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多个叠层芯片封装技术

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-10-13   阅读:1363

     本文介绍多个叠层芯片封装技术

1 引言

随着更小、更轻和更有功效的各类手机市场需求增大和PDA及别的电子器件的发展,促进了电子封装技术更小型化、更多功能的研发。2002年叠层芯片封装的总生产量为1.5亿套。此类生产量中至少95%是受到移动电话和无线PDA的驱动,以及与叠层闪存存储器和SRAM的组合所致。各类手机成为叠层芯片完美的应用领域。

事实上,日本手机制造商已把叠层式芯片封装技术应用于所有的产品中,到2006年,此市场领域中复合年度增长率为50%~60%,预计此趋势将持续下去。对此阶段全球移动电话市场,Prismark公司的预测评估为占15%~24%。作为参考,在2001年销售的手机为3.93亿部。分析家们指出在2006年手机消费的目标为:大大地多于7.85亿部。除了在发达国家中的替换销售之外,在发展中国家手机销售增长幅度极大,特别是在亚洲。

2 叠层式芯片封装技术发展趋势

通常的三维封装就是把两个或多个芯片在单个封装中进行叠层。为了在单个的封装中把芯片进行叠层并连接,已对不同的封装技术进行了探讨。部分技术采用了新的装配工艺,而别的技术使用现存的诸如BGA技术和丝焊技术。由于其现存技术的基础结构、灵活性和成本诸方面的优势,丝焊技术是三维封装中最流行的互连方法。

叠层式芯片封装技术最初的形式为两个、三个和四个引线键合的叠层,而用于低容积生产的五个、六个及更多个叠层的引线键合叠层也正在研发之中。叠层式芯片典型状况下的构形,为棱锥体或具有悬臂式设计的同样尺寸的叠层。目前,薄度为100μm的芯片已在生产,正在开发50μm厚度的芯片。伸出悬臂部分长度为1.1mm的已在生产,已计划生产伸出悬臂长度多达2.0mm的技术。

由于其封装成本的增加,到2006年为止,预计倒装芯片和引线键合封装的结合仅会占市场的5%~10%。

叠层式芯片封装技术正在驱动很多领域封装技术的发展,包括极低环形丝焊技术、内侧丝焊技术、悬臂式芯片上的丝悍技术、圆片减薄技术、薄基板以及低粘度模塑技术。封装叠层技术,最初是由Tessera公司和Intel公司研发的,是必须进行评定的一种全新替代技术。叠层式封装涉及到与单个封装中叠层多芯片技术相反的单个封装的垂直方向的叠层技术。

3 圆片减薄技术是关键

芯片减薄技术,在叠层式芯片封装技术方面是至关重要的,因为它降低了封装贴装高度,并能够使芯片叠加而不增加叠层式芯片系统方面的总高度。智能卡和RFID是体现薄型圆片各项要求的重要部分的最薄的单芯片应用形式。典型的圆片厚度约为800μm为,并可安装于引线框架之中或安装于此厚度状况的PBGA上。然而,为了维护1.2mm甚至1.0mm的总模塑封装高度,多个叠层芯片的应用要求更有效的减薄技术。圆片减薄技术包括机械式减薄、化学蚀刻和一种称为大气顺流等离子体(ADP)的新技术。

圆片减薄最普通的方法,就是传统地从圆片背部去除多余硅所使用的减薄技术。该技术提供高产量,并且可把加工圆片的厚度将到150μm。然而,这种方法通常会留下小的表面缺陷。当今在减薄技术和抛光技术方面,最具有进取性的方法能够得到的厚度约为100μm,而没有蚀刻和等离子体处理过程。这实质上是一种干燥的CMP工艺,背部减薄技术采用了具有氧化物的纤维焊盘。

如果该应用要求圆片的厚度低于150μm,就要使用湿蚀刻技术或等离子体工艺。虽然这些工艺过程较慢并且较昂贵,但是对圆片加工的应力较少,造成的损坏也相对变小。厚度为100μm的芯片生产是有限的,而厚度为75μm甚至50μm的芯片还正在研发中。典型的工艺是进行背部减薄,接着采用湿蚀刻技术,清除最后的1530μm厚的硅。

4 低外形丝焊技术

高度限制及叠层技术构形增加的复杂性对在叠层芯片应用中的丝悍技术提出了一些特殊的挑战。当芯片厚度增加时,不同线环形层之间的间隙相应减少。需要降低较低层的引线键合环形高度,以避免不同的环形层之间的线短路。环形顶层也需要保持低位,以便消除在模塑化合物外部暴露出焊线的现象。器件最大的环形高度,不应高于保持环形层之间最佳缝隙的芯片厚度。因此,如果芯片厚度为150μm,最佳的环形高度应为150μm或低于150μm

