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保藏|SIP封装工艺流程
| 发布时间: 2022-09-21 23:40:35 来源:亚博游戏下载 | | 分享到:

  摘要:体系级封装(SIP)技能从20世纪90年代初提出到现在,经过十几年的开展,现已能被学术界和工业界广泛承受,成为电子技能研讨新热门和技能运用的首要方向之一,并以为他代表了往后电子技能开展的方向,SIP封装工艺作为SIP封装技能的重要组成部分,这些年来在不断的立异中得到了长足开展,逐步构成了自己的技能体系,值得从事相关技能职业的技能人员和学者进行研讨和学习,文章从封装工艺视点动身,对SIP封装制造进行了详细的介绍,别的也对其工艺关键进行了详细的讨论。

  体系级封装(system in package,SIP)是指将不同品种的元件,经过不同种技能,混载于同一封装体内,由此构成体系集成封装办法。该界说是经过不断演化、逐步构成的。开端是单芯片封装体中参加无源元件(此刻封装办法多为QFP、SOP等),再到单个封装体中参加多个芯片。叠层芯片以及无源器材,终究开展到一个封装构成一个体系(此刻的封装办法多为BGA、CSP)。SIP是MCP进一步开展的产品,二者的差异在于:SIP中可搭载不同类型的芯片,芯片之间能够进行信号取放和交流,然后以一个体系的规划而具有某种功用;MCP中叠层的多个芯片一般为同一品种型,以芯片之间不能进行信号存取和交流的存储器为主,从全体上来说为一多芯片存储器。

  完结电子整机体系的功用一般有两个途径:一种是体系级芯片,减成SOC,即在单一的芯片上完结电子整机体系的功用;另一种是体系级封装,减成SIP,即经过封装来完结整机体系的功用。从学术上讲,这是两条技能道路,就像单片集成电路和混合集成电路相同,各有各的优势,各有各的运用商场,在技能上和运用上都是香菇弥补的联系。从产品上分,SOC应首要用于周期直角厂的高功用产品,而SIP首要运用于周期短的消费类产品。SIP是运用老练的拼装和互连技能,把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或许光电子器材、MEMS器材以及各类无源器材元件如电容、电感等集成到一个封装体内,完结整机体系的功用。首要长处包含:

  体系级封装(SIP)技能从20世纪90年代初提出到现在,经过十几年的开展,现已能被学术界和工业界广泛承受,成为电子技能研讨新热门和技能运用的首要方向之一,并以为他代表了往后电子技能开展的方向之一。

  此类封装是在2D封装的基础上,把多个罗芯片、封装芯片、多芯片乃至圆片进行叠层互联,构成立体封装,这种结构也称作叠层型3D封装。

  圆片圆片减薄圆片切开芯片粘结引线键合等离子清洗液态密封剂灌封安装焊料球回流焊外表打标别离终究查看测验包装。

  圆片减薄是指从圆片反面选用机械或化学机械(CMP)办法进行研磨,将圆片减薄到合适封装的程度。因为圆片的尺度越来越大,为了添加圆片的机械强度,避免在加工进程中产生变形、开裂,其厚度也一直在添加。可是跟着体系朝轻浮矮小的方向开展,芯片封装后模块的厚度变得越来越薄,因而在封装之前必定要将圆片的厚度减薄到能够承受的程度,以满意芯片安装的要求。

  圆片减薄后,能够进行划片。较旧式的划片机是手动操作的,现在一般的划片机都已完结全自动化。无论是部分划线仍是彻底切开硅片,现在均选用锯刀,因为它划出的边际规整,很少有碎屑和裂口产生。

  已切开下来的芯片要贴装到结构的中心焊盘上。焊盘的尺度要和芯片巨细相匹配,若焊盘尺度太大,则会导致引线跨度太大,在搬运成型进程中会因为活动产生的应力而构成引线曲折及芯片位移现象。贴装的办法能够是用软焊料(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板上,在塑料封装中最常用的办法是运用聚合物粘结剂粘贴到金属结构上。

