SIP封裝工藝

第9卷,第2期電子與封裝第70期Vol 9 No 2electRoniCS PACKAGINg封裝組裝與測試SIP封裝工藝王阿明,王峰(中興通訊有限公司,西安710065)摘要:系統級封裝(SIP)技術(shù)從20世紀90年代初提出到現在,經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,已經(jīng)被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛接受,成為電子技術(shù)研究新熱點(diǎn)和技術(shù)應用的主要方向之一,并認為它代表了今后電子技術(shù)發(fā)展的方向,SIP封裝工藝作為SIP封裝技術(shù)的重要組成部分,這些年來(lái)在不斷的創(chuàng )新中得到了長(cháng)足的發(fā)展,逐漸形成了自己的技術(shù)體系,值得從事相關(guān)技術(shù)行業(yè)的技術(shù)人員和學(xué)者進(jìn)行研究和學(xué)習,文章從封裝工藝角度出發(fā),對SIP封裝制造進(jìn)行了詳細的介紹,另外也對其工藝要點(diǎn)進(jìn)行了詳細的探討。關(guān)鍵詞:封裝工藝;表面處理;封裝基板中圖分類(lèi)號:TN30594文獻標識碼:A文章編號:1681-1070(2009)02-001105SIP Packaging TechnologyWANG A-ming, WANG Feng(ZTE, Xi'an 710065, China)Abstract: System-in-Package(SIP )technology from the early 1990s made up to now, after more than a decadeof development, has extensive academic and industry acceptance and become the new hot technology and oneof the major directions, it represents the future direction of the development of electronic technologySIPpackSIPpackaging tetechnolont component the years of constant ingy an important comphas grown by leaps and bounds, and haengaged in technology-related industry, technicians and academics to conduct research and study, In thispaper, packaging technology from the point of view of the package to create a detailed, as well as on the processthe main points of concern, this article would like to be able to work in this field technicdevaluable technical informationKey words: packaging technology; surface treatment; package subst再到單個(gè)封裝體中加入多個(gè)芯片、疊層芯片以及無(wú)前言源器件,最后發(fā)展到一個(gè)封裝構成一個(gè)系統(此時(shí)的封裝形式多為BGA、CSP等)。SIP是MCP進(jìn)一步系統級封裝( system in package,SP)是指將不發(fā)展的產(chǎn)物,二者的區別在于:SIP中可搭載不同類(lèi)同種類(lèi)的元件,通過(guò)不同種技術(shù),混載于同一封裝型的芯片,芯片之間可以進(jìn)行信號存取和交換,從體內,由此構成系統集成封裝形式。該定義是經(jīng)過(guò)而以一個(gè)系統的規模而具備某種功能;MCP中疊層不斷演變、逐漸形成的。開(kāi)始是在單芯片封裝體中的多個(gè)芯片一般為同一種類(lèi)型,以芯片之間不能進(jìn)加入無(wú)源元件(此時(shí)的封裝形式多為QFP、SOP等),行信號存取和交換的存儲器為主,從整體來(lái)講為中國煤化工收稿日期:2008-10-10CNMHG第9卷第2期電子與封裝多芯片存儲器。