所需的互连线长度也增加了，这样不利于预期性能目标的实现。这些较大的封装很难制造生产及装配到电路板上去，这样就增加了生产成本，降低了装配时的生产效率。具有精细节距的微型封装如何能够满足输入和输出端口的增加，这是一项组装业所面临的挑战。很清楚，电路板装配厂商必须在封装尺寸、元器件引脚节距和周边有引脚元器件的可制造性三个方面予以综合性考虑。

可供选择的封装方案

针对解决上述问题所研制开发出来的表面阵列组装技术，能够在不牺牲可制造性的同时提高组装性能。这种方式将周边采用输入输出端口的形式替换掉，而在封装器件的底部安置上均匀分布的二维阵列排列形式。如表1和表2所示，采用表面阵列形式的封装与周边有引脚的封装相比较，随着引脚节距的缩小，输入和输出数量的大幅度增加以及封装体积尺寸的大幅度缩小是非常引人注目的。

表1：对于基座尺寸大小为0.800 in2的封装器件上的引脚节距与I/O数量的比较

表2：对于一个I/O数量为300的元器件引脚节距与封装基座尺寸的比较

上面两张表显示了采用表面阵列组装形式的性能和制造优势。然而，在采用表面阵列形式的组件底面上的二维阵列配置涉及到许多装配工作，必须对装配检测技术进行变更。因为这些互连隐藏在肉眼无法看到的位置上，外观检查工作很难进一步实施下去。装配人员必须认识到对待表面阵列装配工艺应该非常的仔细小心，并且要进行有效的工艺控制，从而消除对检测工作的需求。

对于表面阵列组装形式来说，有两个主要的种类：球栅阵列（ball grid array 简称BGA）和倒装芯片（flip chip简称FC），本文着重介绍倒装芯片。

倒装芯片器件（FC）

与传统的表面贴装元器件不同，倒装芯片元器件没有封装外壳。横穿整个管芯表面的互连阵列替代了周边线焊的焊盘（见图2所示）。管芯以翻转的形式直接安置在板上或者向下安置在有源电路上面。由于取消了对周边I/O焊盘的需要，互连线的长度被缩短了，这样可以在没有改善元器件速度的情况下，减少RC延迟现象。图2显示了倒装芯片装配的变化形式。采用控制塌陷芯片连接（controlled collapse chip connection简称C4）技术可以在320℃时，熔化含有大量锡的焊球，但是此项技术仅被用于采用陶瓷基片的应用场合。
a)高温再流焊接

b)低温再流焊接

图2、倒装芯片装配连接（略）

倒装芯片有三种主要的连接形式：控制塌陷芯片连接（C4）、直接芯片连接（direct chip attach简称DCA）和倒装芯片。

控制塌陷芯片连接（C4）

控制塌陷芯片连接（C4）技术是一种超精细间距的BGA型式。管芯具有97Pb/3Sn焊球阵列，在0.2~0.254mm (8~10 mil)的节距上，一般所采用的焊球直径为0.1~0.127mm (4~5 mil)。焊球可以安置在管芯的四周，也可以采用全部或者局部的阵列配置形式。使用C4互连技术的倒装芯片，通常连接到具有金或者锡连接焊盘的陶瓷基片上面，这主要是因为陶瓷能够忍受较高的再流焊接温度(见图2所示)。

这些元器件不能使用标准的装配工艺进行装配操作，因为97Pb/3Sn焊料再流焊接温度为320℃，对于C4互连来说，尚没有其它的焊料可以采用。代替焊膏的高温焊剂被涂布在基片的焊盘上面或者在焊球上面。元器件的焊球被安置在具有焊剂的基片上，这种焊剂能提供足够的粘性，以确保在焊料发生再流时，元器件不发生移位现象。装配时的再流焊接温度大约在360℃左右, 此刻焊球发生熔化从而形成互连。当焊料发生熔化时，管芯利用其自身所拥有的易于自动对准的能力与焊盘连接，这种方式类似于BGA组件。焊料"塌陷"到所控制的高度时，形成了桶型互连形式。

对于C4器件来说，进行大批量生产应用的主要是陶瓷球栅阵列（Ceramic ball grid array简称CBGA）和陶瓷圆柱栅格阵列(Ceramic column grid array简称CCGA)组件的装配。另外，有些组装厂商在陶瓷多芯片模块(MCM-C)应用中使用这项技术。目前已在生产应用的元器件具有3~1500 I/O，开发计划是瞄准超过3000 I/O的元器件。
C4元器件具有的主要优点是：

