低成本高可靠堆疊芯片封裝技術(shù)

楊建生，謝炳軒

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

隨著電子系統(tǒng)微型化或便攜化趨勢的不斷推進，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度產(chǎn)品的封裝技術(shù)越來越得到系統(tǒng)制造者的關(guān)注。因此，現(xiàn)代電子系統(tǒng)要求更高密度的存儲，既要電性能最大化，又要微型化。存儲密度是指二級封裝后，有效的總存儲容量除以封裝所占的板面積。電性能的最大化，就是通過在電路制造中采用卓越的光刻技術(shù)生產(chǎn)出比先前更高集成存儲芯片的方法，這是提升存儲密度一直以來的努力方向。半導(dǎo)體業(yè)界認為每隔3年，存儲密度增長4倍。然而，近來存儲集成密度速度的增長已受到巨大研發(fā)成本和大量技術(shù)壁壘的挑戰(zhàn)。微型化是基于封裝技術(shù)，而不是電路集成技術(shù)，提供高密度存儲。對市場問題不考慮成本和時間，就不能說具有高集成密度的單芯片是實現(xiàn)高密度存儲的最好解決方法。鑒于此，對能夠提供高密度存儲的封裝技術(shù)進行探研。

已研討的三維（3D）封裝技術(shù)作為高密度封裝技術(shù)最具前途的方法之一，沿Z軸既有裸芯片堆疊，也有MCM堆疊。沿Z軸堆疊的裸芯片或分立封裝能夠增加存儲密度，而不損失板面積[4]。基于傳統(tǒng)的樹脂模塑塑料封裝的堆疊技術(shù)，可進一步劃分為封裝堆疊技術(shù)和芯片堆疊技術(shù)。在封裝堆疊技術(shù)中，幾個相同類型的封裝諸如TSOP或SOJ沿垂直方向堆疊。而在芯片堆疊技術(shù)中，多個相同類型的裸芯片在模塑塑料封裝內(nèi)部堆疊。圖1展示了封裝堆疊技術(shù)的樣品圖。芯片堆疊技術(shù)也可采用插件材料諸如引線框架或載帶自動焊研制。

圖1 典型的高封裝堆疊簡圖

表1給出了在裝配成本、封裝厚度和可靠性方面，比較了2個高芯片堆疊與普通的2個高封裝堆疊的主要特性。SCP封裝的裝配成本從兩個假設(shè)來評估，首先，引線框架成本表示總裝配成本的一半，并且由于在引線框架表面選擇電鍍焊料會增加15%；另外，SCP封裝要求材料成本和工藝成本是TSOP封裝的2倍才能完成。在SCP封裝裝配成本估算中，α表示來自引線框架連接工藝的費用，因此是可以忽略的，而β是需要對堆疊的2個TSOP封裝附加費用。根據(jù)成本分析結(jié)果，芯片堆疊比封裝堆疊更便宜。當涉及可靠性問題時，對傳統(tǒng)的塑料封裝而言，預(yù)料芯片堆疊顯示出相當?shù)目煽啃裕鏣SOP封裝。然而，封裝堆疊的可靠性肯定不如TSOP封裝，原因在于2個封裝之間形成了額外的焊點。

表12個高芯片堆疊技術(shù)與普通兩個高封裝堆疊技術(shù)的比較

1 封裝理念與裝配

圖2（a）展示了2個高SCP封裝的斷面圖。2個存儲芯片在相應(yīng)作為插件的引線框架上各自相互面對面地安裝。SCP封裝基本上包含兩類引線框架（下沉6密耳，即0.1524mm），確定下沉深度以便使頂部芯片和底部芯片的金絲不相互接觸[1]。頂部引線框架和底部引線框架之間的電互連，是通過引線到引線的焊點完成，這就是為什么SCP封裝是低成本技術(shù)的原因。圖2（b）展示了已裝配的SCP封裝。SCP封裝被稱為SOP（小外形封裝）型封裝，在短側(cè)面有9.653mm（380mil）的外部尺寸，在長側(cè)面有 22.225mm（875mil）。然而，SCP封裝對封裝格式、封裝外部尺寸和DRAM堆疊芯片的類型沒有特定限制。