個(gè)或多個(gè)芯片堆疊整合起來(lái)進(jìn)行封裝。3.3 3D SIP2SIP封裝綜述此類(lèi)封裝是在2D封裝的基礎上,把多個(gè)裸芯片、封裝芯片,多芯片組件甚至圓片進(jìn)行疊層互連實(shí)現電子整機系統的功能通常有兩個(gè)途徑:構成立體封裝,這種結構也稱(chēng)作疊層型3D封裝。種是系統級芯片,簡(jiǎn)稱(chēng)SOC,即在單一的芯片上實(shí)現電子整機系統的功能;另一種是系統級封裝,簡(jiǎn)4SP封裝的制程工藝稱(chēng)SIP,即通過(guò)封裝來(lái)實(shí)現整機系統的功能。從學(xué)術(shù)上講,這是兩條技術(shù)路線(xiàn),就像單片集成電路和混SIP封裝制程按照芯片與基板的連接方式可分合集成電路一樣,各有各的優(yōu)勢,各有各的應用市為引線(xiàn)鍵合封裝和倒裝焊兩種場(chǎng),在技術(shù)上和應用上都是相互補充的關(guān)系。從產(chǎn)41引線(xiàn)鍵合封裝工藝品上分,SOC應主要用于應用周期較長(cháng)的高性能產(chǎn)引線(xiàn)鍵合封裝工藝主要流程如下:品,而SP主要用于應用周期較短的消費類(lèi)產(chǎn)品。SIP圓片→圓片減薄→國片切割→芯片粘結→引線(xiàn)鍵是使用成熟的組裝和互連技術(shù),把各種集成電路如合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝MEMS器件以及各類(lèi)無(wú)源元件如電容、電感等集成4.1.1圓片減薄到一個(gè)封裝體內,實(shí)現整機系統的功能。主要的優(yōu)圓片減薄是指從圓片背面采用機械或化學(xué)機械點(diǎn)包括(CMP)方式進(jìn)行研磨,將圓片減薄到適合封裝的程采用現有商用元器件,制造成本較低;度。由于圓片的尺寸越來(lái)越大,為了增加圓片的機產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的周期短;械強度,防止在加工過(guò)程中發(fā)生變形、開(kāi)裂,其厚無(wú)論設計和工藝,有較大的靈活性;度也一直在增加。但是隨著(zhù)系統朝輕薄短小的方向把不同類(lèi)型的電路和元件集成在一起,相對發(fā)展,芯片封裝后模塊的厚度變得越來(lái)越薄,因此容易實(shí)現。在封裝之前一定要將圓片的厚度減薄到可以接受的程度,以滿(mǎn)足芯片裝配的要求。4.1.2圓片切割圓片減薄后,可以進(jìn)行劃片。較老式的劃片機是手動(dòng)操作的,現在一般的劃片機都已實(shí)現全自動(dòng)化。圖SP典型結構無(wú)論是部分劃線(xiàn)還是完全分割硅片,目前均采用鋸系統級封裝(SIP)技術(shù)從20世紀90年代初提刀,因為它劃岀的邊緣整齊,很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。出到現在,經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,已經(jīng)被學(xué)術(shù)界和工4..3芯片粘結業(yè)界廣泛接受,成為電子技術(shù)硏究熱點(diǎn)和技術(shù)應用已切割下來(lái)的芯片要貼裝到框架的中間焊盤(pán)的主要方向之一,并認為它代表了今后電子技術(shù)發(fā)上。焊盤(pán)的尺寸要和芯片大小相匹配,若焊盤(pán)尺寸展的主要方向之太大,則會(huì )導致引線(xiàn)跨度太大,在轉移成型過(guò)程中會(huì )由于流動(dòng)產(chǎn)生的應力而造成引線(xiàn)彎曲及芯片位移3SP封裝的類(lèi)型現象。貼裝的方式可以是用軟焊料(指Pb-Sn合金尤其是含Sn的合金)、Au-Si低共熔合金等焊接到基從目前業(yè)界SIP的設計類(lèi)型和結構來(lái)區分,SIP板上,在塑料封裝中最常用的方法是使用聚合物粘可分為三類(lèi)結劑粘貼到金屬框架上。3. 1 2D SIP4.14引線(xiàn)鍵合此類(lèi)封裝是在同一個(gè)封裝基板上將芯片一個(gè)挨中國煤化工要是金線(xiàn),其直徑個(gè)的排列以二維的模式封裝在一個(gè)封裝體內。般丬CNMHG度常在1.5mm-3mm32堆疊SIP之間,而弧圈的高度可比芯片所在平面高0.75mm。