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| BGA多芯片组件及三维立体封装(3D)技术 | |||||
作者：南方维修… 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2005-4-8  |
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关键词：BGA多芯片组件；三维立体封装(3D)；特点 中图分类号：TN305．94 文献标识码：A 1引言 目前半导体IC封装的主要发展趋势为多引脚、窄间距、小型、薄型、高性能、多功能、高可靠性和低成本，因而对系统集成的要求也越来越迫切。通过由二维多芯片组件到三维多芯片组件(3D-MCM或MCM-V)技术，实现WSI的功能是实现系统集成技术的主要途径之一。三维封装技术是现代微组装技术发展的重要方向，是微电子技术领域跨世纪的一项关键技术。 2 BGA多芯片组件 多芯片组件最简单的定义是在封装(芯片载体)中有多于一个的芯片。过去的几年已证明，在MCM的研究与开发方面出现了突飞猛进的增长现象，这是单芯片组件密度和性能受限的直接结果。 充分利用IC性能优点方面传统设计的基板结构，MCM把好几个IC芯片结合成为相当于一百多个高性能IC的功能。复杂的基板结构是MCM技术的核心。运用薄膜、厚膜、共烧及分层等方法，可把它装配于各类多层陶瓷、聚合物、各类金属、玻璃陶瓷和PCB上等。电子电路互连封装协会(IPC)已给出了MCM的标准定义，确定了三种主要的MCM的类型。MCM-C是使用厚膜技术诸如可共烧金属以形成导体图形的多芯片组件。整个构成材料为陶瓷或玻璃一陶瓷材料或介电常数高于5的别的材料。一言以蔽之，即在陶瓷或玻璃瓷板上形成MCM-C。MCM-L是使用叠层结构和印制电路板技术以形成主要的铜导体及通孔的多芯片组件。这些构造也许有时包含热膨胀控制金属层。简言之，MCM-L使用加强的塑料叠层PCB技术。MCM-D就是在多芯片组件上或在硅、陶瓷或金属支撑的介电常数低于5的未加强介电材料上，通过薄膜金属淀积而形成的多层信号导体。总之，MCM-D是在多种刚性基板上运用淀积金属的加强的绝缘材料而形成的。 表1表明了由国际微电子学协会(ISHM)给出的MCM较详细的定义。可以看出MCM-D的线宽及间距依次小于15μm及30μm。每层的线密度也可高达400mm／mm。图1示出了紧接着下一代高速器件(如微处理器、ASIC、SRAM、及DRAM)的主要类型(如处理器、门阵列、高速缓冲存贮器及主要存贮器)，MCM-L、MCM-C及MCM-D的潜在的应用。可以看出，由于其功率分布和其布线密度能力，满足将来适应计算机各项要求的MCM-C的应用范围正在扩大。但同时，由于适应性、合理的成本及低风险，可大量使用MCM-L。 合格芯片(KGB)是MCM应用中的关键问题。图2和图3分别示出了MCM成品率与组件芯片数目的比较及最后成品装运的MCM成品率与检测故障覆盖率的比较。可以看出芯片成品率起着非常重要的作用。由于这些特点，芯片数目、芯片成品率、MCM返工以及最后装运MCM成品率之间的折衷办法可得到确定。例如，如果一个有10个芯片的MCM有90％的芯片成品率及95％的检测故障覆盖率，那么，MCM的成品率为35％(图2)，最后装运MCM成品率为95％(图3)，既然是这样，MCM中的65％将至少需要返工一次。 另一方面，如果芯片成品率为90％增加为99％，检测故障覆盖率保持不变(95％)，那么MCM的成品率为90％，最后装运MCM的成品率为99．5％，MCM中只有10％将需要返工。这说明合格芯片(KGD)的重要性，坏芯片越多，芯片成品率越低，它们将逃离进入MCM组装的可能性越高。如果一个MCM是由一种以上芯片类型构成，那么MCM成品率是由下面这一等式求得的。 Ym=(YANA)(YBNB)(YCNC)……(YINI) 这里的Ym为MCM的成品率，YI为I芯片类型的芯片成品率，NI为基板上I类型芯片的数量。例如有一10个芯片的MCM，6个为A类型芯片(即NA=6) 芯片成品率YA=99％，4个为B类型芯片，(NB=4)芯片成品率YB=95％，那么MCM封装成品率Ym=(0．99)6(0．95)4=77％。合格芯片解决系统应用的方法之-就是把一些芯片与分立器件-起集成于一小的共用基板上(如：硅、陶瓷、FR-4环氧树脂、BT树脂)，接着被组装进入一标准的单芯片组件(如PBGA、CBGA)，并进行检测。图4简略地示出了具有多芯片组件的IBM公司的CBGA封装的断面图。 3MCM的主要特征 高速性：随着计算机等制造技术上的发展，要求MPU(微处理机)等信息处理装置的系统工作频率不断地提高，并要达到高速化的信号传输。 高密度性：近年来，在计算机、家用电器、移动电话等产品中，都向着组装高密度化发展，以实现小型、轻量化。而采用MCM技术，是达到LSI的I／O引脚和电路布线高密度的重要途径。 