圖 3（a）和圖 3（b）為頂部和底部引線框架的頂視圖，電鍍的焊料材料在圖中框架堤壩附近用白色表示。頂部引線框架沒有外部引線，依次完成LOC芯片粘附和絲焊。接著，用靜壓和在惰性氣體環(huán)境中加熱的方法把頂部和底部引線框架進行接合。同時把頂部引線框架的數(shù)十根引線壓焊到底部引線框架相應(yīng)的引線，在接下來的第三部分引線到引線的焊接工藝及其相關(guān)的焊料材料中將進行詳細的論述。接合的引線框架通過傳遞模塑密封。在成型工藝中，頂部和底部引線框架的堤壩同時切割。底部引線框架的外引線最后變?yōu)辁t翼形。

圖22 個高SCP封裝

圖3頂部和底部引線框架視圖

圖4 為闡述一個128M同步動態(tài)隨機存取存儲（SDRAM）SCP樣品的原理框圖。128M SDRAMSCP包含2個具有同樣位結(jié)構(gòu)加2個相應(yīng)的引線框架的64MSDRAM芯片。64MSDRAM芯片可采用不同的位結(jié)構(gòu)，例如8M×8b，16M×4b，64M×1b等。其中之一為64M×1b。關(guān)于圖4，既描述了SCP的略圖又說明了芯片選擇方法。32M×4b的128MSDRAMSCP可通過把兩個具有16M×4b位結(jié)構(gòu)的64MSDRAM芯片結(jié)合來組成，接著依次存取兩個64MSDRAM芯片。兩個64MSDRAM芯片的數(shù)據(jù)輸入/輸出焊盤D0-D3通常與SCP封裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入/輸出端口D0-D3相連接。在此位結(jié)構(gòu)中，X地址信號X0-X12和Y地址信號Y0-Y10，通常反饋給64M SDRAM芯片地址輸入焊盤A0-A12。另外，一個X地址信號，擔當一個芯片選擇信號，反饋給地址輸入焊盤A13。X地址信號的等級確定兩個64M SDRAM芯片中的那一個將進入選定狀態(tài)。交替芯片選擇的結(jié)果，SCP封裝擁有32M×4b的位結(jié)構(gòu)，同時擁有4b單位的輸入或輸出數(shù)據(jù)。由于兩個64MSDRAM芯片采用交替法激發(fā)，因此128MSDRAMSCP的功率損耗幾乎等于一個64MSDRAM芯片的功耗。

圖4 包含兩個具有同樣位結(jié)構(gòu)16M×4b的64M SDRAM芯片128MSDRAMSCP的原理框圖

2 引線到引線的焊點

裝配和運行期間為了確保頂部和底部引線框架之間穩(wěn)定的電互連，要求強有力的機械焊點。通常需要焊接媒介把兩個元器件進行電和機械連接到一起，電子應(yīng)用領(lǐng)域大多數(shù)普通的焊接媒介為焊料材料和導(dǎo)電聚合物粘合劑。表2總結(jié)了幾個焊料材料和填充銀導(dǎo)電聚合物粘合劑在室溫狀況下的體積電阻率。這里所指的焊料材料要求具有高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，再者，填充銀的環(huán)氧樹脂是相對昂貴的材料，在焊接工藝后需要后固化。因此焊接體應(yīng)非常小心處理，直到其完成后固化工藝。介紹的焊料材料和接合方法具有下列特征：無釬劑接合工藝，低電阻率，環(huán)保綠色，強焊點強度，低α-粒子發(fā)射，以及低成本。徹底完成可行的電接合系統(tǒng)優(yōu)缺點的評定后，最終選擇兩個候選者依次進行探討[2]。其一為Ag/Sn無釬劑焊點，另一個為Ag高壓機械焊點。

表2室溫下焊料材料和填充銀導(dǎo)電粘合劑的體積電阻率

2.1 Ag/Sn無釬劑焊點

對Ag/Sn無釬劑焊點而言，頂部及底部引線框架焊點區(qū)域采用5μm厚的銀/5μm厚的錫，有選擇地連續(xù)進行電鍍。在接合工藝中，采用靜壓及超越錫熔化溫度如232℃的氮氣環(huán)境中加熱，把頂部及底部引線框架接合。預(yù)防錫層氧化氮氣流是不可缺少的，最終獲得高質(zhì)量的焊點。圖5（a）展示了在引線到引線接合之前在引線框架上電鍍兩層Ag/Sn的結(jié)構(gòu)。銀層對引線框架材料Fe42%鎳合金，發(fā)揮著粘附催化劑的作用。圖5（b）展示了頂部及底部引線框架接合后橫截面微組織圖，可看出，在銀和錫之間的兩個界面處新形成的球狀二次相。SEMEDS測量確認此二次相為銀錫金屬間化合物Ag3Sn。因此，Ag/Sn無釬劑焊點形成了多層引線框架結(jié)構(gòu)，Ag/Ag3Sn/Sn/Ag3Sn/Ag/引線框架。