此類(lèi)封裝是在一個(gè)封裝中采用物理的方法將兩鍵合技術(shù)有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術(shù)的第9卷第2期王阿明,王峰:SIP封裝工藝優(yōu)點(diǎn)是容易形成球形(即焊球技術(shù)),并防止金線(xiàn)氧模具中快速固化,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保壓,使得模塊化。為了降低成本,也在硏究用其他金屬絲,如鋁、達到一定的硬度,然后用頂桿頂出模塊,成型過(guò)程銅、銀、鈀等來(lái)替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩就完成了。對于大多數塑封料來(lái)說(shuō),在模具中保壓種金屬表面緊緊接觸,控制時(shí)間、溫度、壓力,使幾分鐘后,模塊的硬度足可以達到允許頂出的程度,得兩種金屬發(fā)生連接。表面粗糙(不平整)、有氧化但是聚合物的固化(聚合)并未全部完成。由于材層形成或是有化學(xué)沾污、吸潮等都會(huì )影響到鍵合效料的聚合度(固化程度)強烈影響材料的玻璃化轉果,降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在300℃-400℃,變溫度及熱應力,所以促使材料全部固化以達到一時(shí)間一般為40ms(通常,加上尋找鍵合位置等程序,個(gè)穩定的狀態(tài),對于提高器件可靠性是十分重要的,鍵合速度是每秒二線(xiàn))。超聲焊的優(yōu)點(diǎn)是可避免高后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝溫,因為它用20kHz60kHz的超聲振動(dòng)提供焊接所需步驟,一般后固化條件為170℃~175℃,2h-4h。圖3的能量,所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能是包封環(huán)節的工藝流程。量同時(shí)用于鍵合,就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比,熱超聲焊最大的優(yōu)點(diǎn)是將鍵合溫度從350℃降到250℃左右(也有人認為可以用100℃-150℃的條件),這可以大大降低在鋁焊盤(pán)上形成Au-Al金屬間化合物的可能性,延長(cháng)器件壽命,同時(shí)降低了電路參數的漂□空模L放入L[合模一移。在引線(xiàn)鍵合方面的改進(jìn)主要是因為需要越來(lái)越薄的封裝,有些超薄封裝的厚度僅有0.4mm左右。所以引線(xiàn)環(huán)(oop)從一般的200μm-300μm減小到膠100μm-125μm,這樣引線(xiàn)張力就很大,繃得很緊另外,在基片上的引線(xiàn)焊盤(pán)外圍通常有兩條環(huán)狀電圖3包封環(huán)節的工藝流程源/地線(xiàn),鍵合時(shí)要防止金線(xiàn)與其短路,其最小間隙4.1.7裝配焊料球須>625μm,要求鍵合引線(xiàn)必須具有高的線(xiàn)性度目前業(yè)內采用的植球方法有兩種:“錫膏”+“錫和良好的弧形。球”和“助焊膏”+“錫球”。(1)“錫膏”+“錫球“錫膏”十“錫球”植球方法是業(yè)界公認的最好∠aMM最標準的植球法,用這種方法植出的球焊接性好光澤好,熔錫過(guò)程不會(huì )岀現焊球偏置現象,較易控圖2堆疊芯片的鍵合制,具體做法就是先把錫膏印刷到BGA的焊盤(pán)上4.1.5等離子清洗再用植球機或絲網(wǎng)印刷在上面加上一定大小的錫球凊洗的重要作用之一是提高膜的附著(zhù)力,如在這時(shí)錫膏起的作用就是粘住錫球,并在加溫的時(shí)候Si襯底上沉積Au膜,經(jīng)Ar等離子體處理掉表面的讓錫球的接觸面更大,使錫球的受熱更快更全面,碳氫化合物和其他污染物,明顯改善了Au的附著(zhù)使錫球熔錫后與焊盤(pán)焊接性更好并減少虛焊的可能,力。等離子體處理后的基體表面,會(huì )留下一層含氟(2)“助焊膏”+“錫球”化物的灰色物質(zhì),可用溶液去掉。同時(shí)清洗也有利助焊膏”十“錫球”是用助焊膏來(lái)代替錫膏的于改善表面黏著(zhù)性和潤濕性。角色。但助焊膏的特點(diǎn)和錫膏有很大的不同,助焊膏4.1.6液態(tài)密封劑灌封在溫度升高的時(shí)候會(huì )變成液狀,容易致使錫球錯位。