SIP封装工艺

第9卷,第2期电子与封装第70期Vol 9 No 2electRoniCS PACKAGINg封装组装与测試SIP封装工艺王阿明,王峰(中兴通讯有限公司,西安710065)摘要:系统级封装(SIP)技术从20世纪90年代初提出到现在,经过十几年的发展,已经被学术界和工业界广泛接受,成为电子技术研究新热点和技术应用的主要方向之一,并认为它代表了今后电子技术发展的方向,SIP封装工艺作为SIP封装技术的重要组成部分,这些年来在不断的创新中得到了长足的发展,逐渐形成了自己的技术体系,值得从事相关技术行业的技术人员和学者进行研究和学习,文章从封装工艺角度出发,对SIP封装制造进行了详细的介绍,另外也对其工艺要点进行了详细的探讨。关键词:封装工艺;表面处理;封装基板中图分类号:TN30594文献标识码:A文章编号:1681-1070(2009)02-001105SIP Packaging TechnologyWANG A-ming, WANG Feng(ZTE, Xi'an 710065, China)Abstract: System-in-Package(SIP )technology from the early 1990s made up to now, after more than a decadeof development, has extensive academic and industry acceptance and become the new hot technology and oneof the major directions, it represents the future direction of the development of electronic technologySIPpackSIPpackaging tetechnolont component the years of constant ingy an important comphas grown by leaps and bounds, and haengaged in technology-related industry, technicians and academics to conduct research and study, In thispaper, packaging technology from the point of view of the package to create a detailed, as well as on the processthe main points of concern, this article would like to be able to work in this field technicdevaluable technical informationKey words: packaging technology; surface treatment; package subst再到单个封装体中加入多个芯片、叠层芯片以及无前言源器件,最后发展到一个封装构成一个系统(此时的封装形式多为BGA、CSP等)。SIP是MCP进一步系统级封装( system in package,SP)是指将不发展的产物,二者的区别在于:SIP中可搭载不同类同种类的元件,通过不同种技术,混载于同一封装型的芯片,芯片之间可以进行信号存取和交换,从体内,由此构成系统集成封装形式。该定义是经过而以一个系统的规模而具备某种功能;MCP中叠层不断演变、逐渐形成的。开始是在单芯片封装体中的多个芯片一般为同一种类型,以芯片之间不能进加入无源元件(此时的封装形式多为QFP、SOP等),行信号存取和交换的存储器为主,从整体来讲为中国煤化工收稿日期:2008-10-10CNMHG第9卷第2期电子与封装多芯片存储器。个或多个芯片堆叠整合起来进行封装。3.3 3D SIP2SIP封装综述此类封装是在2D封装的基础上,把多个裸芯片、封装芯片,多芯片组件甚至圆片进行叠层互连实现电子整机系统的功能通常有两个途径:构成立体封装,这种结构也称作叠层型3D封装。