SIP立體封裝工藝技術(shù)分析

加海+楊寧

摘要：SIP其實(shí)是指系統(tǒng)級(jí)的多芯片封裝，它是將多個(gè)芯片和可能的無源元件集成在同一封裝內(nèi)，形成具有系統(tǒng)功能的模塊，所有具有性能密度高、集成度高、靈活性高以及節(jié)約成本的特點(diǎn)。立體封裝技術(shù)是SIP立體封裝芯片實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前封裝業(yè)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：SIP立體封裝；工藝；技術(shù)

1. SIP立體封裝工藝特點(diǎn)

目前，大多數(shù)的集成電路都是平面封裝，換句話說，就是單個(gè)芯片集成在同個(gè)平面內(nèi)的封裝技術(shù)。由于面積有限，所以同一個(gè)平面上無法集成多個(gè)芯片。立體封裝這種集成電路封裝技術(shù)在近幾年受到了廣泛的使用，因?yàn)樗鼟昝摿藗鹘y(tǒng)平面封裝的束縛，組裝效率達(dá)到了200%以上；它允許一個(gè)封裝體內(nèi)堆疊多個(gè)芯片，能夠讓存儲(chǔ)容量翻倍增加，比如將SDRAM、SRAM以及FLASH芯片堆疊起來，能夠提高8-10倍的存儲(chǔ)容量；其次，它直接將芯片互相連接起來，大大地縮短了互連長(zhǎng)度，信號(hào)傳輸速度提高不少，具有更強(qiáng)的抗干擾能力；此外，它把多個(gè)功能不同的芯片堆疊起來，使單個(gè)封裝增加了很多的功能，例如將CPU、SRAM和FLASH芯片封裝后，形成一個(gè)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，打開了系統(tǒng)芯片封裝的新局面；芯片經(jīng)過立體封裝之后，還具有功耗低、速度快這些特點(diǎn)，使得電子信息產(chǎn)品的重量以及尺寸縮減幾十倍。

立體封裝分為三種類型，分別是疊層型立體封裝、有源基板型立體封裝以及埋置型立體封裝。目前可以通過三種方式來完成這三類立體封裝：一種是基板內(nèi)或多層布線介質(zhì)層中埋置元器件，在最上面貼裝SMD、SMC完成立體封裝，這種方式也叫做埋置型立體封裝；

還有一種是在有源基板上進(jìn)行多層布線，用SMC、SMD貼裝在最上面，從而實(shí)現(xiàn)立體封裝，

這是有源基板型立體封裝；第三種是以平面封裝為基礎(chǔ)，將多個(gè)硅圓片、封裝芯片、多芯片組件實(shí)行疊層相連，形成立體封裝，這種結(jié)構(gòu)稱作疊層型立體封裝。目前只有第三種方式投入實(shí)踐中。

2. SIP立體封裝工藝分析

SIP立體封裝工藝主要包括如下幾個(gè)方面：

2.1 堆疊工藝技術(shù)

堆疊工藝是將若干已封裝芯片或焊接了芯片的柔性PCB板通過堆疊工裝模具在垂直 方向上堆疊起來。堆疊時(shí)必須保證芯片平整并排列整齊。要求堆疊過程中的專用設(shè)備和工具具有較高的精度，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 灌封工藝技術(shù)

灌封工藝是將已堆疊好的芯片組放入灌封模具，在一定溫度條件下用成型樹脂進(jìn)行 灌封，待樹脂固化后脫模。灌封時(shí)成型樹脂必須具有良好的流動(dòng)性，以便灌封后內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生氣泡或充不滿現(xiàn)象。該工藝是立體封裝的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，基板、灌封模具的設(shè)計(jì)、溫度的控制等各環(huán)節(jié)控制的是否合理，決定了灌封的成品率。

2.3切割工藝技術(shù)

切割工藝是將已灌封好的芯片按一定尺寸要求進(jìn)行切割成型，切割后各層芯片或 PCB板的信號(hào)引出線外露于切割后的表面，以便各層芯片之間信號(hào)的互聯(lián)。切割時(shí)要保證較高的切割精度和穩(wěn)定的切割速度，并要保證在切割的過程中不能損壞內(nèi)部的芯片，同時(shí)工裝夾具的設(shè)計(jì)是保證切割成品率的關(guān)鍵。

2.4 表面處理工藝技術(shù)

表面處理工藝是將經(jīng)過切割成型的芯片進(jìn)行表面鍍金處理。表面鍍金后，各層芯片的引出線通過鍍金層全部連接在了一起。由于經(jīng)切割處理后的表面即有樹脂材料又有金屬材料，因此給表面鍍金帶來了很高的難度，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)1年多的探索和試驗(yàn)，終于找到了最佳電鍍工藝方法，保證了表面處理的質(zhì)量，

2.5 連線雕刻工藝技術(shù)

連線雕刻工藝是在經(jīng)過表面處理的芯片表面上按照事先設(shè)計(jì)好的線路，用激光雕刻方式將芯片表面不需要的鍍金層去除，雕刻后，各層芯片之間需要互聯(lián)的引線通過鍍金層連接了起來，而不需要連接的信號(hào)經(jīng)激光雕刻后使之分離，最終實(shí)現(xiàn)各層之間的信號(hào)互聯(lián)。在本工藝環(huán)節(jié)中，互聯(lián)線路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，線路設(shè)計(jì)是否合理直接影響芯片的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如運(yùn)行速度、信號(hào)完整性和可靠性。

以上工藝環(huán)節(jié)是經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、摸索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終取得了突破。這些工藝環(huán)節(jié)對(duì)加工精度要求相對(duì)較高，不僅要設(shè)計(jì)大量的高精度工裝夾具，對(duì)加工設(shè)備的精度要求也很高。

