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3D芯片叠层封装实用解决方案

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　　一、超薄圆片减薄、划片

　　传统的MOS集成电路一般都是表面型器件，功耗小，无需考虑散热问题，所以对芯片厚度要求不高，芯片厚度主要由塑封体厚度而定，除了QFP、SOP等扁平封装因受塑封体厚度限制，芯片厚度一般为300μm左右，其余芯片厚度一般为400μm左右，然而3D封装芯片厚度一般为200μm以下，这就必须考虑减薄后圆片的翘曲以及划片崩裂等问题。

　　1、薄圆片减薄后圆片翘曲成因及对策

　　翘曲原因

　　实践证明，减薄后，圆片翘曲主要是由机械切削造成的损伤层引起，这是因为，硅材料片是单晶硅片，硅原子按金刚石结构周期排列，而背面减薄就是通过机械切削的方式对圆片背面进行切削，切削必然会在圆片背面形成一定厚度的损伤层，损伤层的厚度与砂轮金刚砂直径成正比，背面损伤层的存在，破坏了圆片内部单晶硅的晶格排列，使圆片的内部存在较大的应力，当圆片很薄时，使圆片自身抗拒上述应力的能力就很弱，体现在外部，就是圆片翘曲，圆片翘曲与粗糙度、砂轮金刚砂直径及圆片直径成正比，另外，圆片厚度越大，圆片自身抗拒内部应力的能力越强。

　　3D封装减薄技术和传统封装减薄技术的差别

　　机械切削是常规的背面减薄技术，一般分为两阶段：即前段粗磨和后段细磨两部分，由于细磨后圆片比较光滑，并且细磨砂轮金刚砂直径一般在20μm以下，细磨时容易产生较高的热量，所以，细磨切削量都较小，一般小于40μm，图1为减薄示意图。

　　在传统的MOS集成电路封装中，由于圆片厚度较厚，一般无须考虑背面减薄造成的背面损伤，粗磨一般选用金刚砂颗粒直径大于40μm，粗磨形成的损伤层大约为20μm左右，粗糙度约为1.5μm，细磨一般选用金刚砂颗粒直径小于20μm的砂轮，其损伤层大约为5μm左右，粗糙度约为0.5μm，由于后段细磨砂轮较粗，因此在圆片内部存在较大的应力，利用此工艺加工的Φ150mm（6英寸）圆片，如果完工厚度是400μm，翘曲度可达200μm左右，但是由于传统的MOS集成电路圆片较厚，一般还不会影响后序工序加工，也不会影响电路性能。

　　然而3D封装中芯片厚度一般在200μm以下，如果还采用上述减薄工艺，如果完工厚度是200μm，Φ200mm（8英寸）圆片翘曲度可达1500μm以上，由于其脆性较强，在交接转运过程中易受振动或外力的损伤，影响成品率，并且因背面加工的粗糙度偏高，这样的高低不平纹路，造成应力集中，使后续工艺划片，装片时产生隐含的裂纹，其结果影响产品的可靠性。为适应3D封装芯片加工，后段细磨改用直径更小的金刚砂颗粒使其粗糙度小于0.2μm，造成的背面损伤层小于2μm左右，虽然采用此工艺可以去除粗磨阶段形成的大部分损伤层，减小表面的粗糙度，达到较好的镜面效果，但细磨自身也会造成一定的损伤，造成圆片翘曲。利用此工艺加工的Φ200mm（英寸）圆片，如果完工厚度是200μm，翘曲度达到180μm左右。

　　图2分别是使用不同砂轮减薄后，200倍显微镜下圆片的背面情况，可看出金刚砂颗粒较大的砂轮加工的圆片背面有较大的损伤，粗糙度随颗粒直径的增长依次增大，而使用金刚砂颗粒小于6μm砂轮粗糙度明显小，基本达到了镜面效果。

　　图3、4是Φ200mm圆片分别用不同砂轮减薄到200μm，圆片的翘曲情况对比。

　　对策

　　从圆片翘曲的成因上看，减少机械切削造成的损伤层是减少减薄后圆片翘曲的关键，所谓3D封装中的减薄技术有别于过去的减薄技术，就在于砂轮的选择，即选择合适的砂轮，最大限度地减少机械切削造成的损伤层，降低翘曲度。

