對(duì)IC封裝永無(wú)止境的改進(jìn)給工程師提供了比以往更多的選擇來(lái)滿足他們的設(shè)計(jì)要求。隨著越來(lái)越多的先進(jìn)方法浮出水面，封裝類型將變得越來(lái)越豐富。

今天，用更低的成本將更多功能集成進(jìn)更小的空間占了主導(dǎo)地位，從而使得設(shè)計(jì)工程師可以將更多芯片堆疊在一起。因此，我們將會(huì)看到3D IC封裝的快速普及。

3D IC技術(shù)蓬勃發(fā)展的背后推動(dòng)力來(lái)自消費(fèi)市場(chǎng)采用越來(lái)越復(fù)雜的互連技術(shù)連接硅片和晶圓。這些晶圓包含線寬越來(lái)越窄的芯片。

為了按比例縮小半導(dǎo)體IC，需要在300mm的晶圓上生成更精細(xì)的線條。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)VLSI Research(圖1)預(yù)測(cè)，雖然目前大多數(shù)量產(chǎn)的IC是基于55nm或55nm以下的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，但這些設(shè)計(jì)規(guī)則將縮小至38nm或更小，到2013年甚至?xí)s小到27nm。



這些尺寸縮小了的IC設(shè)計(jì)促進(jìn)了人們對(duì)高密度、高成本效益的制造與封裝技術(shù)的需求，進(jìn)而不斷挑戰(zhàn)IC制造商盡可能地減少越來(lái)越高的固定設(shè)備投資成本。

許多3D應(yīng)用仍使用傳統(tǒng)的球柵陣列(BGA)、方形扁平無(wú)引線(QFN)、引線柵格陣列(LGA)和小外形晶體管(SOT)封裝。不過，更多應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向兩種主要技術(shù)：扇出晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP)和嵌入式裸片封裝。

目前，扇出WLCSP主要用于采用BGA的多引腳數(shù)(超過120個(gè)引腳)應(yīng)用。嵌入式裸片封裝技術(shù)適合用于引腳數(shù)較少的應(yīng)用，這些應(yīng)用將芯片和分立元件嵌入PCB基板，并采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)IC(圖2)。


圖2：IC、MEMS器件和其它元件將采用了WLCSP和硅通孔(TSV)技術(shù)的無(wú)源器件組合在一起。

德州儀器(TI)的研究人員認(rèn)為，WLCSP正在向標(biāo)準(zhǔn)化的封裝結(jié)構(gòu)發(fā)展。WLCSP可以包含WLCSP IC、MEMS IC和無(wú)源器件的組合，并且這些器件通過硅通孔(TSV)技術(shù)互連。TSV的底層可以是一個(gè)有源WLCSP器件、僅一個(gè)中介層或一個(gè)集成式無(wú)源中介層。頂層可以是一個(gè)IC、一個(gè)MEMS器件或一個(gè)分立器件(圖3)。



但不管是哪種封裝類型，隨著引腳數(shù)量和信號(hào)頻率的增加，預(yù)先規(guī)劃封裝選項(xiàng)的需求變得越來(lái)越重要。例如，帶有許多連接的引線鍵合封裝可能由于高感應(yīng)系數(shù)而要求在芯片上提供更多的電源緩沖器。焊接凸點(diǎn)類型、焊盤以及焊球的放置也會(huì)極大地影響信號(hào)完整性。


TSV:言過其實(shí)還是事實(shí)？

TSV技術(shù)本質(zhì)上并不是一種封裝技術(shù)方案，而只是一種重要的工具，它允許半導(dǎo)體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起?；谶@個(gè)原因，TSV在大型IC封裝領(lǐng)域中是一個(gè)重要的步驟。但TSV不是推動(dòng)3D封裝技術(shù)進(jìn)步的唯一方法。它們僅代表眾多材料、工藝和封裝開發(fā)的一個(gè)部分。

事實(shí)上，采用TSV互連的3D芯片還沒有為大批量生產(chǎn)作好準(zhǔn)備。盡管取得了一些進(jìn)步，但它們?nèi)灾饕抻糜贑MOS圖像傳感器、一些MEMS器件以及功率放大器。超過90%的IC芯片使用經(jīng)過驗(yàn)證的引線鍵合方法進(jìn)行封裝。

