微电子3D封装技术发展

微电子3D封装技术发展摘要：芯片等电子元器件随着工艺制程的不断改进而飞速发展，呈现出能耗比降低、集成度提高、可靠性上升和趋势，3D封装技术便在其实起到了非常重要的作用。3D封装目前凭借着集成度高、质量轻、封装体积小、工艺成本低等优势已成为电子元器件封装的新方向。本文通过简述3D封装技术，在此基础上对我国3D封装技术应用与发展状态进行了分析，以期能够指导我国微电子封装产业进一步发展完善。关键词：微电子；3D封装技术；发展电子信息产业作为工业信息化的产业基石，其应用范围已渗透到人们生产生活的各个领域，并且发挥着不可替代的关键作用。因此，我国为了大力推动电子信息产业发展，开始着力于电子元器件的封装技术。由于产业应用广泛、市场广阔，3D封装技术也在国内逐渐进入应用与发展相互循环的状态，目前主要的3D封装工艺为堆叠式3D封装。为使的产业发展更加高效，有必要对3D封装技术的发展进行分析探讨。1堆叠式3D封装主要分类和性能特点堆叠式3D封装广泛应用于高度集成集成的微电子元器件，通过将不同的芯片或者模块通在垂直方向上集成的系统级封装技术，主要用于对对芯片的封装和对封装进行组合后的再次封装。芯片封装包含两种形式，一种是将不同芯片引脚分层键合来实现多芯片堆叠，另一种则是采用硅通孔技术将芯片垂直堆叠。而对封装进行堆叠封装则主要采用堆叠封装、堆叠组装以及二者混合应用的封装方式。1.1芯片堆叠芯片的堆叠主要包括芯片间堆叠D2D、芯片圆片堆叠D2W以及圆片间堆叠W2W等几种方式，其原理和特点介绍如下：1.1.1芯片间堆叠D2D堆叠方式是目前主要芯片封装连接方式之一，它通过将多个芯片线相互键合来实现芯片间交联，并将这些芯片在Z轴方向上叠放，从而实现高集成度封装，其主要流程如下：打磨晶圆→晶圆覆膜→分割晶圆→晶圆贴合→引线键合→芯片堆叠→引线键合→查验→塑封→镀膜→标签→后处理成形。为了防止引线间发生寄生效应，在封装中需要确保更堆叠层之间具有足够的空间，只是D2D封装成功的关键，而可采取的处理方式主要有如图1～图4所示的4种。1.1.2D2W堆叠D2W堆叠即将芯片和圆片堆叠，具体方式主要有Flip-Chip（倒装）和Bump（置球）两种键合方式。相对于芯片之间常用的D2D封装方式，D2W通过进一步提高封装的密度来提高封装性能，此外采用倒装方式的封装还能够进一步提升封装效率。1.1.3W2W堆叠W2W堆叠即圆片与圆片的堆叠，通常采用TSV技术进行封装，即将打磨成薄片的晶圆逐层堆叠，并通过微米级的穿孔实现层层连接，从而实现封装。W2W堆叠借助于TSV技术，打破了只能够通过引线、凸点等方式键合的限制，相对于传统IC在封装而言，其封装的堆叠方向、堆叠层数以及堆叠面积等限制更小，能够进一步提高封装密度来提高集成度，将使得芯片等元器件更加小型化的同时还能够提升能耗比。因此采用TSV技术的W2W堆叠封装方式更具有先进性。如图5所示便是多层圆片进行堆叠后通过通孔实现互联的示意图。1.2封装堆叠1.2.1封装内封装（PIP）PIP（PackageinPackage）本质上是将封装芯片堆叠在在BAP（BasicAssemblyPackage，基础装配封装）上从而实现将PCB基板与半导体一同封装成3D封装的一种封装形式。PIP封装实现了对PCB和半导体的整合，因此能够适应多种恶劣环境，比如低温、湿热、强电磁、震动等，同时具有较高性能，使得能够拥有较大存储空间以及高读写速率。所以存储卡以即固态存储多采用PIP封装形式。自PIP封装技术出现以来，数码存储设备实现了井喷式的发展，性能指标不断提升的同时成本也在不断下降。1.2.2封装外封装（POP）POP封装相对于将多个芯片进行绑定封装的PIP，是将独立封装器件进行组合封装的一种3D封装方式。不同封装器件在堆叠封装成整体的过程中之间的互联可以通过引线来实现，也可以通过基板来实现，其实现形式也相对PIP更加自由。引线的方式称作引线框架，而采用基板的形式则成为基板型封装，并且后者在具有更高的灵活性的同时还能够使得封装数量更多而封装面积更小。此外POP封装形式由于是将多个独立封装进行组合，各封装器件之间更加独立，因此还具备如下特点：1）被封装的元器件具有更多选择以及组合方式。根据设计需求所选择的元器件在各自原封装的状态下测试完成后便能够进行组合堆叠封装，提高了设计的自由度并使得设备进一步小型化；2）高测试性和高维护性。由于封装内部相互独立，便可以实现对各个封装设置不同测试点从而分别测试，一旦出现问题，可以快速定位故障并进行拆解维修。POP技术最初应用1于百纳米级别的CMOS制造，将上下两层进行封装，分别采用BGA植锡方式使得封装厚度缩减到1.5mm。而借助上述优势POP封装目前以成为主要的3D组合封装方式，并得到快速发展。2堆叠式3D封装的技术优势3D封装技术通过将元器件进行立体堆叠，相对于传统的2D封装技术，使得封装元器件在功能和性能上实现了质的飞跃，主要体现在以下方面：（1）体积重量小：由于3D封装采用立体堆叠的方式，可以实现单次将多个元器件、芯片进行封装，摆脱了传统2D封装导致的每个元器件都要独立封装独立排布在PCB上的限制，使得封装和PCB的体积和重量都极大降低，进一步实现了小型化。