由于SIP立體封裝芯片在一個(gè)較小的空間內(nèi)集成了數(shù)量較多的各種器件，因此芯片的散熱設(shè)計(jì)就變得尤為重要。要進(jìn)行必要的熱設(shè)計(jì)，主要包括如下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)芯片進(jìn)行熱力學(xué)分析

根據(jù)芯片各部分的發(fā)熱量建立芯片整體的熱力學(xué)模型；通過熱力學(xué)分析軟件對(duì)芯片整體進(jìn)行熱力學(xué)模擬分析，找出芯片的熱傳導(dǎo)途徑并計(jì)算熱通量。

（2）對(duì)芯片內(nèi)部器件布局進(jìn)行合理調(diào)整

根據(jù)熱力學(xué)模擬分析結(jié)果，對(duì)芯片內(nèi)部的器件在空間位置上進(jìn)行合理調(diào)整，使芯片整體具有最佳的散熱效果。

（3）采取必要的導(dǎo)熱措施

如果芯片內(nèi)部器件的布局無法滿足散熱要求時(shí)，可采取措施將芯片內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至芯片表面或芯片的引腳，確保芯片整體的散熱性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

SIP立體封裝芯片的散熱設(shè)計(jì)技術(shù)確保了芯片的高性能和高可靠。在SIP立體封裝生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)過多道測(cè)試和檢測(cè)環(huán)節(jié)，才能保證最終的質(zhì)量要求，需要配備多種測(cè)試和檢測(cè)設(shè)備。

（1）立體封裝工藝還有一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)就是各元件間的互連。

當(dāng)封裝中將晶圓（裸片）堆疊放置時(shí)，通常會(huì)采用引線鍵合的方式進(jìn)行連接。隨著

芯片尺寸不斷縮小，引線鍵合的數(shù)量和密度以及重疊式芯片已經(jīng)無法適應(yīng)空間的大小。并且鍵合引線的密度會(huì)造成傳輸不順暢和寄生電子。目前又出現(xiàn)可以替代引線鍵合的技術(shù)，通孔結(jié)構(gòu)穿透硅圓片，能從很大程度上縮短連接之間的距離，讓芯片疊層不再受到數(shù)量的限制。這種采用直接互連的方式可以使器件運(yùn)行更加高效，這種技術(shù)被稱為硅片貫穿孔（TSV）技術(shù)，目前僅限于生產(chǎn)民用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類產(chǎn)品，如FLASH等。endprint

（2）標(biāo)準(zhǔn)封裝堆疊（TSOP堆疊）以及柔性PCB混合堆疊這兩種封裝技術(shù)經(jīng)常運(yùn)用于三維立體封裝當(dāng)中，是種全新的立體封裝技術(shù)，它突出之處在于將類似于TSOP這種經(jīng)過封裝的芯片采用堆疊或柔性PCB堆疊的方式灌封起來，運(yùn)用切割成型、表面處理以及激光雕刻的方式將各個(gè)芯片連接起來；這種技術(shù)非常靈活，能適用于多種場(chǎng)景。而且這種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)基于晶圓級(jí)立體封裝的芯片的二次封裝，所以該技術(shù)難以過時(shí)，而且具有較大發(fā)展空間。結(jié)合目前的情況來看，隨著電子設(shè)備越來越系統(tǒng)化、集成化、可靠化，對(duì)電氣互聯(lián)技術(shù)尤其是立體封裝技術(shù)提出更高要求。

3. SIP立體封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)內(nèi)地市場(chǎng)目前都偏向采用SOP、DIP、QFP這些中低檔產(chǎn)品，然而隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天電子領(lǐng)域度對(duì)集成度很高的集成電路產(chǎn)品需求量持續(xù)攀升，消費(fèi)類電子以及工業(yè)控制行業(yè)中數(shù)字電視、3G手機(jī)等產(chǎn)品通常對(duì)IC高端電路產(chǎn)品有大量需求，

尤其是大量需要高引腳數(shù)的中高檔封裝產(chǎn)品。

未來5年，中高檔封裝產(chǎn)品需求將十分旺盛。毫無疑問，這為立體集成電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了巨大的市場(chǎng)支撐。

時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)也要更新?lián)Q代，IC器件尺寸越來越小，而且運(yùn)算速度越來越快，因此封裝技術(shù)發(fā)揮著更加重要的作用。封裝形式的好壞直接關(guān)系到IC器件的功耗、頻率以及可靠性，還會(huì)影響單位成本。現(xiàn)階段運(yùn)用廣泛的封裝技術(shù)有芯片凸點(diǎn)和倒裝技術(shù)、高可靠低成本封裝技術(shù)、CSP封裝技術(shù)以及SIP封裝技術(shù)等。從尺寸、芯片面積以及晶體管數(shù)來看，未來的集成電路技術(shù)的發(fā)展軌跡是：芯片規(guī)模增加，面積縮小；引線持續(xù)增加，引線間距持續(xù)縮小，并從兩側(cè)引腳到四周引腳，再到底面引腳；單位封裝體積增高，封裝成本不斷降低，封裝具備更高的性能，并且單芯片封裝會(huì)逐漸發(fā)展成多芯片及SIP封裝。由于立體封裝技術(shù)能對(duì)普通封裝的芯片實(shí)現(xiàn)立體封裝，以柔性PCB堆疊為基礎(chǔ)，還能在晶圓級(jí)立體封裝的基礎(chǔ)上實(shí)行二次封裝，所以這項(xiàng)新興的立體封裝技術(shù)具有很大的發(fā)展空間。SIP立體封裝集成電路行業(yè)在整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)中有著舉足輕重的位置，也是未來的發(fā)展方向。

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