　　2、薄圆片划片崩裂的成因及对策

　　3D薄圆片划片主要问题是崩裂问题，如图5所示，如果崩裂严重，会造成芯片缺角，芯片直接报废；如果崩裂较轻微，裂纹没有碰及铝线，该缺陷不易被发现，但是会影响封装后IC的可靠性，相比两种情况，后者的后果更为严重。

　　崩裂成因

　　划片刀刃口是金刚砂颗粒粘合而成，呈锯齿状，金刚砂的暴露量越大，划片刀就越锋利，在划片过程中，划片刀刃口的金刚砂颗粒不断的被磨损、剥落和更新，以保证刃口锋利，得到较好的切割效果，如图6所示，划槽边缘较光滑。

　　如果被磨损金刚砂颗粒没有及时更新，导致划片刀变钝，切割温度过高，即所谓划片刀过载，会产生正反面崩片，由于切割时圆片正面所受压力小于反面，且正面直接被水冲洗冷却效果好，所以崩片一般背面较正面更严重，崩片表现在正面，一般就是划槽毛刺较大，如图7所示，崩片表现在反面，即背崩现象，如图8所示，如果圆片较厚，背崩一般不会影响正面有效电路区，如果圆片较薄，背崩就可能延伸到圆片正面，发生崩裂，如图9所示。

　　崩裂对策

　　从上面分析可知，崩裂的这些原因是划片刀过载，那么如果能很好的解决划片时划片刀过载问题，就能有效的控制崩裂问题。在切割厚度230μm以上的圆片时，由于划片刀的自修正，即金刚砂颗粒不断被磨损、剥落和更新，崩片问题能及时修正，除非划片槽内金属、测试图新过多，则需要更换特殊划片刀，这里不多介绍，然而，在切割厚度230μm以下的圆片时，由于圆片很薄，并且很脆，背崩就可能延伸到圆片正面，发生崩裂，所以在加工3D薄圆片时，必须解决崩裂问题。

　　（1）单刀切割工艺

　　由于选用的是低强度结合剂和低金刚砂密度的划片刀，所以划片过程中金刚砂颗粒很容易剥落和更新，以保证刃口锋利，另外，金刚砂颗粒较细，所以正面切割槽毛刺较小，但当划片槽内金属、测试图形过多，或圆片背面复杂，例如经过刻蚀等，利用此工艺，背面切割槽边会有较多细微崩口。

　　（2）双刀STEP切割工艺

　　就是用两种不同的划片刀，进行开槽切割。即先用一把刀在圆片表面开一定深度的槽，再用另一把刀切穿圆片，如图10所示。

　　开槽划片刀选用金刚砂颗粒较小、中等强度结合剂和中等金刚砂密度，由于较小的颗粒容易在切割时从刀片上剥落，保持刀片的锋利，并且切割较浅，冷却效果好，所以不会发生过载现象，作用是去除划片槽内的金属、测试图形等。

　　由于划片槽内的金属、测试图形等已被去除，划片槽只剩单晶硅，所以切穿划片刀使用标准的划片刀即可。

　　当Φ200mm甚至Φ300mm圆片上划槽向150μm以下发展时，上述工艺就无法满足工艺要求，更先进的减薄划片工艺，背面减薄后，去除残留缺陷、释放应力的先进和后处理技术是必须的，目前背面减薄后额外的后处理技术一般有3种：化学机械抛光、干刻蚀和化学湿刻蚀；同时更加先进的划片工艺也逐渐发展起来，例如采用水刀激光（喷水波导激光束法）划片技术，就可以避免产生上述的损伤，同时有效地去除所有的熔化残渣，并且可以使切口的边缘迅速冷却，边缘的热损伤区几乎可以忽略不计。大尺寸薄芯片是下一代超大规模集成电路的必经之路。目前国际上Φ300mm、厚度100μm的圆片已量产；且已具备Φ300mm、厚度50μm的圆片的加工能力；有的已向20μm发展。因此一些传统封装工艺已无法满足日新月异的发展，必须进行创新，只有通过开发新工艺、新的封装形式，才能跟上超大规模集成电路的发展步伐。