●组件具有优异的热性能和电性能。
●在中等焊球节距的情况下，能够支持极大的I/O数量。
●不存在I/O焊盘尺寸的限制。
●通过使用群焊技术，进行大批量可靠地装配。
●可以实现最小可以的元器件尺寸和重量。
另外，C4元器件在管芯和基片之间能够采用单一互连，从而可以提供最短的、最简单的信号通路。降低界面的数量，可以减小结构的复杂程度，提高其固有的可靠性。

要成功实施C4技术在技术方面所遇到的挑战很少，通过已经开发的工艺方法和在生产过程中的实际应用这一点已得到了证明。然而，这项经验是建立在尚没有被业界广泛应用的基础上。装配厂商试图实施这项技术时，将发现他们最大的挑战在于如何学会利用这项技术来生产他们的产品。一般来说可以从最初开发出这项技术的公司中获得有关的帮助。
因为C4元器件仅能够被安置在陶瓷基片上面，它们最具竞争性的是在高性能、高I/O数量的元器件应用场合，例如：CBGA、 CCGA，以及MCM的应用中。

直接芯片连接（DCA）

直接芯片连接（direct chip attach 简称DCA）技术，像C4技术一样，是一种超微细节距的BGA形式。管芯与在C4中所描述的完全一样。C4和DCA之间的不同之处在于所选择的基片不同。DCA基片所采用的一般为用于PCB（印刷电路板）的典型材料。所采用的焊球是97Pb/3Sn，与之相连的焊盘采用的是低共熔点焊料(37Pb/63Sn)（见图2所示）。为了能够满足DCA的应用需要，低共熔点焊料不能通过模板印刷施加到焊盘上面，这是因为它们的节距极细（0.2~0.254mm/8~10 mil）的缘故。作为一种替代方式，板上的焊盘必须在装配以前涂覆上焊料。在焊盘上的焊料容量大小是非常关键的。比起其它超微细节距的元器件来，它所施加的焊料显得略多。0.05~0.127mm厚的焊料被施放在焊盘上面，使之呈现出半球型的形状，在元器件贴装以前必须使之平整，否则焊球不能够可靠地安置在半球型的表面上面。为了能够满足标准的再流焊接工艺流程，直接芯片连接技术混合采用具有低共熔点焊膏的高锡含量凸点。

这些元器件能够使用标准的表面贴装装配工艺方法进行装配，施加到管芯上的焊剂与在C4中所采用的相同。在DCA装配时所采用的再流焊接温度大约为220℃，低于焊球的熔化点温度而高于连接焊盘上的焊料熔化温度。在管芯上的焊球起到了刚性支撑的作用。焊料填充在焊球的周围，因为这是在两个不同的Pb/Sn焊料组合之间形成的互连，在该处焊盘和焊球之间的界面将消失，在相互扩散的区域具有从97 Pb/3Sn到37Pb/63Sn形成光滑的梯度。通过刚性的支撑，管芯不会像在C4中那样发生"塌陷"现象，但是特有的趋于自我对中的能力依然保持不变。大规模的生产应用DCA器件已经开始进行。推动这项技术发展的不在于它所具有的较高的I/O数量，而是主要在于它的尺寸、重量和价格。
DCA器件的优点有点类似于前面所叙述的C4。因为它们能够在标准的表面贴装工艺处理下安置到电路板上面，能够适合这项技术的潜在应用场合是数不胜数的，尤其是在便携式电子产品的应用中。

然而关于DCA技术的优点也不能过于夸大，要实现它仍存在一些技术方面的挑战。有经验的装配厂商在生产过程中使用这项技术时，继续重新处理和改善他们的工艺流程，业界实际上还没有对此项技术广泛的工艺处理经验。由于消除了围绕在管芯四周的封装，所有复杂的高密度连接直接进入PCB内，形成了复杂的表面贴装装配。

胶粘剂连接的倒装芯片

胶粘剂连接的倒装芯片（Flip chip adhesive attachment简称FCAA）可以具有许多形式，它采用胶粘剂来替代焊料，将管芯与下面的有源电路连接在了一起。胶粘剂可以采用各向同性导电材料、各向异性导电材料，或者采用根据连接情况的非导电连接。另外，所采用的基片可以是陶瓷、PCB材料、柔性电路，甚至是玻璃，这项技术的应用非常广泛。

结束语

纵观前面所述有关元器件组装技术，很清楚表面阵列配置的组装技术将成为电子组装业最主要的发展潮流，而它们所提供的超越现今表面贴装组装的优点，将导致被迅速采纳和集成到所有的各类电子组装中。
倒装芯片不仅能够满足现在己有的其它组件所不能够提供的高性能、大量I/O数量的应用要求，也给当今的有引脚元器件提供了一种可靠的可替换方案。如果人们能够克服元器件必须拥有引脚，连接好了以后必须具有可视检测的习惯心理的话，那么倒装芯片技术的应用将更为广泛，从而步入到主流的组装技术中去。