  键合技能有热压焊、热超声焊等。这些技能长处是简单构成球形(即焊球技能),并避免金线氧化。为了下降本钱,也在研讨用其他金属丝,如铝、铜、银、钯等来代替金丝键合。热压焊的条件是两种金属外表紧紧接触,操控时刻、温度、压力,使得两种金属产生衔接。外表粗糙(不平坦)、有氧化层构成或是有化学沾污、吸潮等都会影响到键合效果,下降键合强度。热压焊的温度在 300℃~400℃,时刻一般为 40ms(一般,加上寻觅键合方位等程序,键合速度是每秒二线)。超声焊的长处是可避免高温,因为它用20kHz~60kHz的超声振荡供给焊接所需的能量,所以焊接温度能够下降一些。将热和超声能量一起用于键合,便是所谓的热超声焊。与热压焊比较,热超声焊最大的长处是将键合温度从 350℃降到250℃左右(也有人以为能够用100℃~150℃的条件),这能够大大下降在铝焊盘上构成 Au-Al 金属间化合物的或许性,延伸器材寿数,一起下降了电路参数的漂移。在引线键合方面的改进首要是因为需求越来越薄的封装,有些超薄封装的厚度仅有0.4mm 左右。所以引线环(loop)从一般的200 μ m~300 μ m减小到100μm~125μm,这样引线张力就很大,绷得很紧。别的,在基片上的引线焊盘外围一般有两条环状电源 / 地线,键合时要避免金线与其短路,其最小空隙有必要>

  625 μ m,要求键合引线有必要具有高的线性度和杰出的弧形。

  清洗的重要效果之一是前进膜的附着力,如在Si 衬底上堆积 Au 膜,经 Ar 等离子体处理掉外表的碳氢化合物和其他污染物,显着改进了Au 的附着力。等离子体处理后的基体外表,会留下一层含氟化物的灰色物质,可用溶液去掉。一起清洗也有利于改进外表黏着性和潮湿性。

  将已贴装好芯片并完结引线键合的结构带置于模具中,将塑封料的预成型块在预热炉中加热(预热温度在 90℃~95℃之间),然后放进搬运成型机的搬运罐中。在搬运成型活塞的压力之下,塑封料被挤压到浇道中,并经过浇口注入模腔(在整个进程中,模具温度保持在 170℃~175℃左右)。塑封料在模具中快速固化,经过一段时刻的保压,使得模块到达必定的硬度,然后用顶杆顶出模块,成型进程就完结了。关于大多数塑封料来说,在模具中保压几分钟后,模块的硬度足能够到达答应顶出的程度,可是聚合物的固化(聚合)并未悉数完结。因为资料的聚合度(固化程度)激烈影响资料的玻璃化转变温度及热应力,所以促进资料悉数固化以到达一个安稳的状况,关于前进器材可靠性是十分重要的,后固化便是为了前进塑封料的聚合度而必需的工艺进程,一般后固化条件为 170℃~175℃,2h~4h。

  现在业界选用的植球办法有两种:“锡膏”+“锡球”和“助焊膏”+ “锡球”。“锡膏”+“锡球”植球办法是业界公认的最好规范的植球法,用这种办法植出的球焊接性好、光泽好,熔锡进程不会呈现焊球偏置现象,较易操控,详细做法便是先把锡膏印刷到 BGA 的焊盘上,再用植球机或丝网印刷在上面加上必定巨细的锡球,这时锡膏起的效果便是粘住锡球,并在加温的时分让锡球的接触面更大,使锡球的受热更快更全面,使锡球熔锡后与焊盘焊接性更好并削减虚焊的或许。

  打标便是在封装模块的顶外表印上去不掉的、笔迹清楚的字母和标识,包含制造商的信息、国家、器材代码等,首要是为了辨认并可盯梢。打码的办法有多种,其间最常用的是印码办法,而它又包含油墨印码和激光印码二种。

  为了前进出产功率和节省资料,大多数 SIP 的拼装作业都是以阵列组合的办法进行,在完结模塑与测验工序今后进行区别,切开成为单个的器材。区别切开能够选用锯开或许冲压工艺,锯开工艺灵活性比较强,也不需求多少专用东西,冲压工艺则出产功率比较高、本钱较低,可是需求运用专门的东西。

  以下是倒装焊的工艺流程(与引线键合相同的工序部分不再进行独自阐明):圆片焊盘再散布圆片减薄、制造凸点圆片切开倒装键合、下填充包封安装焊料球回流焊外表打标别离终究查看测验包装。

  焊盘再散布完结之后,需求在芯片上的焊盘添加凸点,焊料凸点制造技能可选用电镀法、化学镀法、蒸腾法、置球法和焊膏印刷法。现在仍以电镀法最为广泛,其次是焊膏印刷法。

  在整个芯片键合外表按栅阵形状安置好焊料凸点后,芯片以倒扣办法安装在封装基板上,经过凸点与基板上的焊盘完结电气衔接,代替了WB和TAB 在周边安置端子的衔接办法。倒装键合结束后,在芯片与基板间用环氧树脂进行填充,能够削减施加在凸点上的热应力和机械应力,比不进行填充的可靠性前进了1到2个数量级。