2.2 高壓Ag機械接合

因為銀的熔化溫度太高，不能采用無釬劑焊接作為接合方法，在提升的溫度狀況下嘗試高壓機械接合。在室溫狀況下獲得堅固的接合是不可行的。然而，在200℃的工藝溫度完成堅固接合是足夠的。對高壓機械接合而言，頂部及底部引線框架接合用7μm厚的銀電鍍。在接合工藝中，用從10～60kN高靜壓范圍加熱到高溫，把頂部及底部引線框架進行接合，與無釬劑焊接工藝不同，不需要環(huán)境控制。

圖6證明了在兩個鍍銀層之間形成了完美的金屬化焊接，即高質(zhì)量焊點。膠層厚度約為11.3μm，這意味銀鍍層嚴重的塑性形變。機械接合工藝產(chǎn)生幾乎恒定的膠層厚度，相反，無釬劑焊點顯示出膠層厚度有某種程度的變化，原因在于接合工藝期間錫徹底溶化[1]。

發(fā)現(xiàn)Ag/Sn鍍層對形成高壓機械接合是可行的，形成的Ag/Sn高壓機械接合與圖5（b）所示的微組織圖非常相似。傳遞模塑期間，數(shù)十kN的加緊力作用于頂部和底部引線框架上。通過把引線框架的焊料鍍層區(qū)域擴進入到加緊力可作用到的區(qū)域內(nèi)，證明在傳遞模塑期間，Ag高壓機械接合與Ag/Sn一樣也能提供堅強且可靠的接合。傳遞模塑的工藝溫度為175℃，獲得堅強接合是足夠的。

圖6 鍍銀層的引線框架的橫截面與銀到銀接合微組織結(jié)構(gòu)圖

2.3 引線到引線接合的機械強度

在室溫下通過單個搭接剪切強度試驗測量接合點的機械堅固性，為試驗設(shè)計的專用測試標本如圖7所示。接合區(qū)域面積為0.4536cm2，對每個接合系統(tǒng)而言測試4個樣品。測試結(jié)果表明，Ag高壓機械接合形成較高強度49.1MPa，而Ag/Sn無釬劑焊點產(chǎn)生較低的強度32.7MPa。

圖7 用于測量接合強度的單個搭接剪切強度試驗簡圖

通過掃描電子顯微鏡觀察頂部和底部引線框架的機械分界面，按照圖8（a），假定為Ag/Sn無釬劑焊點，主要沿著Ag3Sn/Sn邊界發(fā)生粘附失效。圖8（b）展示了Ag機械接合失效表面，確定為銀自身的延性破裂。破裂表面上SEM觀察顯示出Ag/Sn無釬劑焊點的接合強度次于Ag高壓機械接合強度，主要是由于接合材料本身而不是接合方法。

圖8 SEM微組織結(jié)構(gòu)圖

3 可靠性

3.1 爆米花裂紋試驗

研究表明，塑料封裝中的濕氣在表面貼裝工藝期間能夠引起裂紋或分層現(xiàn)象。因為SCP封裝也是由模塑塑料制成，易受濕氣裂紋及別的塑料可靠性問題的影響。采用掃描聲學攝影裝置（SAT）在所有封裝預(yù)處理前，核查初始分層或裂紋現(xiàn)象[2]。用于濕氣研究的預(yù)處理流程首先是在125℃完成24h的預(yù)焙，以便驅(qū)除殘留濕氣。接著在85℃/85%RH狀況下，把封裝暴露進行水分吸收。對每個暴露時間采用10個單位封裝的樣品尺寸，預(yù)定時間的濕氣暴露之后，讓封裝經(jīng)受兩個通路的IR回流應(yīng)力。在焊料回流中采用的溫度分布的峰值溫度為235℃。然后采用SAT和30×光學顯微鏡檢查封裝，確定裂紋和分層現(xiàn)象。在85℃/85%RH狀況下24h存儲之后，SCP封裝的吸水性狀態(tài)幾乎達到飽和值0.09%。

