SIP封装工艺

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1、 11 第 9 卷第 2 期 封 装 组 装 与 测 试 收稿日期 2008 10 10 第 9 卷 第 2 期 Vol 9 No 2 电子与封装 ELECTRONICS surface treatment package substrate 1 前言 系统级封装 system in package SIP 是指将不 同种类的元件 通过不同种技术 混载于同一封装 体内 由此构成系统集成封装形式 该定义是经过 不断演变 逐渐形成的 开始是在单芯片封装体中 加入无源元件 此时的封装形式多为QFP SOP等 再到单个封装体中加入多个芯片 叠层芯片以及无 源器件 最后发展到一个封装构成一个系统 此时

2、的封装形式多为BGA CSP等 SIP是MCP进一步 发展的产物 二者的区别在于 SIP 中可搭载不同类 型的芯片 芯片之间可以进行信号存取和交换 从 而以一个系统的规模而具备某种功能 MCP 中叠层 的多个芯片一般为同一种类型 以芯片之间不能进 行信号存取和交换的存储器为主 从整体来讲为一 12 电子与封装第 9 卷第 2 期 多芯片存储器 2 SIP封装综述 实现电子整机系统的功能通常有两个途径 一 种是系统级芯片 简称SOC 即在单一的芯片上实 现电子整机系统的功能 另一种是系统级封装 简 称SIP 即通过封装来实现整机系统的功能 从学术 上讲 这是两条技术路线 就像单片集成电路和混 合

3、集成电路一样 各有各的优势 各有各的应用市 场 在技术上和应用上都是相互补充的关系 从产 品上分 SOC 应主要用于应用周期较长的高性能产 品 而SIP主要用于应用周期较短的消费类产品 SIP 是使用成熟的组装和互连技术 把各种集成电路如 CMOS电路 GaAs电路 SiGe电路或者光电子器件 MEMS 器件以及各类无源元件如电容 电感等集成 到一个封装体内 实现整机系统的功能 主要的优 点包括 采用现有商用元器件 制造成本较低 产品进入市场的周期短 无论设计和工艺 有较大的灵活性 把不同类型的电路和元件集成在一起 相对 容易实现 图1 SIP典型结构 系统级封装 SIP 技术从20 世纪90

4、 年代初提 出到现在 经过十几年的发展 已经被学术界和工 业界广泛接受 成为电子技术研究热点和技术应用 的主要方向之一 并认为它代表了今后电子技术发 展的主要方向之一 3 SIP封装的类型 从目前业界 SIP 的设计类型和结构来区分 SIP 可分为三类 3 1 2D SIP 此类封装是在同一个封装基板上将芯片一个挨 一个的排列以二维的模式封装在一个封装体内 3 2 堆叠SIP 此类封装是在一个封装中采用物理的方法将两 个或多个芯片堆叠整合起来进行封装 3 3 3D SIP 此类封装是在 2D 封装的基础上 把多个裸芯 片 封装芯片 多芯片组件甚至圆片进行叠层互连 构成立体封装 这种结构也称作叠

5、层型 3D 封装 4 SIP封装的制程工艺 SIP 封装制程按照芯片与基板的连接方式可分 为引线键合封装和倒装焊两种 4 1 引线键合封装工艺 引线键合封装工艺主要流程如下 圆片 圆片减薄 圆片切割 芯片粘结 引线键 合 等离子清洗 液态密封剂灌封 装配焊料球 回 流焊 表面打标 分离 最终检查 测试 包装 4 1 1 圆片减薄 圆片减薄是指从圆片背面采用机械或化学机械 CMP 方式进行研磨 将圆片减薄到适合封装的程 度 由于圆片的尺寸越来越大 为了增加圆片的机 械强度 防止在加工过程中发生变形 开裂 其厚 度也一直在增加 但是随着系统朝轻薄短小的方向 发展 芯片封装后模块的厚度变得越来越薄

6、因此 在封装之前一定要将圆片的厚度减薄到可以接受的 程度 以满足芯片装配的要求 4 1 2 圆片切割 圆片减薄后 可以进行划片 较老式的划片机是 手动操作的 现在一般的划片机都已实现全自动化 无论是部分划线还是完全分割硅片 目前均采用锯 刀 因为它划出的边缘整齐 很少有碎屑和裂口产生 4 1 3 芯片粘结 已切割下来的芯片要贴装到框架的中间焊盘 上 焊盘的尺寸要和芯片大小相匹配 若焊盘尺寸 太大 则会导致引线跨度太大 在转移成型过程中 会由于流动产生的应力而造成引线弯曲及芯片位移 现象 贴装的方式可以是用软焊料 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 板上