將已貼裝好芯片并完成引線(xiàn)鍵合的框架帶置于41.8表面打標模具中,將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱(預打標就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、熱溫度在90c-95℃之間),然后放進(jìn)轉移成型機的字跡潔楚的寶母和標識,包括制造商的信息、國家轉移罐中。在轉移成型活塞的壓力之下,塑封料被器中國煤化工跟蹤。打碼的方擠壓到澆道中,并經(jīng)過(guò)澆口注入模腔(在整個(gè)過(guò)程法有CNMHG法,而它又包括中,模具溫度保持在170℃~175℃左右)。塑封料在油墨印碼和激光印碼二種。第9卷第2期電子與封裝4.1.9分離法、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍?yōu)榱颂岣呱a(chǎn)效率和節約材料,大多數SP的組法最為廣泛,其次是焊膏印刷法。裝工作都是以陣列組合的方式進(jìn)行,在完成模塑與圖6、圖7分別為電鍍法和印刷法添加焊料凸點(diǎn)測試工序以后進(jìn)行劃分,分割成為單個(gè)的器件。劃分的工藝流程。分割可以采用鋸開(kāi)或者沖壓工藝,鋸開(kāi)工藝靈活性比較強,也不需要多少專(zhuān)用工具,沖壓工藝則生產(chǎn)效鈍化小接觸盤(pán)UBM厚光刻要□P孔□率比較高、成本較低,但是需要使用專(zhuān)門(mén)的工具。鈍化和2.金屬層濺射3.覆蓋光膠4.凸點(diǎn)光刻42倒裝焊工藝金屬化晶片和引線(xiàn)鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):菌形膨脹患鍍焊點(diǎn)回流后焊球(1)倒裝焊技術(shù)克服了引線(xiàn)鍵合焊盤(pán)中心距極限的問(wèn)題5.焊料電鍍6去除光膠7.去除UBM(2)在芯片的電源/地線(xiàn)分布設計上給電子設計圖6電鍍法添加焊料凸點(diǎn)的工藝流程師提供了更多的便利(3)通過(guò)縮短互聯(lián)長(cháng)度,減小RC延遲,為高頻晶片制備率、大功率器件提供更完善的信號;辛化預處理(4)熱性能優(yōu)良,芯片背面可安裝散熱器化學(xué)鍍鎳/金(5)可靠性高,由于芯片下填料的作用,使封絲網(wǎng)印刷裝抗疲勞壽命增強;焊料回流和清洗(6)便于返修。下部填充IC裸片封裝體圖7印刷法添加焊料凸點(diǎn)的工藝流程4.2.3倒裝鍵合、下填充OOO0OU在整個(gè)芯片鍵合表面按柵陣形狀布置好焊料凸點(diǎn)后,芯片以倒扣方式安裝在封裝基板上,通過(guò)凸點(diǎn)與基板上的焊盤(pán)實(shí)現電氣連接,取代了WB和TAB圖4典型采用倒裝焊工藝的封裝在周邊布置端子的連接方式。以下是倒裝焊的工藝流程(與引線(xiàn)鍵合相同的倒裝鍵合完畢后,在芯片與基板間用環(huán)氧樹(shù)脂工序部分不再進(jìn)行單獨說(shuō)明):進(jìn)行填充,可以減少施加在凸點(diǎn)上的熱應力和機械圓片→焊盤(pán)再分布→圓片減薄、制作凸點(diǎn)→圓應力,比不進(jìn)行填充的可靠性提高了1到2個(gè)數量級片切割→倒裝鍵合、下填充→包封→裝配焊料球→助焊劑薄膜倒裝芯片回流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝?！褐竸ξ患百N裝基板回流焊接k,+圖8典型的倒裝焊工藝流程圖5完成再分布后的引線(xiàn)排列5封裝的基板4.2.1焊盤(pán)再分布為了增加引線(xiàn)間距并滿(mǎn)足倒裝焊工藝的要求,封裝基板是封裝的重要組成部分,在封裝中實(shí)需要對芯片的引線(xiàn)進(jìn)行再分布現搭中國煤化工著(zhù)封裝技術(shù)的發(fā)42.2制作凸點(diǎn)展,封了長(cháng)足的進(jìn)步焊盤(pán)再分布完成之后,需要在芯片上的焊盤(pán)添2001年□CNMH久構(ITRS)設定加凸點(diǎn),焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)可采用電鍍法、化學(xué)鍍半導體芯片尺寸上限為310mm2,但隨著(zhù)元件IO數第9卷第2期王阿明,王峰;SIP封裝工藝目的不斷增加,就必須增加基板上的端子數量,對良特點(diǎn)。