高散热性：在提高LSI的高功能、高密度化的同时，也带来了MCM的高热化问题，由于LSI的大容量、电路组装密度高，使得MPU等发出的热量问题更显突出。过去的安装技术(如SMT、COB等)已很难解决散热问题。MCM多备有散热装置并采用一些新的散热技术，以给LSI创造更良好的散热环境，从而保证高功能、大容量的LSI不至于因散热不好而使其性能下降。 低成本性：MCM安装工艺技术比原来的一般安装技术在安装密度和组件工作频率两方面都高2~4倍的数值。因此可以实现产品的相对低成本性。在开发的低成本MCM中，最有发展前景的是MCM-L。总之，LSI新的安装技术-MCM技术产生并迅速发展的根本原因在于可最大限度地提高并发挥电子产品、通信产品的整体性能。 4三维立体(3D)封装 三维立体(3D)封装是近几年来正在发展着的电子封装技术。各类SMD的日益微小型化、引线的细线和窄间距化，实质上是为实现X、Y平面(2D)上微电子组装的高密度化；而3D则是在2D的基础上，进一步向Z方向发展的微电子组装高密度化。实现3D，不但使电子产品的组装密度更高，也使其功能更多，传输速度更高、功耗更低、性能更好，并且有利于降低噪声，改善电子系统的性能，从而使可靠性更高等。 三维立体(3D)封装主要有三种类型：埋置型三维立体(3D)(如图5所示)、有源基板型三维立体(3D)(如图6所示)和叠层型三维立体(3D)(如图7所示)。埋置型三维立体封装出现于80年代，它不但能灵活方便地制作成埋置型(3D)，而且还可以作为IC芯片后布线互连技术，使埋置IC的压焊点与多层布线互连起来，这就可以大大减少焊接点，从而提高电子部件封装的可靠性。有源基板型3D就是把具有大量有源器件的硅作基板，在上面再多层布线，顶层再贴装SMC／SMD或贴装多个LSI，形成有源基板型立体3D-MCM，从而达到WSI所能实现的功能。叠层型三维立体封装是将LSI、VLSI、2D-MCM，甚至WSI或者已封装的器件，无间隙的层层叠装互连而成。这类叠层型3D是应用最为广泛的一种，其工艺技术不但应用许多成熟的组装互连技术，还发展了垂直互连技术，使叠层型3D封装的结构呈现出五彩缤纷的局面。 三维立体封装(3D)，是在垂直于芯片表面的方向上堆叠，互连两片以上裸片的封装。其空间占用小，电性能稳定，是一种高级的SiP封装技术。三维立体封装可以采用混合互连技术，以适应不同器件间的互连，如裸片与裸片、裸片与微基板、裸片与无源元件间可根据需要采用倒装、引线键合等互连技术。传统的芯片封装中每个裸片都需要与之相应的高密度互连基板，基板成本占整个封装器件产品制造成本的比例是很高的。如：BGA占40~50％。而倒装片用基板更高，达70~80％。三维立体封装内的多个裸片仅需要一个基板，同时由于裸片间大量的互连是在封装内进行，互连线的长度大大减小，提高了器件的电性能。三维立体(3D)封装还可以通过共用I／O端口减小封装的引脚数。概括地说，三维立体封装3D的主要优点为：体积小、重量轻，信号传输延迟时间减小，低噪声，低功耗，极大地提高了组装效率和互连效率，增大信号带宽，加快信号传输速度，多功能性、高可靠性和低成本性。例如Amkor公司采用了裸片叠层的3D封装比采用单芯片封装节约了30％的成本。 5应用前景 在高性能军事和民用电子机器中，MCM的潜在市场很大。将合格芯片(KGD)封装在多层互连基板上构成具有部件或系统功能的多芯片组件(MCM)，预计会有越来越多的半导体IC裸芯片以此方式封装。如果能完全解决好KGD的测试技术，并确保MCM的成品率，降低成本的话，相信MCM的前景是非常美好的。 采用多芯片组件MCM技术制作高性能大容量的存储器组件是MCM技术的主要应用领域之一。目前已成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中，今后将用于工作站、个人计算机、医疗电子设备和汽车电子设备等领域。另外，高速成像系统发展的需求，进一步推动了存储器多芯片组件从二维(2D)技术向三维(3D)技术发展。SPIL等3D封装品种的制造厂目前已建立起完整的生产线，所生产的3D封装产品--TFBGA(薄膜倒装芯片安装，微小节距的BGA)已出现于市场上，目前它主要用于存储器。受移动电话等电子整机产品需求的驱动，它在IC封装市场上所占份额会得到很快增加。Decela公司近期开发出了3D型多芯片叠层组装产品。日本东芝公司和日本Ibiden公司合作开发的3D封装，称为"System B1ock Modules"模块封装，并获得很大的技术发展。由此可见，IC封装产品的三维(3D)封装，已经开始在市场上立足。今后，3D叠层封装产品市场需求量会逐渐增大。 IC封装业作为支持电子信息产业发展的关键技术之一，正在向高速、多功能、低功耗、微细、小型、轻量、低价格化的发展方向迈进。而三维立体(3D)封装技术是微电子封装业发展的主要趋势，相信其应用前景无限广阔。 |
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