7、在塑料封装中最常用的方法是使用聚合物粘 结剂粘贴到金属框架上 4 1 4 引线键合 在塑料封装中使用的引线主要是金线 其直径 一般为0 025mm 0 032mm 引线的长度常在1 5mm 3mm 之间 而弧圈的高度可比芯片所在平面高0 75mm 键合技术有热压焊 热超声焊等 这些技术的 13 第 9 卷第 2 期 优点是容易形成球形 即焊球技术 并防止金线氧 化 为了降低成本 也在研究用其他金属丝 如铝 铜 银 钯等来替代金丝键合 热压焊的条件是两 种金属表面紧紧接触 控制时间 温度 压力 使 得两种金属发生连接 表面粗糙 不平整 有氧化 层形成或是有化学沾污 吸潮等都会影响到键合效 果 降

8、低键合强度 热压焊的温度在300 400 时间一般为40ms 通常 加上寻找键合位置等程序 键合速度是每秒二线 超声焊的优点是可避免高 温 因为它用20kHz 60kHz的超声振动提供焊接所需 的能量 所以焊接温度可以降低一些 将热和超声能 量同时用于键合 就是所谓的热超声焊 与热压焊相 比 热超声焊最大的优点是将键合温度从350 降到 250 左右 也有人认为可以用100 150 的条件 这可以大大降低在铝焊盘上形成Au Al金属间化合物 的可能性 延长器件寿命 同时降低了电路参数的漂 移 在引线键合方面的改进主要是因为需要越来越 薄的封装 有些超薄封装的厚度仅有0 4mm左右 所 以引线环

9、 loop 从一般的200 m 300 m减小到 100 m 125 m 这样引线张力就很大 绷得很紧 另外 在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电 源 地线 键合时要防止金线与其短路 其最小间隙 必须 625 m 要求键合引线必须具有高的线性度 和良好的弧形 图2 堆叠芯片的键合 4 1 5 等离子清洗 清洗的重要作用之一是提高膜的附着力 如在 Si 衬底上沉积Au 膜 经Ar 等离子体处理掉表面的 碳氢化合物和其他污染物 明显改善了 Au 的附着 力 等离子体处理后的基体表面 会留下一层含氟 化物的灰色物质 可用溶液去掉 同时清洗也有利 于改善表面黏着性和润湿性 4 1 6 液态密封剂灌封

10、 将已贴装好芯片并完成引线键合的框架带置于 模具中 将塑封料的预成型块在预热炉中加热 预 热温度在 90 95 之间 然后放进转移成型机的 转移罐中 在转移成型活塞的压力之下 塑封料被 挤压到浇道中 并经过浇口注入模腔 在整个过程 中 模具温度保持在170 175 左右 塑封料在 模具中快速固化 经过一段时间的保压 使得模块 达到一定的硬度 然后用顶杆顶出模块 成型过程 就完成了 对于大多数塑封料来说 在模具中保压 几分钟后 模块的硬度足可以达到允许顶出的程度 但是聚合物的固化 聚合 并未全部完成 由于材 料的聚合度 固化程度 强烈影响材料的玻璃化转 变温度及热应力 所以促使材料全部固化以达到

11、一 个稳定的状态 对于提高器件可靠性是十分重要的 后固化就是为了提高塑封料的聚合度而必需的工艺 步骤 一般后固化条件为170 175 2h 4h 图3 是包封环节的工艺流程 图3 包封环节的工艺流程 4 1 7 装配焊料球 目前业内采用的植球方法有两种 锡膏 锡 球 和 助焊膏 锡球 1 锡膏 锡球 锡膏 锡球 植球方法是业界公认的最好 最标准的植球法 用这种方法植出的球焊接性好 光泽好 熔锡过程不会出现焊球偏置现象 较易控 制 具体做法就是先把锡膏印刷到 BGA 的焊盘上 再用植球机或丝网印刷在上面加上一定大小的锡球 这时锡膏起的作用就是粘住锡球 并在加温的时候 让锡球的接触面更大 使锡球的

