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3D封装使得新型可堆叠的芯片级封装成为可能

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& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; 手机和其他一些应用需要更加创新的芯片级封装（CSP）解决方案。起先，小于0.8毫米间距的CSP和密间距球栅阵列封装 (FBGA)已经能够满足要求。但是，PCB板和封装转接板的布线限制规定0.50或0.40毫米是CSP 封装最小的实用间距，这使得在X和Y方向上提高封装密度非常困难。现在系统设计师为了手机和其他很多紧凑型消费品，不得不选择用3D 封装来开发Z方向上的潜力。

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 手机经历了从只有基带处理器和非常有限内存的蜂窝手机到如今配置有其他功能处理器和内存的高端手机的演化，这样的发展把工业界推向了3D 封装解决方案。

　　3D 封装可以通过两种方法实现：封装内的裸片堆叠，封装内的封装堆叠或称封装堆叠（如图1）。两种方法各有利弊（见表1）。总体上说：

　　·因为裸片堆叠CSP在开发Z方向空间（即高度）的同时还保持了其X和Y方向上的元件大小（厚度即使增加也是非常小），这种封装已经被很多手机应用所接受。裸片堆叠CSP 封装的主要缺点是，如果堆叠中的一层集成电路出现问题，所有堆叠的裸片都将失效。

　　· 封装堆叠已经研发出不同的形式，参见图2。这种封装使得能够堆叠来自不同供应商和混合集成电路技术的裸片，也允许在堆叠之前进行预烧和检测。

　　· 封装堆叠包括翻转一个已经检测过的封装，并堆叠到一个基底封装上面，后续的互连采用线焊工艺。封装堆叠的装配过程类似于裸片堆叠CSP。封装堆叠在印制板装配的时候需要另外的表面安装堆叠工艺。

& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp; "所有权"是困扰这些方法的一个难题。因为IDM厂商生产封装堆叠和裸片堆叠的CSP产品，OEM厂商就不必要另外地选择内存和逻辑集成电路，除非是专门研发出来的。另一方面，只要元件大小匹配，OEM厂商可以把任何内存集成电路的封装堆叠到另外一个逻辑电路封装上，即使这个逻辑电路封装由不同IDM厂商提供。虽然需要使用印制版装配线上的专门装配设备来堆叠封装，OEM厂商还是可以获得下至单个元件的系统配置灵活性。比如，OEM厂商能够就在最终产品堆出之前确定内存密度。

　　关键的装配技术

　　成功的3D 封装是晶圆级和封装级核心技术发展和革新的结果。例如，芯片厚度的控制对于在封装堆叠解决方案中实现薄的模盖是非常关键的。对于晶圆的减薄, 背面研磨到100微米以下并不困难，但是，减薄工艺必须要进行优化以保证裸片的质量和可靠性。在晶片背面机械研磨过程中，硅晶粒形变很容易导致应力，并引发可靠性（例如裸片破裂）和工艺处理的问题（例如处理扭曲的晶片）。因此需要抛光来消除硅晶粒形变，目前已经提出了几种技术，例如CMP，湿刻蚀和等离子刻蚀。表2给出了在先进的晶圆减薄工艺下对裸片扭曲的控制和能够达到的表面粗糙等级。

　　线焊技术是决定封装堆叠模盖最小高度和S-CSP裸片堆叠高度的一个关键因素。裸片表面和模盖之间需要低的焊线成形高度和长的线焊间隙，这样相对裸片焊盘引出的导线来说窄小。只要间隙大于0.3毫米，就足够使用传统的球焊技术，这样使得高产率和优异的焊接质量成为可能。但是3D 封装中的多裸片或多封装需要间隙小于0.3毫米，因此需要应用不同的线焊技术。

　　·球焊技术在被不断地改进以减小焊线成形的轮廓。

　　·支架型针脚焊接(SSB)首先使用球焊到焊针上，接着针焊接到已经有金接线柱的裸片焊盘上。这项技术在不损坏焊线的情况下允许焊线成形高度小于100微米。因为焊接步骤更多，这种焊接技术相比传统的球焊产率更低。

　　·金楔焊接能够做到焊线成形高度小于75微米，但是焊点间距必须大于典型的球焊接。

　　总的来说，在完成设计之前需要仔细研究衬底焊针的设计和线焊方法选择。

　　裸片堆叠技术

　　因为需要考虑更多的参数，在单个封装里装配多个裸片相对装配单个裸片需要更高级的技术。封装成本和性能，包括制造产量，机械强度，可靠性，散热和电学特性，都被总体封装设计所直接影响，在早期发展阶段需要特别的注意。

　　例如，一个问题可能是顶部裸片的旋转及其对封装设计的影响（参见图3）。虽然在一方面需要更大的封装，但是因为额外的布线面积可能需要采用低成本的设计规则。当有裸片悬在上方的时候，线焊和模成型成为具有挑战性的技术。但是两个裸片之间可能不需要间隔空间，因为下面裸片的焊盘可以足够远离边缘，这样能够允许焊接上面的裸片。这些类型的选择需要在衬底设计之前做出。