圖9 預(yù)處理前SCP封裝的SATT掃描圖和預(yù)處理后在85℃/85%RH狀況

伴隨兩個IR回流循環(huán)的96h的水分吸收后的SCP封裝的SATT掃描圖。把下部的圖像和上部的圖像進行比較，僅僅觀察到LOC膠帶周圍區(qū)域略微的分層傳播現(xiàn)象[3]。不存在由于誘發(fā)應(yīng)力的濕氣形成的新分層界面。從IR回流后的SAT和光學顯微鏡檢查可看出，沒有觀察到封裝裂紋或界面分層現(xiàn)象。從而表明，對誘發(fā)裂紋現(xiàn)象的濕氣而言，SCP封裝具有良好的抵抗力。

3.2 溫度循環(huán)試驗與高壓蒸煮試驗

除了誘導(dǎo)敏感性的濕氣之外，SCP封裝既要經(jīng)受溫度循環(huán)試驗，又要經(jīng)受高壓蒸煮試驗。除暴露于85℃/85%RH狀況24h之外，已通過電測試的封裝要經(jīng)受同樣的預(yù)處理。采用兩種類型的可靠性應(yīng)力試驗，再次進行電試驗以便確定電性能是否良好[3]。

表3給出了可靠性試驗結(jié)果，所有測試的封裝經(jīng)歷了200個溫度循環(huán)和168h的高壓蒸煮。從濕敏性試驗、溫度循環(huán)試驗和高壓蒸煮試驗可得出，與標準塑料封裝TSOP相比較，SCP封裝具有優(yōu)越的可靠性。

表3溫度循環(huán)試驗和高壓蒸煮試驗后得到的電測試結(jié)果

圖10展示了Ag/Sn無釬劑焊點典型的接合微組織結(jié)構(gòu)圖，在200個溫度循環(huán)后得到的。圖11是在高壓蒸煮條件下168h存儲后得到的。把圖10和圖11結(jié)合起來與圖5（b）所示的接合微組織結(jié)構(gòu)圖進行比較，由于可靠性應(yīng)力，Ag3Sn金屬間化合物的生長是最值得注意的情況。另外，也觀察到銀原子額外的沉淀，這是接合工藝期間在Sn基體過飽和的原因，作為一種金屬間化合物Ag3Sn（圖中箭頭標識）。從圖10、11中可確認溫度循環(huán)試驗和高壓蒸煮試驗都證明沿接合點不會產(chǎn)生任何微型裂紋現(xiàn)象，此裂紋可能降低引線到引線接合的長期可靠性。

從銀的材料特性可得出，高熔化溫度及對化學腐蝕的高抵抗力，通過Ag的高壓機械接合完成的微組織結(jié)構(gòu)圖觀察到，可靠性試驗后，不存在可量度的變化。

圖1185 ℃/85%RH狀況下暴露168h

4 結(jié)束語

根據(jù)采用金屬焊料的引線到引線接合法，探研了低成本高可靠的SCP封裝。SCP封裝包含在模塑塑料封裝內(nèi)部擔當插件的多個存儲芯片和引線框架。因此，SCP封裝能夠使系統(tǒng)制造者在不增加板面積的情況下，易于實現(xiàn)是單芯片2倍或4倍的存儲容量。

作為引線到引線接合方法，全面評定了Ag/Sn無釬劑焊點和Ag高壓機械接合，成功地提供了堅固可靠的電傳導(dǎo)路徑而沒有任何信號退化現(xiàn)象[2]。除了在傳遞模塑之前的初步接合之外，在傳遞模塑期間，發(fā)現(xiàn)Ag或Ag/Sn的高壓機械接合也提供了堅固可靠的接合。在85℃/85%RH狀況下吸收水份96h，伴隨著兩道IR回流，在封裝中不存在裂紋現(xiàn)象和界面分層現(xiàn)象。SCP封裝也經(jīng)受了兩類可靠性應(yīng)力試驗，即范圍從-65～150℃的200個溫度循環(huán)以及在高壓蒸煮狀況下暴露168h，顯示出比標準TSOP封裝優(yōu)越的可靠性。