12、受热更快更全面 使锡球熔锡后与焊盘焊接性更好并减少虚焊的可能 2 助焊膏 锡球 助焊膏 锡球 是用助焊膏来代替锡膏的 角色 但助焊膏的特点和锡膏有很大的不同 助焊膏 在温度升高的时候会变成液状 容易致使锡球错位 4 1 8 表面打标 打标就是在封装模块的顶表面印上去不掉的 字迹清楚的字母和标识 包括制造商的信息 国家 器件代码等 主要是为了识别并可跟踪 打码的方 法有多种 其中最常用的是印码方法 而它又包括 油墨印码和激光印码二种 王阿明 王 峰 S IP 封装工艺 14 电子与封装第 9 卷第 2 期 4 1 9 分离 为了提高生产效率和节约材料 大多数SIP 的组 装工作都是以阵列组合的方

13、式进行 在完成模塑与 测试工序以后进行划分 分割成为单个的器件 划分 分割可以采用锯开或者冲压工艺 锯开工艺灵活性 比较强 也不需要多少专用工具 冲压工艺则生产效 率比较高 成本较低 但是需要使用专门的工具 4 2 倒装焊工艺 和引线键合工艺相比较倒装焊工艺具有以下几 个优点 1 倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极 限的问题 2 在芯片的电源 地线分布设计上给电子设计 师提供了更多的便利 3 通过缩短互联长度 减小RC延迟 为高频 率 大功率器件提供更完善的信号 4 热性能优良 芯片背面可安装散热器 5 可靠性高 由于芯片下填料的作用 使封 装抗疲劳寿命增强 6 便于返修 图4 典型采用倒装

14、焊工艺的封装 以下是倒装焊的工艺流程 与引线键合相同的 工序部分不再进行单独说明 圆片 焊盘再分布 圆片减薄 制作凸点 圆 片切割 倒装键合 下填充 包封 装配焊料球 回流焊 表面打标 分离 最终检查 测试 包装 图5 完成再分布后的引线排列 4 2 1 焊盘再分布 为了增加引线间距并满足倒装焊工艺的要求 需要对芯片的引线进行再分布 4 2 2 制作凸点 焊盘再分布完成之后 需要在芯片上的焊盘添 加凸点 焊料凸点制作技术可采用电镀法 化学镀 法 蒸发法 置球法和焊膏印刷法 目前仍以电镀 法最为广泛 其次是焊膏印刷法 图6 图7 分别为电镀法和印刷法添加焊料凸点 的工艺流程 图6 电镀法添加焊料

15、凸点的工艺流程 图7 印刷法添加焊料凸点的工艺流程 4 2 3 倒装键合 下填充 在整个芯片键合表面按栅阵形状布置好焊料凸 点后 芯片以倒扣方式安装在封装基板上 通过凸 点与基板上的焊盘实现电气连接 取代了WB和TAB 在周边布置端子的连接方式 倒装键合完毕后 在芯片与基板间用环氧树脂 进行填充 可以减少施加在凸点上的热应力和机械 应力 比不进行填充的可靠性提高了1到2个数量级 图8 典型的倒装焊工艺流程 5 封装的基板 封装基板是封装的重要组成部分 在封装中实 现搭载器件和电气连通的作用 随着封装技术的发 展 封装基板的设计 制造技术也有了长足的进步 2001 年国际半导体技术发展预测机构

16、ITRS 设定 半导体芯片尺寸上限为 310mm2 但随着元件I O 数 15 第 9 卷第 2 期 目的不断增加 就必须增加基板上的端子数量 对 封装基板有了更精细化的要求 从而对封装基板的 加工和设计有了更为严格的要求 5 1 封装基板的分类 封装基板的分类有很多种 目前业界比较认可 的是从增强材料和结构两方面进行分类 5 1 1 从结构方面分类 从结构方面分类 基板材料可分为两大类 刚 性基板材料和柔性基板材料 刚性基板材料使用较 为广泛 一般的刚性基板材料主要是覆铜板 它是 用增强材料 浸以树脂胶粘剂 通过烘干 裁剪 叠 合成坯料 然后覆上一层导电率较高 焊接性良好 的纯铜箔 用钢板作为模具 在热压机中经高温高 压成形加工而制成的 5 1 2 从增强材料方面分类 从增强材料分类 基板可以分为有机系 树脂 系 无机系 陶瓷系 金属系 和复合机系 前两 种材料在材料性能上各有优缺点 而复合机系的出 现综合了两者的优点 很快成为基板的发展方向 目前封装基板多采用有机系材料 也就是统称 的BT树脂 该材料可分为 CCL H810 CCL H870 CCL HL870 CCL HL950