　　二、薄裸芯片贴装

　　3D产品是有两个以上芯片封装在一个LQFP系列的塑封体内，它是将第一个芯片装在引线框的底座上，然后第二个芯片装在第一个芯片的上面；在内引线连接时有芯片到芯片的引线连接，也有芯片到内引线的连接（图11），因此对装片提出了较高的要求。

　　根据3D产品的特点，我们制定了下面的工艺方向：

　　1、确定芯片的厚度和划片膜的选用

　　一般情况下，对于直插式的DIP封装，其塑封体比较厚，大概在4mm左右，因此封在塑封体内的芯片厚度为400μm，表面贴装的SOP/QFP/等封装，其塑封体的厚度一般为2mm左右，因此封在塑封体内的芯片厚度为300μm，对于LQFP系列封装，其塑封体的厚度更薄，为1.4mm左右，如果是普通单芯片封装，其芯片的厚度应该为300μm就可以了，但3D的LQFP64由于是双芯片叠层装片，考虑到引线框的小岛平面到塑封体顶部的距离只有0.81mm，金丝顶部到塑封体顶部要有100μm的空间，因此我们将每种芯片的厚度定位小于200μm。

　　在芯片厚度小于200μm情况下，由于芯片尺寸较大，因此芯片的强度就降低，它能承受的外力比较小，为减少装片时芯片的所受到的力，必须选用粘接力较小的划片膜。

　　2、提高装片位置的精度

　　LQFP系列的3D产品，键合的引线比较多，而且有芯片上的键合点到另一个芯片上的键合的金丝连线，要保证键合的质量，就比较必须提高装片的精度，为提高装片的精度，我们从装片的过程来考虑：（1）在吸芯片的位置，用单根顶针顶芯片使芯片容易倾斜，而影响装片的精度，因此我们采用多顶针，将多跟顶针的高度调整在同一高度，使所有顶针的端部形成一个平面，这样装片就可以提高装片的精度；（2）在装芯片的位置，原来是用滴胶方式装片，这样不能保证芯片的平整度，改用写胶的方式，它可以保证芯片和胶的接触过程中，芯片在胶上尽量少位移，从而确保装片位置的精度。

　　3、芯片粘接材料的选择

　　第一层芯片直接和引线框小岛接触，采用普通的工艺即可，用导电胶来粘接，但对于第二层芯片的背面要和第一层芯片的正面接触，如果采用导电胶的话，会在两芯片间形成一个大的寄生电容，该电容的介质层厚度为第一层芯片表面的钝化层厚度，由于该厚度较小，所以寄生电容较大，为此，第二层芯片和第一层的粘接材料，我们采用绝缘胶，并且将厚度控制在30－40μm，这样就增大了寄生电容介质层的厚度，从而降低了寄生电容，另一方面，两层芯片之间如果用导电胶粘接的话，在第一层芯片表面钝化层有缺陷时就会形成电通路而使电路报废，所以从这一点来说，第一层和第二层芯片的粘接用绝缘胶最好。

　　4、胶层厚度和固化条件

　　封装组件材料属性列表见表1。

　　LQFP系列的3D封装，里面的两个IC芯片，面积较大又比较薄，这样它的抗应力能力就较小，大家知道Cu引线框的膨胀系数为（160－180）×10－7/℃，Si芯片的膨胀系数为26×10－7/℃，膨胀系数差异造成在温度快速变化时，芯片发生弯曲，因为产生较大的应力，而作为粘接材料的胶既起到粘接作用，又可以在Cu引线框和Si芯片之间起到缓冲热膨胀应力的作用，要想降低应力，必须从两方面来考虑，一是控制胶层的厚度，薄的胶层对改善由于膨胀系数差异而产生的应力不太明显，厚的胶层可以很好解决这方面的问题，最后我们将导电胶和绝缘层和厚度控制在30±5μm；二是装片胶的固化条件选择对应力，固化的温度太高不利于应力的消除，因此固化条件采用三段时间固化：升温→主固化→降温，其在主固化段采用降低温度延长时间方法。

