SIP封裝堆疊工藝技術進展

李振華+加海+田光偉

摘要：在目前的集成電路市場上的發展趨勢是逐漸微小化和多功能化，比如手機、PAD、便攜傳感器等等，所展現的體積越來越小，但是表現出來的功能卻越來越強大。本次文章重點介紹了SIP封裝堆疊工藝的技術進展。

關鍵詞：堆疊封裝、技術進展、組裝流程。

1 微電子封裝技術概述

第二十一世紀是信息科學與技術的世紀。社會經濟的發展與信息科學技術的發展程度密切相關。一個國家的信息化程度已成為衡量一個國家現代化水平的重要標志。隨著信息技術的發展，微電子技術得到了極大的發展。微電子技術是信息技術的基礎，它的發展促進了現代電子工業的發展，尤其是通信、計算機和互聯網技術的發展。微電子系統的小型化、高性能、高密度和高可靠性要求導致微電子封裝設計和制造技術的不斷發展。為了滿足移動電話、數碼相機和其他無線設備的發展要求，逐漸開發出越來越多的先進技術，如BGA、CSP、SIP、WLP、POP的出現。電子封裝已成為當今世界上一個獨立的重要產業，它已成為集成電路設計、集成電路制造和集成電路測試的四大支柱產業。隨著綠色環保電子時代的到來，微電子封裝技術必將面臨更大的挑戰和機遇，并將具有廣闊的市場前景。

2 堆疊封裝（Package on Package，PoP）技術

堆疊封裝POP技術的發展在推動了電子產品向高可靠性、低能耗、低制造成本和小尺寸方面起到了重要的作用。底部模塊使用倒裝封裝，從而降低了堆疊封裝產品的總體高度，通過采用多層的PoP技術在每一層上封裝芯片，封裝芯片的數目比其他的封裝形式多。新的穿透模塑通孔（TMV）技術的使用減小了底部封裝模塊的厚度，減少制造的成本。因此，堆疊封裝PoP封裝形式成為大多數的移動電子產品的首選，得到了人們的廣泛認可，并且隨著堆疊PoP的技術不斷改善提高，堆疊封裝PoP必將是三維封裝技術重要部分。

2.1 PoP封裝簡介

伴隨著移動電子產品市場在人們生活中重要性的提高，堆疊封裝PoP技術已經是目前主要的三維封裝技術的解決方案。堆疊封裝PoP可以在裝配前單獨對各個產品進行良品率測試，從而使總的制造成本降低。目前一些先進的移動電子設備生產廠商都使用了PoP。目前，PoP由頂層和底層通過堆疊的形式封裝而成，頂層模塊包括邏輯芯片，底層模塊包括了存儲芯片，底層是采用引線鍵合或倒裝封裝的器件，底部模塊的下表面存在有很多的引腳，上表面是焊盤。通常，采用回流焊工藝使頂層和底層互連。

堆疊封裝PoP具有以下優點：（1）封裝體的尺寸小，質量輕；（2）頂層封裝模塊和底層封裝模塊的電子元件可以在組裝前進行測試并替換，使得瑕疵率大大降低、良品比率升高，成本也大度下降；（3）在采取垂直互連的方式對上層和下層進行連接，大大的減小了引線長度，減少了寄生電容、寄生電感，電源損耗減小，信號的傳輸速度更快；（4）模塊中的存儲芯片和邏輯芯片可以由不同的商家提供，使產品的生產時間縮短，效率提高。

2.2 PoP封裝的發展

信息產業的不斷發展使半導體集成電路的集成度越來越高，封裝引腳數目增多，出現多種形式的高密度封裝，在倒芯片技術發展的基礎上出現了元件堆疊技術。經過十多年的不斷發展，PoP封裝技術現在已經成為移動電子產品的主要封裝形式，堆疊元件的層數為2層到8層，國內外頂級封裝測試生產商如日月光集團（Advanced SemiconductorEngineering，ASE）、安靠封裝測試有限公司（Amkor Technology）、星科金朋（STATSChip PAC）等都有自己的PoP封裝形式。

移動電子產品主要需要解決的是信號的高速傳輸問題，即要求信號高速傳輸，增加輸入/輸出引腳數。在IC封裝方面專家的協同設計和共同開發下封裝模塊引腳間距尺寸將進一步縮小以確保下一代PoP的成本和性能最佳。

2003面，首次提出了一種新的PoP解決方案，是在一個封裝體內將邏輯器和存儲器共同集成在一起。由于這種方式展現出來的巨大潛力，PoP在一段時間內得到人們的強烈關注。然而，由于智能手機長期沒有普及和技術上的原因，PoP暫時消失了。