低外形环形技术的要求,已推动了反向球焊技术使用的不断增长。标准的正向球焊工艺过程,首先把球焊接头置于芯片上,实施向基板的环形移动,再把点焊接头置于引线上。而反向球焊工艺则先把凸点置于芯片焊盘上,形成凸点之后,把球焊接头置于基板上,并把点焊接头置于凸点上。

目前几种应用中,多采用标准的球焊工艺,因为标准的球焊比反向球焊更快,并能够得到更细的间距。但是标准的球焊受到环形高度方面的约束。接头上面格外的弯曲可造成颈部裂纹,这些裂纹导致了可靠性问题。使用25μm金丝获得的标准球焊环形的最小环形高度大约为125μm。由于采用了最佳化的工艺过程,安装了最佳的焊机,反向球焊能够获得低于75μm的环形高度。

除了较低的环形高度之外,反向球焊在基板的第二个接头处还形成了较大的间隙。在棱锥体叠层芯片构形中,把较小的芯片置于较大的芯片顶部,顶部芯片的线环到底部芯片边缘,像较低的环形一样,需要有足够的间隙。这通常在接近第二个接头的环形中,要求一个急弯接头,因为环形的支座点是第一个接头,因此这比放置接近于第一个接头的弯曲要困难得多。当弯曲角增大时,环形受到更大的倾斜和断裂威胁。当底部芯片比顶部芯片更大并且第二个接头引线非常接近芯片边缘时,会使此问题变得恶化。可以使用反向球焊来解决这一问题,因为反向球焊提供了急弯角和较高的弯曲高度。传统的正向丝悍技术的又一替代技术是最新研究的叠合式正向环形法。叠合式正向法为叠层芯片封装提供了一种超低环形高度、正向球焊环形外形技术。这种技术除了提供比传统的正向球焊低的环形高度和较少的颈部损坏之外,与反向球焊相比,降低了敏感芯片上的焊盘损伤,还提供了较高的产量和较好的模塑刮除。由于在第一个接头上的低变形,叠合式正向法也提供了比反向球焊更细间距的能力。在此应用中得到低于75μm的环形高度。

5 悬臂式丝悍技术

在相同尺寸的叠层芯片封装中,把两个同样尺寸的芯片进行叠层,两个芯片之间有一个隔板,顶部芯片的边缘是无支撑的。由于芯片颤动,对悬臂的焊接可引起很多问题,包括芯片裂纹、环形损坏和不一致性的凸点成形问题。为了使这些问题最小化,并且进一步消除这些问题,通常要求丝悍工艺技术的最佳化过程。最重要的丝悍技术的工艺参数为冲击力和焊接力。

一个封装最大的悬臂长度依赖与应用状况,是由芯片厚度、芯片背部缺陷尺寸、芯片粘附层特性以及在丝悍技术工艺中的冲击力和焊接力所确定的。当悬臂长度变长时,由于芯片偏离与所提供的力成正比,芯片的偏离会变的更大。芯片在角焊盘处焊接时,正在沿着芯片边缘中心焊盘处焊接所受的压力更大。

近来,在75μm厚的芯片上显示了最先进的丝悍悬臂能力,即具有2mm长悬臂的封装。此封装中,在角焊盘处存在一个150μm的芯片偏离,在中间焊盘处有75μm的芯片偏离。第一个接头之后在焊接和提升移动期间,使焊接力工艺、超声能量应用最佳化是成功的悬臂焊接的关键。

6 模塑技术

叠层芯片封装中线密度和线长度的增加,使模塑叠层封装比传统的单芯片封装更加困难。不同层的引线键合的环形,受到变化的各种牵引力的影响,可形成焊线偏差的各种改变,从而增加了焊线短路的可能性。再者,各种元件之间的间隙,使此技术避免空洞现象并获得均衡的塑变更困难。为了获得更好的模塑技术效率,不仅要求对模塑化合物进行研究和挑选,而且要求实施门控设计和线布局的最佳化过程。要求使用低粘度化合物和具有较小的填充物尺寸及较慢的模塑传递速度的化合物,这表明了焊线偏差的改进。在降低焊线偏差方面,尤其对长的悍线应用而言,顶部门控设计比转角门控设计更合乎要求。

通过在预想的偏离方向的悍线进行预变形处理,一个横向成型的环形轨迹也减少了模塑偏离。各种模塑试验表明,此状况减少了具有这种环形轨迹的悍线偏离。平均来说,模塑偏离几乎降低了50%。利用减少环形中多余的悍线,悬臂式正向环形技术有可减少模塑偏离,利用把热影响区域叠合来消除热影响区域。热影响区域是沿着悍线受模塑偏离影响最弱的区域。