　　5、无损伤装片

　　由于芯片较薄，在封装过程中，受到机械应力和热应力的作用，这要求装片时芯片的背面不能受到损伤，也就是芯片上被顶针顶过后不能在芯片上有机械缺陷：凹坑、裂纹。因为这些凹坑和裂纹在封装过程中，受到外力的作用延伸和扩大，到达有源层，最终导致产品失效，要做到无损伤装片首先选用粘力较低的划片膜，这样可以在顶芯片时用较小的力，第二是选用较粗的顶针，较粗的顶针的接触面积大，单位面积的力较小，这样在顶芯片时就不会损伤芯片背面，有了这两条措施即可很好地解决芯片背面的损伤问题。

　　三、低弧度金线及立体键合

　　叠层封装在Wire Bond最关键的技术是Z方向的立体键合技术，包括超低弧度金线键合技术和芯片与芯片件的金线键合技术，除此以外劈刀选型、工艺参数方面的设置也是比较重要的。

　　1、超低弧度金线键合技术

　　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金线键合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弧高，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，以便消除在塑封后金线露出塑封体的现象，器件最大的弧高，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，最佳的弧高应为150μm或低于150μm。

　　低弧度金线键合技术的要求，已推动了反向键合技术的使用的不断增长，标准的正向键合工艺过程，首先把劈刀置于芯片上，以芯片键合区为第一焊点，引脚为第二焊点的顺序键合。而反向键合工艺则先把劈刀置于芯片键合区上，先打一个金球以后，再以引脚为第一焊点，芯片键合区为第二焊点的顺序键合，并把第二焊点打到金球上。

　　目前几种应用中，多采用标准的键合工艺，因为标准的键合工艺速度比反向的更快，并能够得到更细的间距。但是标准的键合工艺受到弧高方面的约束。而且金球上方过度的反拉可造成颈部裂纹，这些裂纹导致了可靠性问题。使用25μm金丝获得的标准键合工艺的最小弧高大约为125μm。而在采用了最佳化的工艺过程，使用较好的键合设备后，反向键合工艺能够获得低于75μm的弧高。

　　除了较低的弧高之外，反向键合在引脚的第二焊点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，顶部的芯片弧形到底部芯片边缘，需要有足够的间隙，这通常需要做一个平台模式的弧形，在接近第二焊点的弧形中，要求一个比较大的角度，因为弧形的支座点是第一焊点，因此这比做接近于第一焊点的弯曲要困难得多，当弯曲角增大时，弧度受到更大的倾斜和断裂威胁。当底部芯片比顶部芯片大很多并且第二焊点引线非常接近芯片边缘时，会使此问题变得恶化，可以使用反向键合来解决这一问题，因为反向键合提供了急弯角和较高的弯曲高度，传统的正向键合技术的又一替代技术是最新研究的叠合式正向键合法。叠合式正向法为叠层芯片封装提供了一种超低弧度、正向键合技术，这种技术除了提供比传统的正向键合低的弧高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键合区损伤，还提供了较高的产量，由于在第一焊点的低变形，叠合式正向法也提供了比反向球焊更细间距的能力，在此应外中可以得到低于75μm的弧高，表2提供了3种所描述的弧形类型的比较状况。

　　2、芯片与芯片间的金线键合技术

　　由于芯片键合区与引脚是两完全不同的材料，而在叠层芯片中不可避免地会有两芯片键合区之间的连接，这时就不是传统的键合模式可以完成了。因为键合模式及参数设置与材料有很大的关系，以铜的Leadframe为例，第二焊点打在上面时它的参数与打在芯片键合区的铝层上有很大的不同，打在Leadframe上时功率和压力参数的设置是比较大的，而如果使用相同的参数打在芯片铝层上，不只会出现打不上的情况，而且会对铝层下的芯片本身造成严重的伤害，因此打在芯片铝层上的参数要小得多。