TI 公司策略封裝研究和外協(xié)部門經(jīng)理Mario A.Bolanos在今年的ConFab會(huì)議上指出，在3D芯片中使用TSV面臨許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：缺少電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具，需要極具成本效益的制造設(shè)備和工藝，與熱問題、電遷移和熱機(jī)械可靠性相關(guān)的良率和可靠性數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)，以及復(fù)合良率損失及已知合格芯片(KDG)數(shù)據(jù)等。

與在750μm厚的硅晶圓上制造的傳統(tǒng)IC不同，3D IC要求晶圓非常薄，厚度通常約100μm甚至更薄。鑒于這種超薄晶圓的脆弱性，迫切需要極其專業(yè)的臨時(shí)鍵合和解鍵合設(shè)備，以確保晶圓結(jié)構(gòu)的完整性，特別是在蝕刻和鍍金工藝期間的高處理溫度和應(yīng)力下。在鍵合完成后，晶圓要執(zhí)行一個(gè)TSV背面工藝，然后進(jìn)行解鍵合步驟。這些典型步驟可產(chǎn)生更高的良率水平，從而支持更具成本效益的批量生產(chǎn)。

目前，在鍵合和工藝溫度及相關(guān)可靠性方面還缺少TSV標(biāo)準(zhǔn)。晶圓位置的TSV分配標(biāo)準(zhǔn)化也是如此。如果有足夠多的IC制造商來(lái)研究這些問題，那么在擴(kuò)展TSV的互連作用方面還可以取得更大的進(jìn)展。超過200℃至300℃的高工藝溫度對(duì)于TSV的經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)來(lái)說是不可行的。

提供3D集成技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的Ziptronix公司將直接邦定互連(DBI)技術(shù)授權(quán)給了Raytheon Vision Systems公司。據(jù)Ziptronix公司介紹，低溫氧化物邦定DBI技術(shù)是3D IC(圖4)的一種高成本效益解決方案。



但是，許多半導(dǎo)體IC專家認(rèn)為半導(dǎo)體行業(yè)正處于選擇2D(平面)和3D設(shè)計(jì)的十字路口?？紤]到制造、設(shè)計(jì)、工藝和掩膜成本，他們發(fā)現(xiàn)在從45nm設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向32nm和28nm設(shè)計(jì)時(shí)，成本會(huì)增加三倍至四倍。在蝕刻和化學(xué)蒸氣拋光以及處理應(yīng)力效應(yīng)問題等方面還需很多改進(jìn)，這使得3D封裝挑戰(zhàn)愈加嚴(yán)峻。而這正是TSV技術(shù)的合適切入點(diǎn)。

法國(guó)的Alchimer S.A.是一家提供用于半導(dǎo)體IC互連的納米沉積薄膜的廠商，該公司已經(jīng)驗(yàn)證，與高寬比為5:1(見表)的TSV相比，高寬比為20:1的TSV可以為IC芯片制造商每300mm晶圓節(jié)省超過700美元。這是通過減少互連所需的裸片面積實(shí)現(xiàn)的。



Alchimer 公司利用現(xiàn)有面向移動(dòng)應(yīng)用的3D堆棧對(duì)TSV的成本和空間消耗建模。這個(gè)堆棧包括一個(gè)低功耗微處理器、一個(gè)NAND存儲(chǔ)器芯片和一個(gè)65nm工藝節(jié)點(diǎn)上制造的DRAM芯片。芯片通過約1000個(gè)TSV互連，并對(duì)高寬比5:1、10:1和20:1下的處理器裸片進(jìn)行了計(jì)算。

IBM、瑞士的école Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)正在借助微流體MEMS技術(shù)(圖5)聯(lián)合開發(fā)面向3D IC(使用TSV)的微冷卻技術(shù)。這項(xiàng)被稱為CMOSAIC的合作正在探討一種多核3D堆棧架構(gòu)，其互連密度范圍為100到10000個(gè)連接/mm2。