种是系统级芯片,简称SOC,即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能;另一种是系统级封装,简4SP封装的制程工艺称SIP,即通过封装来实现整机系统的功能。从学术上讲,这是两条技术路线,就像单片集成电路和混SIP封装制程按照芯片与基板的连接方式可分合集成电路一样,各有各的优势,各有各的应用市为引线键合封装和倒装焊两种场,在技术上和应用上都是相互补充的关系。从产41引线键合封装工艺品上分,SOC应主要用于应用周期较长的高性能产引线键合封装工艺主要流程如下:品,而SP主要用于应用周期较短的消费类产品。SIP圆片→圆片减薄→國片切割→芯片粘结→引线键是使用成熟的组装和互连技术,把各种集成电路如合→等离子清洗→液态密封剂灌封→装配焊料球→CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、流焊→表面打标→分离→最终检查→测试→包装MEMS器件以及各类无源元件如电容、电感等集成4.1.1圆片减薄到一个封装体内,实现整机系统的功能。主要的优圆片减薄是指从圆片背面采用机械或化学机械点包括(CMP)方式进行研磨,将圆片减薄到适合封装的程采用现有商用元器件,制造成本较低;度。由于圆片的尺寸越来越大,为了增加圆片的机产品进入市场的周期短;械强度,防止在加工过程中发生变形、开裂,其厚无论设计和工艺,有较大的灵活性;度也一直在增加。但是随着系统朝轻薄短小的方向把不同类型的电路和元件集成在一起,相对发展,芯片封装后模块的厚度变得越来越薄,因此容易实现。在封装之前一定要将圆片的厚度减薄到可以接受的程度,以满足芯片装配的要求。4.1.2圆片切割圆片减薄后,可以进行划片。较老式的划片机是手动操作的,现在一般的划片机都已实现全自动化。图SP典型结构无论是部分划线还是完全分割硅片,目前均采用锯系统级封装(SIP)技术从20世纪90年代初提刀,因为它划岀的边缘整齐,很少有碎屑和裂口产生。出到现在,经过十几年的发展,已经被学术界和工4..3芯片粘结业界广泛接受,成为电子技术硏究热点和技术应用已切割下来的芯片要贴装到框架的中间焊盘的主要方向之一,并认为它代表了今后电子技术发上。焊盘的尺寸要和芯片大小相匹配,若焊盘尺寸展的主要方向之太大,则会导致引线跨度太大,在转移成型过程中会由于流动产生的应力而造成引线弯曲及芯片位移3SP封装的类型现象。贴装的方式可以是用软焊料(指Pb-Sn合金尤其是含Sn的合金)、Au-Si低共熔合金等焊接到基从目前业界SIP的设计类型和结构来区分,SIP板上,在塑料封装中最常用的方法是使用聚合物粘可分为三类结剂粘贴到金属框架上。3. 1 2D SIP4.14引线键合此类封装是在同一个封装基板上将芯片一个挨中国煤化工要是金线,其直径个的排列以二维的模式封装在一个封装体内。般丬CNMHG度常在1.5mm-3mm32堆叠SIP之间,而弧圈的高度可比芯片所在平面高0.75mm。此类封装是在一个封装中采用物理的方法将两键合技术有热压焊、热超声焊等。这些技术的第9卷第2期王阿明,王峰:SIP封装工艺优点是容易形成球形(即焊球技术),并防止金线氧模具中快速固化,经过一段时间的保压,使得模块化。为了降低成本,也在硏究用其他金属丝,如铝、达到一定的硬度,然后用顶杆顶出模块,成型过程铜、银、钯等来替代金丝键合。热压焊的条件是两就完成了。对于大多数塑封料来说,在模具中保压种金属表面紧紧接触,控制时间、温度、压力,使几分钟后,模块的硬度足可以达到允许顶出的程度,得两种金属发生连接。表面粗糙(不平整)、有氧化但是聚合物的固化(聚合)并未全部完成。由于材层形成或是有化学沾污、吸潮等都会影响到键合效料的聚合度(固化程度)强烈影响材料的玻璃化转果,降低键合强度。热压焊的温度在300℃-400℃,变温度及热应力,所以促使材料全部固化以达到一时间一般为40ms(通常,加上寻找键合位置等程序,个稳定的状态,对于提高器件可靠性是十分重要的,键合速度是每秒二线)。超声焊的优点是可避免高后固化就是为了提高塑封料的聚合度而必需的工艺温,因为它用20kHz60kHz的超声振动提供焊接所需步骤,一般后固化条件为170℃~175℃,2h-4h。图3的能量,所以焊接温度可以降低一些。将热和超声能是包封环节的工艺流程。量同时用于键合,就是所谓的热超声焊。