  封装基板是封装的重要组成部分,在封装中完结搭载器材和电气连同的效果,跟着封装技能的开展,封装基板的规划、制造技能有了长足的前进。2001年世界半导体技能开展猜测组织(ITRS)设定半导体芯片尺度为310mm2,但跟着元件IO数目的不断添加,就有必要添加基板上的端子数量,对封装基板有了更精细化的要求,然后对封装基板的加工和规划有了更严厉要求。

  从增强资料方面分类,基板能够分为有有机系(树脂系)、无机系(陶瓷系、金属系)和复合系,前两种资料在功用上各有优缺点,而复合机系的呈现归纳了两者的长处,很快成为基板的开展方向。现在基板多选用有机系资料,也便是总称的BT树脂,改资料可分为CCL-H810、CCl-H870、CCL-HL870、CCL-HL950,介电常数在3.5 ~4.5(1MHz)之间,介电损耗为0.001~0.005(1MHz),玻璃转化温度为180~230℃。

  从封装基板惯例制程来看,封装基板的出产与惯例的PCB加工很相似,只是在要求上更为严厉,规矩的要求更为详细,需求更薄的叠层,更细的线宽线距以及更小的孔,详细参数各个板厂略有差异。

  惯例的封装基板的制程与一般PCB的加工办法大体一致,可是现在为了满意封装基板的精细化要求呈现了减成法、办减成法以及积层法等加工办法。

  在兴城电气图形之后,需求在焊盘处进行外表处理,构成所需求的镀层,外表处理的效果首要有两方面,第一是前进焊盘处的抗氧化才能,第二是前进韩判处的焊接才能并改进焊盘的平坦度,一般的PCB外表处理办法首要有:热风整平;有机可焊性维护涂层;化学镍金;电镀金。

  化学镍金是选用金盐及催化剂在80~100℃的温度下经过化学反响分出金层的办法进行涂覆的,本钱比电镀低,可是难以操控堆积的金属厚度,外表硬而且平坦度差,不合适作为选用引线键合工艺封装基板的外表处理办法。

  电镀是指凭借外界直流电的效果,在溶液中进行电解反响,是导电体(例如金属)的外表趁机金属或合金层。电镀分为电镀硬金和软金工艺,镀硬金与软金的工艺根本相同,槽液组成也根本相同,差异是硬金槽内添加了一些微量金属镍或钴或铁等元素,因为电镀工艺中镀层金属的厚度和成分简单操控,而且平坦度优秀,所以在选用键合工艺的封装基板进行外表处理时,一般选用电镀镍金工艺,铝线的键合一般选用硬金,金线的键合一般都用软金。不管是化学镍金仍是电镀镍金,关于键合质量影响的关键是镀层的结晶和外表是否有污染,以及必定要求的镍金厚度。

  体系级封装技能现已成为电子技能研讨新热门和技能运用的首要方向之一,SIP封装工艺作为SIP封装技能的重要组成部分,值得从事相关技能职业的技能人员和学者进行研讨和学习,引线键合和倒装焊作为体系级封装的两种工艺,各有其特色和优势,需求依据详细出产要求进行挑选。

  SiP是逾越摩尔定律下的重要完结途径。众所周知的摩尔定律开展到现阶段,何去何从?职业界有两条途径:一是持续依照摩尔定律往下开展,走这条途径的产品有CPU、内存、逻辑器材等,这些产品占整个商场的50%。别的便是逾越摩尔定律的More than Moore道路,芯片开展从一味寻求功耗下降及功用进步方面,转向愈加务实的满意商场的需求。这方面的产品包含了模仿/RF器材,无源器材、电源办理器材等,大约占到了剩余的那50%商场。

  摩尔定律保证了芯片功用的不断进步。众所周知,摩尔定律是半导体职业开展的“圣经”。在硅基半导体上,每18个月完结晶体管的特征尺度缩小一半,功用进步一倍。在功用进步的一起,带来本钱的下降,这使得半导体厂商有满意的动力去完结半导体特征尺度的缩小。这其间,处理器芯片和存储芯片是最遵照摩尔定律的两类芯片。以Intel为例,每一代的产品完美地遵从摩尔定律。在芯片层面上,摩尔定律促进了功用的不断往前推动。

  SIP是处理体系枷锁的胜负手。把多个半导体芯片和无源器材封装在同一个芯片内,组成一个体系级的芯片,而不再用PCB板来作为承载芯片衔接之间的载体,能够处理因为PCB自身的先天不足带来体系功用遇到瓶颈的问题。以处理器和存储芯片举例,因为体系级封装内部走线的密度能够远高于PCB走线密度,然后处理PCB线宽带来的体系瓶颈。举例而言,因为存储器芯片和处理器芯片能够经过穿孔的办法衔接在一起,不再受PCB线宽的约束,然后能够完结数据带宽在接口带宽上的进步。