　　另外，由于芯片铝层上键合的特殊性，这就需要在铝层表面一定要有金球的情况才可以正常完成键合，而普通模式在键合时只在打第一焊点时会形成金球，在打第二焊点时由于没有事先烧球，所以不会形成金球，只会在第二焊点形成一个月牙状的痕迹，这样不只会影响两焊点间连接的可靠性，还会在打第二焊点时对芯片形成比较大的损伤，因此在进行芯片与芯片间的连接时就必须使用Bump球模式，这种模式的方法与上面提到的反向键合的方法差不多，即先在第二焊点打一个金球，然后再以正常键合模式把金线从第一焊点连接到第二焊点，这时的第二焊点上由于有了金球，因此在打第二焊点的参数设置上会比正常键合模式要小得多，这就是有效地保证了打第二焊点时对铝层下的芯片本身不会有太大的影响。

　　四、LQFP－3D技术的MSL

　　MSL是Moisture Sensitivity Level（潮湿敏感度等级），是考核在特定的温湿度条件下电路存在一定时间后，其塑封体抗吸收水分的能力，根据条件的不同可以分成多个等级，主要靠在不同条件存放后进行Reflow，并度电路进行扫描察看分层情况来判断等级，见表3。

　　为什么3D封装中的MSL考核有别与传统单芯片封装的MSL考核？首先需要了解MSL考核与封装中的哪些因素有关，与MSL有关的因素大体可以分为3大类：工艺、材料、产品结构。

　　1、封装材料对MSL的影响

　　在封装中影响MSL的材料主要有引线框、装片胶、塑封料及芯片（表面处理）。

　　引线框

　　引线框内引脚的密集程度直接影响电路的MSL考核，引线脚越多越密，树脂与内引线的接触面就越多，产生分层的可能就越大，同时内引脚越密，上下塑封体树脂的连接也就越少，可靠性相对较差。

　　所以对于多引脚、密间距的引线框一般只能使用高流动性，高粘结性的塑封料，来提高与引线框的结合力达到高可靠性的目的。

　　引线框的表面粗糙度也是影响MSL的一个因素，内引脚边缘的毛刺突出直接导致与树脂之间的粘结不充分，导致内引脚边缘的分层。

　　装片胶

　　装片胶为了有很好的滴胶性能一般都加入稀释剂，而稀释剂在高温时容易挥发，这就容易在芯片和小岛之间的胶层产生空洞和间隙，所以可选用稀释剂含量少的装片胶来应对MSL的考核。

　　塑封料

　　在封装中影响MSL最大的材料就是塑封料，在该行业中塑封料太多的选择，其中高粘结性，低吸水率的树脂可以很好地提高MSL的可靠性。

　　用环氧塑料封装的电路是非气密性封装，电路暴露在空气中会吸收水分，塑封体吸湿或塑封料含水量过多时，当他们暴露在典型的回流焊和波峰焊温度中时，会产生裂纹，产生的气压超过塑封体强度还会使之破裂，高温和温度突变是产生开裂的主要因素，如图14，特别是像LQFP64的薄型电路，塑封体外壳与芯片的距离只有不到0.5mm左右，外壳的抗爆能力已经很弱。

　　潮气可通过包封体或沿引线框架已塑封料界面渗透到塑封体内，加速塑封器件的脱层，当塑封料与此线框间粘附良好时，潮气进入塑封体的主要途径是通过包封材料，然而，由于组装过程不良因素，如键合高温氧化、应力消除不充分或过大的切筋力使引线框架翘曲等使粘附性能降低，在封装的外表面产生剥离和微裂纹，水气就可沿此路侵入电路内部。

　　在界面处，潮气使环氧树脂水解，降低截面化学结合力，然而，由于塑封料的不同对潮气反应各异。例如，低应力的环氧树脂化合物由于加入了硅铜调节剂以减小应力，它对潮气的变化比普通的塑封料更敏感，低的玻璃化温度会促进潮气吸附。

　　为获得良好粘附，严格清洗表面是必需的，氧化的表面，如铜合金引线框架暴露在高温环境中，通常会产生剥离，氮气可以避免氧化，在高温处理过程中和储存中应使用氮气保护。

　　低亲和力的表面涂层，如局部镀银表面，也影响了界面粘附力，通常管芯键合区镀银用来控制偏压和防止引线氧化。但是，镀银层和塑封料之间的粘附性太差，所以在管芯附近区域内会形成一定的间隙，高粘结性树脂能改善这种情况。