与热压焊相比,热超声焊最大的优点是将键合温度从350℃降到250℃左右(也有人认为可以用100℃-150℃的条件),这可以大大降低在铝焊盘上形成Au-Al金属间化合物的可能性,延长器件寿命,同时降低了电路参数的漂□空模L放入L[合模一移。在引线键合方面的改进主要是因为需要越来越薄的封装,有些超薄封装的厚度仅有0.4mm左右。所以引线环(oop)从一般的200μm-300μm减小到胶100μm-125μm,这样引线张力就很大,绷得很紧另外,在基片上的引线焊盘外围通常有两条环状电图3包封环节的工艺流程源/地线,键合时要防止金线与其短路,其最小间隙4.1.7装配焊料球须>625μm,要求键合引线必须具有高的线性度目前业内采用的植球方法有两种:“锡膏”+“锡和良好的弧形。球”和“助焊膏”+“锡球”。(1)“锡膏”+“锡球“锡膏”十“锡球”植球方法是业界公认的最好∠aMM最标准的植球法,用这种方法植出的球焊接性好光泽好,熔锡过程不会岀现焊球偏置现象,较易控图2堆叠芯片的键合制,具体做法就是先把锡膏印刷到BGA的焊盘上4.1.5等离子清洗再用植球机或丝网印刷在上面加上一定大小的锡球凊洗的重要作用之一是提高膜的附着力,如在这时锡膏起的作用就是粘住锡球,并在加温的时候Si衬底上沉积Au膜,经Ar等离子体处理掉表面的让锡球的接触面更大,使锡球的受热更快更全面,碳氢化合物和其他污染物,明显改善了Au的附着使锡球熔锡后与焊盘焊接性更好并减少虚焊的可能,力。等离子体处理后的基体表面,会留下一层含氟(2)“助焊膏”+“锡球”化物的灰色物质,可用溶液去掉。同时清洗也有利助焊膏”十“锡球”是用助焊膏来代替锡膏的于改善表面黏着性和润湿性。角色。但助焊膏的特点和锡膏有很大的不同,助焊膏4.1.6液态密封剂灌封在温度升高的时候会变成液状,容易致使锡球错位。将已贴装好芯片并完成引线键合的框架带置于41.8表面打标模具中,将塑封料的预成型块在预热炉中加热(预打标就是在封装模块的顶表面印上去不掉的、热温度在90c-95℃之间),然后放进转移成型机的字迹洁楚的宝母和标识,包括制造商的信息、国家转移罐中。在转移成型活塞的压力之下,塑封料被器中国煤化工跟踪。打码的方挤压到浇道中,并经过浇口注入模腔(在整个过程法有CNMHG法,而它又包括中,模具温度保持在170℃~175℃左右)。塑封料在油墨印码和激光印码二种。第9卷第2期电子与封装4.1.9分离法、蒸发法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以电镀为了提高生产效率和节约材料,大多数SP的组法最为广泛,其次是焊膏印刷法。装工作都是以阵列组合的方式进行,在完成模塑与图6、图7分别为电镀法和印刷法添加焊料凸点测试工序以后进行划分,分割成为单个的器件。划分的工艺流程。分割可以采用锯开或者冲压工艺,锯开工艺灵活性比较强,也不需要多少专用工具,冲压工艺则生产效钝化小接触盘UBM厚光刻要□P孔□率比较高、成本较低,但是需要使用专门的工具。钝化和2.金属层溅射3.覆盖光胶4.凸点光刻42倒装焊工艺金属化晶片和引线键合工艺相比较倒装焊工艺具有以下几个优点:菌形膨胀患镀焊点回流后焊球(1)倒装焊技术克服了引线键合焊盘中心距极限的问题5.焊料电镀6去除光胶7.去除UBM(2)在芯片的电源/地线分布设计上给电子设计图6电镀法添加焊料凸点的工艺流程师提供了更多的便利(3)通过缩短互联长度,减小RC延迟,为高频晶片制备率、大功率器件提供更完善的信号;辛化预处理(4)热性能优良,芯片背面可安装散热器化学镀镍/金(5)可靠性高,由于芯片下填料的作用,使封丝网印刷装抗疲劳寿命增强;焊料回流和清洗(6)便于返修。下部填充IC裸片封装体图7印刷法添加焊料凸点的工艺流程4.2.3倒装键合、下填充OOO0OU在整个芯片键合表面按栅阵形状布置好焊料凸点后,芯片以倒扣方式安装在封装基板上,通过凸点与基板上的焊盘实现电气连接,取代了WB和TAB图4典型采用倒装焊工艺的封装在周边布置端子的连接方式。以下是倒装焊的工艺流程(与引线键合相同的倒装键合完毕后,在芯片与基板间用环氧树脂工序部分不再进行单独说明):进行填充,可以减少施加在凸点上的热应力和机械圆片→焊盘再分布→圆片减薄、制作凸点→圆应力,比不进行填充的可靠性提高了1到2个数量级片切割→倒装键合、下填充→包封→装配焊料球→助焊剂薄膜倒装芯片回流焊→表面打标→分离→最终检查→测试→包装。