（2）提高硅片效率：硅片效率是指堆叠中总的基板面积/焊区面积，通过3D封装的方式将芯片堆叠，单位面积内芯片引脚数量翻倍，从而将硅片效率成倍提高。（3）减少信号延迟降低噪声：采用3D封装之后，封装内的芯片互联距离极大缩短，从而有效减少了引线可能带来的寄生效应、干扰以及延迟。同时由于缩小了PCB面积使得封装元器件与封装元器件之间的连接距离也进一步缩短，同样有注意减小延迟和干扰。（4）降低功耗：减小元器件间互连长度后，其寄生电容极大减小从而降低寄生效应带来的额外功耗。（5）提高跃迁速度：由于3D封装降低了系统功耗，因此在维持原有功耗的情况下，3D封装器件具有更快的跃迁速度。3堆叠式3D封装技术的应用3.1堆叠式3D封装在多媒体内存中的应用在过去的几年里，计算机的扩容成为信息系统的瓶颈问题，使得CPU不得不采用倍频技术来适应频率比其低得多的内存。但是3D封装技术的出现，提供了解决此类问题的另一种途径。早在2005年，CrayResearch公司在其新的T3E定标的并行处理机（SPP）计算机系统已提到使用3D扩容方案解决计算机内存问题。在随后的时间内，世界各主要公司，均有使用3D封装技术解决扩容问题的相关报道。如：STMicroelectronics在2006年推出了采用POP技术的存贮器封装，专门为支持分隔总线与共享总线架构而设计；2013年，闪存厂SPANSION和无线厂商ATHEROS共同推出面向双模手机的闪存+WLAN（无线局域网）的POP封装。上述表明，3D封装技术在多媒体内存领域发挥着重要作用。3.2堆叠式3D封装在系统级芯片封装中的应用系统级封装（SIP）是指借助3D封装的优势，将系统中的某个功能系统或者其中的大部分封装在一个封装内部，或者指把多个半导体芯片组装在一个封装体中的半导体回路。一般而言，一个独立模块能够实现的功能相对单一，如处理器单元只能实现数据分析而不能实现数据的存储，存储单元只能实现数据的存储而不能进行数据的分析。然而系统与单一模块不同，而且要对各个模块进行有机整合，在整合过程中如果使用引线就可能会面临着信号互相干扰、功耗增加、相互制约而且无法实现小型化的多种问题。借助于3D封装，封装体内采用芯片间的互连技术使得芯片之间连线长度显著缩短，将几个不同功能的模块堆叠在一起，使单个封装拥有更强大的功能同时有效减小了PCB大小，这便弥补了上述不足。比如高通公司最新的SnapDrgon8Gen1芯片组，它将8核KryoCPU、GPU、电源管理以及基带和设射频全部封装到一起，实现了能耗比进一步提升同时，保证了体积。4趋势展望随着我国在芯片产业逐渐发力，封装技术也应随之发展创新，将3D封装技术应用于芯片产业，主要是有以下特点：（1）由2D到3D，从平铺式平面型封装转为集成式立体型封装；（2）单芯片封装发展为多芯片封装；（3）独立芯片封装转为系统集成捷联封装。随着互联网移动化发展和物联网产业的出现，移动式智能设备已逐渐融入我们生活，因此微电子产业能够在广阔的市场前景下自由发展，3D封装也是在此背景下得以不断发展完善，有效保障了各电子设备的小型化、低功耗化、高性能化，从而成为主流封装趋势。3D封装产业目前已经实现了设备、工艺、成本、性能的优势整合，有力推动了电子信息产业发展5结束语封装技术既是微电子元器件的保护壳也是微电子元器件与外部电路的沟通桥梁，先进的封装技术在推动微电子产业发展中起着关键作用。目前科技创新作为国家发展的动力源泉，而封装产业作为掣肘我国微电子产业发展的存在必将随着国家在芯片产业的发力中得到重视和进一步发展，因此应当把握3D封装技术发展前沿，从而有效引导我国电子封装发展。参考文献[1]吕淑珍.堆叠封装PoP返修工艺技术[J].中国电子科学研究院学报,2014,9(06):634-638.[2]樊融融,刘哲,邱华盛.PoP组装中缺陷现象的图像特征及其形成机理研究[C]//.2014中国高端SMT学术会议论文集.,2014:366-385.[3]武晓萌,刘丰满,马鹤,庞诚,何毅,吴鹏,张童龙,虞国良,李晨,于大全.基于柔性基板的异构多芯片三维封装散热仿真与优化设计[J].科学技术与工程,2014,14(19):238-242.[4]林伟.新一代层叠封装(PoP)的发展趋势及翘曲控制[J].中国集成电路,2014,23(03):46-52.[5]张旻澍,宋复斌.封装体堆叠中堆叠焊球的可靠性研究[J].电子元件与材料,2014,33(01):63-66.[6]林娜.系统级封装（SiP）的可靠性与失效分析技术研究[D].华南理工大学,2013.[7]王彦桥,刘晓阳,朱敏.堆叠式3D封装技术发展现状[J].电子元件与材料,2013,32(10):67-70.[8]姚小虎,任会兰,樊泽瑞,张晓晴.跌落冲击载荷下POP封装动力特性研究[J].中国科学:物理学力学天文学,2013,43(03):289-