圖5：未來(lái)的3D堆?？赡馨幚砥?、存儲(chǔ)器、邏輯和模擬及RF電路，所有這些都通過TVS互連。流體通過MEMS微通道實(shí)現(xiàn)冷卻。[!--empirenews.page--]

IBM/瑞士團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用單相流體和兩相冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)微通道。納米表面將在幾個(gè)毫米的芯片中用管道輸送包括水和環(huán)保的制冷劑在內(nèi)的冷卻液，從而達(dá)到吸引熱量和散熱的目的。一旦流體以蒸氣形式離開電路，冷凝器會(huì)使蒸氣回復(fù)液體狀態(tài)，然后再泵回芯片用于冷卻。



引線鍵合和倒裝芯片

引線鍵合和倒裝芯片(flip-chip)互連技術(shù)當(dāng)然不會(huì)坐以待斃。許多倒裝芯片晶圓凸點(diǎn)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，包括使用共熔倒裝芯片泵、銅柱和無(wú)鉛焊接。最新的封裝發(fā)展包括使用封裝上封裝(PoP)方法、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)、無(wú)引線(QFN)封裝以及它們的衍生技術(shù)。

3D結(jié)構(gòu)已經(jīng)享譽(yù)封裝領(lǐng)域多年。在帶有引線鍵合的堆疊式裸片結(jié)構(gòu)中使用BGA封裝已經(jīng)近十年了。例如在2003年，意法半導(dǎo)體展示了一款采用BGA的10片堆疊結(jié)構(gòu)，這在當(dāng)時(shí)是創(chuàng)了記錄的。

對(duì)于高密度和功能強(qiáng)的手持產(chǎn)品來(lái)說，像PoP概念這樣的3D方法一定會(huì)引起人們的特別關(guān)注。設(shè)計(jì)工程師必須仔細(xì)考慮兩個(gè)問題：熱循環(huán)和跌落測(cè)試可靠性。兩者都是封裝材料質(zhì)量和可靠性的函數(shù)。當(dāng)PoP結(jié)構(gòu)的底層互連間距從0.5mm變?yōu)?.4mm、頂層互連間距從0.4mm變?yōu)?.5mm時(shí)，這將變得更加重要。

三星電子(Samsung Electronics)發(fā)布了一款0.6mm高、多裸片、8芯片的封裝，主要用于高密度存儲(chǔ)器應(yīng)用。據(jù)該公司透露，這種封裝最初是為32GB存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的，厚度只有傳統(tǒng)8芯片存儲(chǔ)器棧的一半，能為高密度多媒體手機(jī)和其它移動(dòng)設(shè)備提供厚度和重量均縮減40%的存儲(chǔ)器解決方案。

這種封裝的重要?jiǎng)?chuàng)新之處是使用了30nm NAND閃存芯片，每顆芯片的厚度只有15 μm。三星公司設(shè)計(jì)了一種超薄技術(shù)來(lái)克服傳統(tǒng)技術(shù)的局限性，即厚度在30μm以下時(shí)IC芯片抵抗外部壓力的限制。此外，這種新的封裝技術(shù)可以被應(yīng)用于其它多芯片封裝(MCP)，如SiP和PoP。

“這一封裝技術(shù)的發(fā)展為在目前的移動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中整合更高密度和更多功能提供了最佳解決方案，從而使設(shè)計(jì)工程師能更自由地創(chuàng)造富有吸引力的設(shè)計(jì)，以滿足當(dāng)今用戶對(duì)不同風(fēng)格以及超薄喜好的需求?！比枪痉庋b開發(fā)部門副總裁Tae Gyeong Chung表示。

市場(chǎng)發(fā)展也在影響QFN封裝領(lǐng)域。德國(guó)的Fraunhofer IZM公司開發(fā)出了一種聚合物內(nèi)埋置芯片(chip-in-polymer)工藝，將沖擊和震動(dòng)保護(hù)嵌進(jìn)芯片中，并使其互連距離縮短，從而增強(qiáng)芯片性能。這種工藝先使芯片變薄，然后將其粘附到很薄的基板上。

