37 三维封装技术《集成电路封装》教学课件

三维封装技术集成电路封装与测试目录/Contents01023D封装技术概述互连技术03优势与局限性3D封装3D晶圆级封装，英文简称（WLP)，包括CIS发射器、MEMS封装、标准器件封装。是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器(NOR/NAND)及SDRAM的叠层封装。3D封装关键技术-垂直互连工艺垂直互连是指设计三维模块中以某种形式的技术实现的电源、接地及层间信号时所需的互连。

主要类型有：1、叠层IC间的外围互连

2、叠层IC之间的区域互连

3、叠层MCM之间的外围互连

4、叠层MCM之间的区域互连

不同类型的垂直互连技术6叠加带载带垂直互连的两种形式叠加带载体法叠加带载体法是一种采用自动带载焊接（TAB）技术互连IC芯片的方法，这种方法进一步可分为PCB上的叠层和TAB两种方法。第一种方法被松下公司用来设计高密度存储器第二种方法被富士通公司用来设计动态随机存储器DRAM芯片叠层集成电路间的外围互连7焊接边缘倒带法

焊接边缘导带键合是一种通过焊接边缘导带来实现IC间垂直互连的工艺。这种方法有四种形式。在边缘上形成垂直导电的焊料浸渍叠层法用静电熔化了的焊料槽对叠层IC引线进行同时连接的。应用：Dense-Pac公司就采用此种方法设计高密度存储器模块。叠层集成电路间的外围互连8焊接边缘倒带法芯片载体和垫片上的焊料填充通孔法这种方法用一种导电材料对载体和垫片上的通孔进行填充互连叠层。应用：MicronTechnology公司用这种方法设计动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)芯片，休斯电子公司也研究类似这种技术并申报了专利。叠层集成电路间的外围互连9焊接边缘倒带法镀通孔之间的焊料连接法这种方法先用TAB引出IC引线，然后用内有通孔的称为PCB引线架的小PCB互连IC引线，利用这些通孔并采用焊接键合技术来重叠引线架就能实现垂直互连。应用：Hitachi公司研制了这种技术并将该技术用于高密度DRAM的设计中。叠层集成电路间的外围互连10焊接边缘倒带法边缘球栅阵列法采用这种方法将焊球沿芯片边缘分布，通过再流焊将芯片装在基板的边缘。叠层集成电路间的外围互连11立方体表面上的薄膜导带法

薄膜是一层在真空中蒸发或溅射在基板上的导电材料（在此基础上形成导带）。立方体表面的薄膜导带是一种在立方体表面形成垂直互联的方法，这种方法有以下两种形式。薄膜T形连接和溅射金属导带法I/O信号被重新布线到芯片的一侧后，在叠层芯片的表面形成薄膜金属层的图形，然后，在叠层的表面进行剥离式光刻和溅射淀积两种工艺以形成焊盘和总线，这就形成了所谓的T形连接。立方体表面上的薄膜导带法叠层集成电路间的外围互连12立方体表面上的薄膜导带法环氧树脂立方体表面的直接激光描入导线法这种方法用激光调阻在立方体的侧面形成互连图形，互连图形和集成电路导带截面交叉在立方体的表面上。应用：汤姆逊公司用这种方法来制作高密度存储器、微型相机、医疗用品及军事装备。立方体表面上的薄膜导带法叠层集成电路间的外围互连13立方体表面的互联线基板法这种方法将一块分离的基板焊接在立方体的表面。具有下列三种形式：薄膜T形连接和溅射金属导带法键合在叠层表面的倒装芯片法焊盘在TSOP外壳两侧的PCB法叠层集成电路间的外围互连14折叠式柔性电路法在折叠式柔性电路中，先将裸芯片安装互联到柔性材料上，然后再将裸芯片折叠起来以形成3D叠层。丝焊叠层芯片法使用丝焊技术以形成互联。形式直接丝焊到MCM基板上，采用丝焊技术将叠层芯片焊接到一块平面MCM基板上通过集成电路丝焊到基板上，母芯片充当子芯片的基板，互联由子芯片接到母芯片基板表面的焊盘上叠层集成电路间的外围互连15尺寸和重量方面3D设计替代单芯片封装缩小了器件尺寸、减轻了重量。尺寸缩小及重量减轻的那部分取决于垂直互连的密度。和传统的封装相比，使用3D技术可缩小尺寸、减轻重量达40~50倍。相对MCM技术，3D封装技术可缩小体积5~6倍，减轻重量3~19倍。速度

速度方面，3D技术节约的功率可以使3D元器件以每秒更快的转换速度(频率)运转而不增加功耗，此外，寄生性电容和电感的降低，3D元器件尺寸和噪声的减小使每秒的转换率更高，这使总的系统性能得以提高。优势16硅片效率方面

封装技术的一个主要问题是PCB芯片焊区，如图所示，MCM由于使用了裸芯片，焊盘减小了20%~90%，而3D封装则更有效地使用了硅片的有效区域，称为硅片效率。硅片效率是指叠层中总的基板面积与焊区面积之比，因此与其他2D封装技术相比，3D技术的硅片效率超过100%。MCM和3D技术间的硅片效率比较优势17延迟

延迟指的是信号在系统功能电路之间传输所需要的时间。在高速系统中，总延迟时间主要受传输时间限制，传输时间是指信号沿互连线传输的时间，传输时间与互连长度成正比，因此缩短延迟就需要用3D封装缩短互连长度。缩短互连长度降低了互连伴随的寄生电容和电感，因而缩短了信号传输延迟。例如，使用MCM技术的信号延迟缩短了约300%，而使用3D技术由于电子元器件相互间非常接近，延迟则更短。2D和3D结构的导线长度比较优势18热处理

采用3D技术制造元器件，功率密度高，因此，就得认真考虑热处理问题，3D技术需要在两个层次进行热处理。第一是系统设计级，将热能均匀地分布在3D元器件表面；第二是封装级，可用以下一种或多种方法解决。可采用诸如金刚石或化学气相淀积(CVD)金刚石的低热阻基板采用强制风冷或冷却液来降低3D元器件的温度采用一种导热胶并在叠层元器件间形成热通孔来将热量从叠层内部排到其表面局限性19设计复杂性

集成电路功能集成度的提高使芯片尺寸更大，这就要求增大硅片尺寸的材料，研制处理更大的硅片制造设备。采用2D技术已实现了许多系统。然而，采用3D技术只完成了少量复杂的系统及元器件，还要