在2007年的時候，蘋果公司發布了令世界側目的iphone。一經發布，便拆開給大家展示出來，此時，PoP技術重新得到人們的強烈關注。之后的幾年，隨著人們的需求漸漲，全世界主流的手機制造商均開始使用這種技術，這是能夠引領產品快遞發展的催化劑。我們所接觸到的每一部手機，里面至少都含有一個疊層封裝，并且，還在有不斷增加的趨勢。

幾乎可以說，人們需求的增加，促進了手機的加速發展，同時也促進了封裝技術不斷的改革和創新。在手機剛剛發展出來的時候，僅僅只有相互撥打電話和互發短信的簡單功能，手機里只有基本的處理器以及非常小容量的內存。但是在現在，手機已經有了豐富的功能，任何事情都可以在手機上處理完畢，只有你想不到的，沒有你做不到的，其內部的處理器不亞于電腦，并且存儲力也越來越大。這也是基于PoP的技術。

數據預測，在未來幾年內，智能高端手機市場的年復合增長率將達到25%，而到2014年底，全球手機產量預計將達到13億左右。因為手機中邏輯加存儲是有著標準規范的，所以在這一塊會有越來越多的供應商，PoP更容易實現高密度包裝，并且其成本會越來越低，其技術優勢將使POP有更廣闊的應用前景。

隨著許多新產品的采用，它的前景也越來越非常光明，但還是需要進行性能改進、形狀因子降低和不同的內存配置和接口。它現在正處于快速發展階段，和多樣化，以滿足日益增長的需求。PoP已經證明它的成熟，其他應用程序也受益于它的使用，將不僅僅局限在手機上。

隨著POP的廣泛應用，POP生產線的產品產量和產品的服務可靠性越來越受到人們的重視。目前，焊接生產線中出現的缺陷，原因主要有兩點，一是不完全融合的焊料回流焊工藝，二是由于在加熱過程中芯片翹曲使得加熱熔融焊料的液橋斷裂，但當在冷卻后不能及時融合。與此同時，影響使用年限的一個重要因素是焊點上的的拉伸應力和壓應力。很明顯，焊點的拉伸和壓縮應力是由芯片的熱翹曲引起的。在不久的將來，POP將面臨更小的芯片封裝尺寸的挑戰，并且熱翹曲的影響將更加突出。因此，對芯片熱翹曲變形的研究已成為解決POP器件成品率和使用可靠性問題的前提。endprint

在此之前，研究芯片熱變形的主要方法是利用有限元模擬方法模擬芯片的結構，并通過合理應用載荷，來進行分析，之后得到結果。然而，由于芯片翹曲，它的變形導致了焊球共面的破壞，焊點形狀也是千差萬別，在焊點的拉應力的精確分析的有限元法仿真建模和網格劃分時遇到的大問題，因此，對新研究的建模過程的簡化方法具有重要的實用價值。

3 封裝堆疊 Po P 的組裝流程

PoP在組裝時要考慮元器件間的間隙，以減小元器件之間的應力，提高封裝器件的良品率和可靠性。在板PoP的典型工藝流程，包括以下的主要過程：采用印刷設備將焊膏印刷在 PCB板上，通過表面貼裝技術將底部的元器件和其他器件貼裝在PCB板上，拾取頂部的模塊浸蘸焊膏或助焊劑，它連接到底部模塊。在回流焊爐中，電路板回流焊接，在電路板上的焊料球陣列中注入較低的填料，填充固定。

4 結論

PoP（Package on Package）堆疊裝配技術的出現更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線，大大提高了邏輯運算功能和存儲空間的同時，也為用戶提供了一種可能的組合裝置的自由選擇，生產成本可更有效地控制。對于3G手機來說，PoP絕對是一個不錯的選擇。毫無疑問，隨著小型化的高密度封裝的出現，對于高速和高精度的組裝要求變得越來越重要。相關的裝配設備和工藝也更先進，高度靈活。其技術必須經受新的挑戰。

參考文獻

[1]呂亞平.系統級封裝多層堆疊鍵合技術研究[D].華中科技大學，2014.

[2]鄧仕陽，劉俐，楊珊，王曳舟，方宣偉，夏衛生，吳豐順，方文磊，付紅志. 堆疊封裝技術進展[J].半導體技術，2012，37（05）：335-340+350

[3]邱翔，王珺.封裝堆疊的溫度場分析和參數研究[J]. 半導體技術，2012，37（10）：799-803

[4]翁壽松.堆疊封裝的最新動態[J]. 電子與封裝，2006，（05）：1-4

[5]廖小雨.SiP封裝中的芯片堆疊工藝與可靠性研究[D].華南理工大學，2013

[6]唐修勝.溫度沖擊載荷下POP堆疊封裝可靠性研究[D].江蘇大學，2015

[7]陳冬瓊.堆疊封裝（PoP）的可靠性研究[D].華南理工大學，2016endprint