再用帶樹脂涂覆的銅全部覆蓋表面(樹脂層厚約80μm，銅表面厚5μm)。樹脂被固化，互連過孔通過激光鉆孔至連接焊盤，并用金屬電鍍。然后頂層上的再分配層被蝕刻掉銅。

這種工藝已經(jīng)在QFN等標(biāo)準(zhǔn)封裝的商業(yè)化生產(chǎn)中得到優(yōu)化，而無(wú)需專門的設(shè)備或其它延遲。采用聚合體嵌入式QFN（其本質(zhì)上是引線被芯片底面的焊盤取代的無(wú)引線方形封裝)是HERMES項(xiàng)目的一部分。

HERMES由Fraunhofer公司和另外10家歐洲工業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)組成，其目標(biāo)是推進(jìn)芯片和有源與無(wú)源器件的嵌入，以實(shí)現(xiàn)更多功能的集成和更高的密度。該技術(shù)基于PCB制造和裝配實(shí)踐的采用以及標(biāo)準(zhǔn)化的硅裸片，強(qiáng)調(diào)精細(xì)間距互連、大功率性能和高頻兼容性。

選擇QFN封裝是因?yàn)樗诎⒖刂破鱅C的小型超薄設(shè)備中比較常見。Fraunhofer的研究人員相信，QFN將接管由其它類型封裝控制的許多利基應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式QFN包含一個(gè)厚度僅50μm左右的5x5mm大小芯片。封裝本身的尺寸是100x100mm。芯片上的84個(gè)I/O引腳之間的間距是 100μm(封裝上為400μm)。

馬來(lái)西亞的Unisem Berhad公司也發(fā)布了一種高密度引線框(leadframe)技術(shù)：引線框柵格陣列(LFGA)，它能提供與BGA相當(dāng)?shù)拿芏?。該公司表示，該技術(shù)為兩層FPGA封裝提供了高成本效益的替代方案。與QFN封裝相比，它有更短的引線鍵合長(zhǎng)度。此外，它能在5.5mm2的面積中容納10x10mm、72引線的QFN封裝。

“這種封裝能提供更好的外形尺寸，同時(shí)具有更高的I/O密度和更好的熱性能與電氣性能。而且它更薄，最重要的是，能在前端裝配中提供高得多的良率?！狈庋b開發(fā)人員T.L.Li表示。

正在研究將芯片嵌入進(jìn)各種介質(zhì)的其它公司還包括Dai Nippon Printing。該公司成功地將引線鍵合至印刷線路板(PWB)的高性能IC芯片嵌入多層PWB中，其成功之處在于獨(dú)特的埋入式凸出互連技術(shù)。PWB可在任意層間互連(通過孔連接)，焊凸點(diǎn)則由通過絲網(wǎng)印刷術(shù)形成的高導(dǎo)電性錫膏生成。

對(duì)引線框的基礎(chǔ)金屬進(jìn)行半蝕刻并使其內(nèi)部引線變長(zhǎng)將大幅縮短芯片與其連接的引線框之間的距離，同時(shí)顯著減少用于連接的金線數(shù)量，最終降低制造成本(圖6)。PWB內(nèi)包含超過700個(gè)引腳的IC將在今年開始批量生產(chǎn)。有源和無(wú)源器件可以同時(shí)量產(chǎn)。



開發(fā)環(huán)氧助焊劑材料的工作還在進(jìn)行，這種材料能改善傳統(tǒng)錫銀銅(SnAgCu)的熱循環(huán)和跌落試驗(yàn)可靠性缺陷。開發(fā)這種材料將有助于提升采用PoP的3D IC技術(shù)。雖然PoP制造采用常用的錫鉛(SnPb)焊接合金(比SnAgCu材料更具優(yōu)勢(shì))，但仍需要一種無(wú)鉛化合物來(lái)處理面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的大型高密度3D PoP結(jié)構(gòu)。

Henkel公司最新開發(fā)的多核LF620是一種無(wú)鉛助焊劑，可用于大范圍的封裝應(yīng)用。這種免清洗的無(wú)鹵化物、無(wú)鉛材料采用新的化學(xué)活性劑構(gòu)成。因此，它通過焊盤內(nèi)連接盡可能降低了CSP的空洞率，具有良好的接合性能，并在大量表面處理工藝下實(shí)現(xiàn)了卓越的可焊接性。

作者：Roger Allan