→浸蘸助焊剂对位及贴装基板回流焊接k,+图8典型的倒装焊工艺流程图5完成再分布后的引线排列5封装的基板4.2.1焊盘再分布为了增加引线间距并满足倒装焊工艺的要求,封装基板是封装的重要组成部分,在封装中实需要对芯片的引线进行再分布现搭中国煤化工着封装技术的发42.2制作凸点展,封了长足的进步焊盘再分布完成之后,需要在芯片上的焊盘添2001年□CNMH久构(ITRS)设定加凸点,焊料凸点制作技术可采用电镀法、化学镀半导体芯片尺寸上限为310mm2,但随着元件IO数第9卷第2期王阿明,王峰;SIP封装工艺目的不断增加,就必须增加基板上的端子数量,对良特点。封装基板有了更精细化的要求,从而对封装基板的541化学镍金加工和设计有了更为严格的要求化学镍金是采用金盐及催化剂在80℃-100℃的51封装基板的分类温度下通过化学反应析出金层的方法进行涂敷的,封装基板的分类有很多种,目前业界比较认可成本比电镀低,但是难以控制沉淀的金属厚度,表的是从增强材料和结构两方面进行分类面硬并且平整度差,不适合作为采用引线键合工艺5L1从结构方面分美封装基板的表面处理方式。从结构方面分类,基板材料可分为两大类:刚542电镀镍金性基板材料和柔性基板材料。刚性基板材料使用较电镀是指借助外界直流电的作用,在溶液中进为广泛,一般的刚性基板材料主要是覆铜板。它是行电解反应,使导电体(例如金属)的表面沉积金用增强材料,浸以树脂胶粘剂,通过烘干、裁剪、叠属或合金层。电镀金分为电镀硬金和软金工艺,镀硬合成坯料,然后覆上一层导电率较高、焊接性良好金与软金的工艺基本相同,槽液组成也基本一致的纯铜箔,用钢板作为模具,在热压机中经高温高区别是硬金槽内添加了一些微量金属镍或钴或铁等压成形加工而制成的。元素,由于电镀工艺中镀层金属的厚度和成份容易5.12从增强材料方面分类控制,并且平整度优良,所以在采用键合工艺的封从增强材料分类,基板可以分为有机系(树脂装基板进行表面处理时,一般均采用电镀镍金工艺系)、无机系(陶瓷系、金属系)和复合机系,前两铝线的键合一般采用硬金,金线的键合一般都用软种材料在材料性能上各有优缺点,而复合机系的出金。不管是化学镍金还是电镀镍金,对于键合质量现综合了两者的优点,很快成为基板的发展方向。影响的关键是镀层的结晶和表面是否有污染,以及目前封装基板多采用有机系材料,也就是统称定要求的镍金厚度。的BT树脂,该材料可分为CCLH810、CCLH870.CCLH870、CHL90,介电常数在3545(1MH)之6结束语间,介电损耗为0.0012~00055(1MHz),玻璃转化温度为180℃~230℃。系统级封装技术已经成为电子技术研究新热点52封装基板的设计规则和技术应用的主要方向之一。SIP封装工艺作为SIP从封装基板常规制程来看,封装基板的生产与封装技术的重要组成部分,值得从事相关技术行业常规的PCB加工很类似,只是在要求上更为严格,规的技术人员和学者进行研究和学习,引线键合和倒则的要求更为具体,需要更薄的叠层、更细的线宽装焊作为系统级封装的两种工艺,各有其特点和优线距以及更小的孔,具体参数各个板厂略有差异势,需要根据具体生产要求选择。53封装基板的制程常规的封装基板的制程与普通PCB板的加工方法参考文献:大体一致,但是目前为了满足封装基板精细化的要求1田民波电子封装工程M北京:清华大学出版社,2003出现了减成法、半加成法以及积层法等加工方法2]刘汉诚,李世玮,等芯片尺寸封装M]北京:清华大学54基板的表面处理出版社,2003在形成电气图形之后,需要在焊盘处进行表面处理,形成所需要的镀层,表面处理的作用主要有作者简介两方面,第一是提高焊盘处的抗氧化能力,第二是王阿明(1976-),男,陕西西安人提高焊盘处的焊接能力并改善焊盘的平整度,一般中兴通讯有限公司IC开发部长,带领的PCB表面处理方式主要有:热风整平;有机可焊项目团队长期研究SIP技术的发展,通性保护涂层;化学镍金;电镀金过流片加工实践验证设计能力,在SIP目前封装基板表面处理主要使用化学镍金和电中国煤化工一定积累和突破镀金,金作为一种贵金属,具有良好的可焊性、耐CNMHG),男,陕西渭南人氧化性、抗蚀性、接触电阻小、合金耐磨性好等优现在中兴通讯有限公司从事封装工艺方面工作。15