封裝基板有了更精細化的要求,從而對封裝基板的541化學(xué)鎳金加工和設計有了更為嚴格的要求化學(xué)鎳金是采用金鹽及催化劑在80℃-100℃的51封裝基板的分類(lèi)溫度下通過(guò)化學(xué)反應析出金層的方法進(jìn)行涂敷的,封裝基板的分類(lèi)有很多種,目前業(yè)界比較認可成本比電鍍低,但是難以控制沉淀的金屬厚度,表的是從增強材料和結構兩方面進(jìn)行分類(lèi)面硬并且平整度差,不適合作為采用引線(xiàn)鍵合工藝5L1從結構方面分美封裝基板的表面處理方式。從結構方面分類(lèi),基板材料可分為兩大類(lèi):剛542電鍍鎳金性基板材料和柔性基板材料。剛性基板材料使用較電鍍是指借助外界直流電的作用,在溶液中進(jìn)為廣泛,一般的剛性基板材料主要是覆銅板。它是行電解反應,使導電體(例如金屬)的表面沉積金用增強材料,浸以樹(shù)脂膠粘劑,通過(guò)烘干、裁剪、疊屬或合金層。電鍍金分為電鍍硬金和軟金工藝,鍍硬合成坯料,然后覆上一層導電率較高、焊接性良好金與軟金的工藝基本相同,槽液組成也基本一致的純銅箔,用鋼板作為模具,在熱壓機中經(jīng)高溫高區別是硬金槽內添加了一些微量金屬鎳或鈷或鐵等壓成形加工而制成的。元素,由于電鍍工藝中鍍層金屬的厚度和成份容易5.12從增強材料方面分類(lèi)控制,并且平整度優(yōu)良,所以在采用鍵合工藝的封從增強材料分類(lèi),基板可以分為有機系(樹(shù)脂裝基板進(jìn)行表面處理時(shí),一般均采用電鍍鎳金工藝系)、無(wú)機系(陶瓷系、金屬系)和復合機系,前兩鋁線(xiàn)的鍵合一般采用硬金,金線(xiàn)的鍵合一般都用軟種材料在材料性能上各有優(yōu)缺點(diǎn),而復合機系的出金。不管是化學(xué)鎳金還是電鍍鎳金,對于鍵合質(zhì)量現綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),很快成為基板的發(fā)展方向。影響的關(guān)鍵是鍍層的結晶和表面是否有污染,以及目前封裝基板多采用有機系材料,也就是統稱(chēng)定要求的鎳金厚度。的BT樹(shù)脂,該材料可分為CCLH810、CCLH870.CCLH870、CHL90,介電常數在3545(1MH)之6結束語(yǔ)間,介電損耗為0.0012~00055(1MHz),玻璃轉化溫度為180℃~230℃。系統級封裝技術(shù)已經(jīng)成為電子技術(shù)研究新熱點(diǎn)52封裝基板的設計規則和技術(shù)應用的主要方向之一。SIP封裝工藝作為SIP從封裝基板常規制程來(lái)看,封裝基板的生產(chǎn)與封裝技術(shù)的重要組成部分,值得從事相關(guān)技術(shù)行業(yè)常規的PCB加工很類(lèi)似,只是在要求上更為嚴格,規的技術(shù)人員和學(xué)者進(jìn)行研究和學(xué)習,引線(xiàn)鍵合和倒則的要求更為具體,需要更薄的疊層、更細的線(xiàn)寬裝焊作為系統級封裝的兩種工藝,各有其特點(diǎn)和優(yōu)線(xiàn)距以及更小的孔,具體參數各個(gè)板廠(chǎng)略有差異勢,需要根據具體生產(chǎn)要求選擇。53封裝基板的制程常規的封裝基板的制程與普通PCB板的加工方法參考文獻:大體一致,但是目前為了滿(mǎn)足封裝基板精細化的要求1田民波電子封裝工程M北京:清華大學(xué)出版社,2003出現了減成法、半加成法以及積層法等加工方法2]劉漢誠,李世瑋,等芯片尺寸封裝M]北京:清華大學(xué)54基板的表面處理出版社,2003在形成電氣圖形之后,需要在焊盤(pán)處進(jìn)行表面處理,形成所需要的鍍層,表面處理的作用主要有作者簡(jiǎn)介兩方面,第一是提高焊盤(pán)處的抗氧化能力,第二是王阿明(1976-),男,陜西西安人提高焊盤(pán)處的焊接能力并改善焊盤(pán)的平整度,一般中興通訊有限公司IC開(kāi)發(fā)部長(cháng),帶領(lǐng)的PCB表面處理方式主要有:熱風(fēng)整平;有機可焊項目團隊長(cháng)期研究SIP技術(shù)的發(fā)展,通性保護涂層;化學(xué)鎳金;電鍍金過(guò)流片加工實(shí)踐驗證設計能力,在SIP目前封裝基板表面處理主要使用化學(xué)鎳金和電中國煤化工一定積累和突破鍍金,金作為一種貴金屬,具有良好的可焊性、耐CNMHG),男,陜西渭南人氧化性、抗蝕性、接觸電阻小、合金耐磨性好等優(yōu)現在中興通訊有限公司從事封裝工藝方面工作。15