　　塑封料中脱模剂和助粘剂能加速塑封电路剥离层产生，因此必需精确调整其含量，脱模剂有助于从模腔中取出产品，但存在一定的界面剥离风险，另一方面，助焊剂保证了良好的界面粘附性能，但也使脱模更困难，所以这两种调节剂在塑封料中的含量很大的影响塑封料的性能。

　　2、封装工艺对MSL的影响

　　装片MSL的考虑

　　LQFP系列的3D封装，里面有两个IC芯片，封装后价值较高，因此就要求产品有较高的可靠性，对于扁平表面贴装产品，采用回流焊，温度较高，约在260℃，这就要求封装后塑封树脂和芯片表面以及引线框的表面紧密接触，没有空隙，否则在做回流焊时，空隙处的空气会急剧膨胀，从而损坏产品，装片工序要提高MSL的水平，从两个方面里考虑：一是选用挥发剂少的导电胶和绝缘胶，如胶的发挥剂占质量分数小于3％的比较理想，这样可以最小程度减少挥发剂在表面的附着，使塑封树脂和表面紧密接触。二是减少装片后引线框在后固化时的氧化，因为氧化层影响树脂和表面的结合力，最终我们选用无氧气固化。

　　装片的点胶方式有单孔滴胶、多孔滴胶、单孔画胶，单孔滴胶适用于小芯片，大芯片就需要用到后两种滴胶方式，不同的滴胶方式的目的都是为了装片胶能有效好的覆盖率，避免在装片过程中产生空洞和间隙（见图15）。

　　封装工艺

　　一般来说，在塑封过程中的开裂主要有以下几种原因造成：

　　（1）作业过程中处理不当粘模造成开裂。有塑封体上下分开和引脚处裂痕两种。粘模主要是由于固化成型时间太短，塑封体未完全固化而打开模具，形成开裂；而且塑封料中脱模成份少的话也会粘模：注意模具表面或没有充分润模可也是粘模块的一个原因。

　　（2）由于工艺条件设置不当影响塑料成型，伴随着麻点一起出现裂缝。这种裂缝可以调节固化温度来解决。

　　（3）由于3D产品内部芯片结构不同，树脂在模具型腔里的流动发生变化，很容易产生内部气孔，所以选用流动性好，黏度低的树脂就非常重要，同时也可以适当提高模具温度，使树脂能顺利充满型腔。

　　（4）来料的引线框由于通过装片后固化和键合加热表面会有一定程度的氧化，过度的氧化会直接影响树脂与引线框的结合力，所以装片键合高温的地方最好能通上氮气，尽量避免引线框的氧化，纯金属与树脂的粘结效果也不是很好，适当的氧化也能提高树脂与引线框的结合力，适当的氧化层在1nm左右。

　　（5）为了提高树脂和引线框的粘结力，塑封时可以适当增加注射压力，增加固化时间：塑封料的保管也要严格按照厂家要求，过期和失效的树脂对MSL考核的影响也很大。

　　3、产品结构对MSL的影响

　　从产品结构来说，薄型和小型的电路更容易被水分浸入到核心，其MSL考核很难达到要求，特别是LQFP－3D的电路，其最高层的芯片与塑封体上表面已经很进，水分很容易就到达芯片。

　　为了获得最高可靠性和低的焊接热损伤，所有塑封电路都希望有低的潮气扩散率既较高的MSL等级。在室温下，环氧模塑料长期暴露在相对湿度为100％的环境中吸附水分后质量增加大约0.5％，饱和潮气吸收率通常由通过将已知质量的干燥塑封体暴露在给定的相对温度和湿度中一段时间后增加后的质量来确定。饱和潮气部件的吸收率类似于通过在高温下进行干燥处理来确定。

　　潮气塑封电路的开裂现象可通过控制潮气含量和通过合理的包装和处理程序而避免。

　　塑封电路中潮气含量定义为：

　　潮气含量＝（吸湿后质量－干燥时质量）/干燥时质量

　　LQFP系列封装在高温烘烤后的吸湿曲线作为温度和相对湿度的函数如图16，该图表明温度是潮气吸附率的决定参数，饱和吸湿率极限是由温度和相对湿度共同决定的，相对湿度对元件稳定的潮气含量起决定作用。