　　当裸片堆叠的复杂度增加后，选择适当的裸片堆叠和后续衬底的要求极大增加了每个新封装设计的复杂度。

　　薄模成型技术

　　为了能够堆叠封装，底部封装模盖的厚度必须小于顶部堆叠封装焊接球支架的高度。对于球间距为0.5-0.8毫米的CSP，紧凑型产品中已经广泛采用0.2-0.4毫米的球支架高度，这使得薄模成型技术成为必要。

　　图4给出了回流焊前后为了粘接堆叠封装，而对焊料球支架高度的计算，计算根据焊料的体积来估计的。假定没有使用焊膏，在封装堆叠回流粘接工艺中在焊盘上只用了焊剂。做出这个假定是因为任何丝网焊膏印刷都很困难。为了获得尽可能大的支架高度，选择CSP球间距的65%等于实际球直径。更大的焊料球将在装配或印制板安装过程中导致桥接。对于0.65和0.5毫米间距的CSP，原始焊料球的直径是0.42和0.33毫米，在阻焊剂开口尺寸是CSP球间距的二分之一的情况下，支架高度在封装堆叠后对于0.65毫米间距和0.5毫米间距CSP分别是0.28毫米和0.22毫米。模腔的厚度必须有所需的支架高度来决定。支架高度最终是阻焊剂开口尺寸和球直径的函数。

　　传统的模成型，树脂是从封装侧面注入的，这种模成型牺牲了上层堆叠封装的球数目，因为不可能在模成型浇口区域中设计焊盘。为了能够有薄的模盖和最大化的焊盘数目，我们已经在封装堆叠的模式下开发了顶部模成型浇口技术。因为浇口的位置在封装的中央，树脂流不会导致线形变，例如线扫除。

　　 封装可堆叠的CSP

　　使用装配技术中最新的理念，我们开发了两种新型的封装可堆叠的CSP（如图5）。一种和传统的塑料BGA 封装相似，另一种在衬底中央有一个空腔。两种封装在它们的顶部表面沿着模成型区有铜的焊盘，因而可以在顶部堆叠另一个封装。

　　第一种使用100微米厚的裸片和超低的loop线焊，顶部的模成型浇口被用于最大化用于连接顶部封装和周围模盖区域的焊料岛数目。对0.5毫米间距CSP使用标准的0.3毫米焊料球尺寸，假定0.27毫米厚的模盖和四层薄芯衬底，总的封装高度在印制板安装之后为0.8毫米。因此，它的上面可以堆叠一个焊料球直径为0.42毫米间距为0.65毫米的CSP。

　　第二种封装，因为裸片是放置在一个腔中，使用0.2毫米厚的模盖，假定0.2毫米厚的两层衬底，最后总高度为0.65毫米。对于这个封装，可以堆叠一个焊料球直径为0.33毫米间距为0.5毫米的CSP。

　　与腔型封装相比，显然无腔型封装要更厚，对于紧凑型产品是不利的。但是，使用四层高级设计规则的衬底布线具有更大的灵活性。因为焊盘一般来说在不同IDM制造的内存和逻辑集成电路之间没有很好的对准，这个布线上的优点可以是封装设计中的一个主要参数。

　　在我们的研发工作中，我们寻求各种不同的模成型混合物来减少封装的扭曲。因为单个单元模的形式和灵活的薄芯衬底，在模成型混合物的热膨胀系数和其他封装材料没有很好平衡的情况下扭曲会非常严重。图6给出了模树脂的热膨胀系数和封装扭曲的关系，扭曲用封装尺寸来归一化。这份数据表明，扭曲很强烈地依赖于树脂的热膨胀系数。

　　因为封装的结构，腔型封装的扭曲通常是凹陷的，而非腔型封装的扭曲通常是凸起的。

　　在腔型封装中，裸片在结构的下半部分，相对模成型混合物而言具有低的有效热膨胀系数。因此，腔型封装在从无应力点（~175°C模固化温度）冷却到室温后，经常表现出凸起扭曲。而且使用低热膨胀系数的模成型混合物是改进扭曲的有效解决方案，因为这样可以消除热膨胀系数的不匹配。

　　无腔型封装在下半部分结构中只有衬底材料，而上半部分包括裸片和模树脂。因为裸片的热膨胀系数是最低的，上半部分有低的热膨胀系数，而下半部就是衬底的性质。对于这种封装，具有更高热膨胀系数的模成型混合物将可以消除总体的扭曲。
　　因此，不同的封装应该选择不同的模混合物。因为两种封装都在高温时趋向更平坦，例如在回流中，使用任何一种封装形式的封装堆叠都会成功。

　　可堆叠CSP的可靠性

　　我们已经完成了对两种新型可堆叠封装 CSP的潮湿电阻测试(MRT)和封装可靠性的测试（见表3），测试中使用7.62毫米封装作为对象。在MRT中，260°C的四重回流作为印制板装配的条件，包括一个附加的回流来堆叠另外一个封装。我们非常关注"爆米花现象"(一个众所周知的由裸片粘接材料和衬底间相互吸收而引发的分层效应)发生的可能性。腔型封装没有裸片粘接材料，因而没有在其中观察到分层，即使是在MRT美国电子器件工程联合委员会(JEDEC)一级条件下。这个性能使得这种封装可以使用无铅焊料，并且是封装适合于需要额外回流工艺的堆叠封装的应用。对于非腔型封装，封装通过了JEDEC三级认证。