  圆片圆片减薄圆片切开芯片粘结引线键合等离子清洗液态密封剂灌封安装焊料球回流焊外表打标别离终究查看测验包装。

  圆片减薄是指从圆片反面选用机械或化学机械(CMP)办法进行研磨,将圆片减薄到合适封装的程度。因为圆片的尺度越来越大,为了添加圆片的机械强度,避免在加工进程中产生变形、开裂,其厚度也一直在添加。可是跟着体系朝轻浮矮小的方向开展,芯片封装后模块的厚度变得越来越薄,因而在封装之前必定要将圆片的厚度减薄到能够承受的程度,以满意芯片安装的要求。

  圆片减薄后,能够进行划片。较旧式的划片机是手动操作的,现在一般的划片机都已完结全自动化。无论是部分划线仍是彻底切开硅片,现在均选用锯刀,因为它划出的边际规整,很少有碎屑和裂口产生。

  已切开下来的芯片要贴装到结构的中心焊盘上。焊盘的尺度要和芯片巨细相匹配,若焊盘尺度太大,则会导致引线跨度太大,在搬运成型进程中会因为活动产生的应力而构成引线曲折及芯片位移现象。贴装的办法能够是用软焊料(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板上,在塑料封装中最常用的办法是运用聚合物粘结剂粘贴到金属结构上。

  键合技能有热压焊、热超声焊等。这些技能长处是简单构成球形(即焊球技能),并避免金线氧化。为了下降本钱,也在研讨用其他金属丝,如铝、铜、银、钯等来代替金丝键合。热压焊的条件是两种金属外表紧紧接触,操控时刻、温度、压力,使得两种金属产生衔接。外表粗糙(不平坦)、有氧化层构成或是有化学沾污、吸潮等都会影响到键合效果,下降键合强度。热压焊的温度在 300℃~400℃,时刻一般为 40ms(一般,加上寻觅键合方位等程序,键合速度是每秒二线)。超声焊的长处是可避免高温,因为它用20kHz~60kHz的超声振荡供给焊接所需的能量,所以焊接温度能够下降一些。将热和超声能量一起用于键合,便是所谓的热超声焊。与热压焊比较,热超声焊最大的长处是将键合温度从 350℃降到250℃左右(也有人以为能够用100℃~150℃的条件),这能够大大下降在铝焊盘上构成 Au-Al 金属间化合物的或许性,延伸器材寿数,一起下降了电路参数的漂移。在引线键合方面的改进首要是因为需求越来越薄的封装,有些超薄封装的厚度仅有0.4mm 左右。所以引线环(loop)从一般的200 μ m~300 μ m减小到100μm~125μm,这样引线张力就很大,绷得很紧。别的,在基片上的引线焊盘外围一般有两条环状电源 / 地线,键合时要避免金线与其短路,其最小空隙有必要

  清洗的重要效果之一是前进膜的附着力,如在Si 衬底上堆积 Au 膜,经 Ar 等离子体处理掉外表的碳氢化合物和其他污染物,显着改进了 Au 的附着力。等离子体处理后的基体外表,会留下一层含氟化物的灰色物质,可用溶液去掉。一起清洗也有利于改进外表黏着性和潮湿性。

  将已贴装好芯片并完结引线键合的结构带置于模具中,将塑封料的预成型块在预热炉中加热(预热温度在 90℃~95℃之间),然后放进搬运成型机的搬运罐中。在搬运成型活塞的压力之下,塑封料被挤压到浇道中,并经过浇口注入模腔(在整个进程中,模具温度保持在 170℃~175℃左右)。塑封料在模具中快速固化,经过一段时刻的保压,使得模块到达必定的硬度,然后用顶杆顶出模块,成型进程就完结了。关于大多数塑封料来说,在模具中保压几分钟后,模块的硬度足能够到达答应顶出的程度,可是聚合物的固化(聚合)并未悉数完结。因为资料的聚合度(固化程度)激烈影响资料的玻璃化转变温度及热应力,所以促进资料悉数固化以到达一个安稳的状况,关于前进器材可靠性是十分重要的,后固化便是为了前进塑封料的聚合度而必需的工艺进程,一般后固化条件为 170℃~175℃,2h~4h。

  现在业界选用的植球办法有两种:“锡膏”+“锡球”和“助焊膏”+ “锡球”。“锡膏”+“锡球”植球办法是业界公认的最好规范的植球法,用这种办法植出的球焊接性好、光泽好,熔锡进程不会呈现焊球偏置现象,较易操控,详细做法便是先把锡膏印刷到 BGA 的焊盘上,再用植球机或丝网印刷在上面加上必定巨细的锡球,这时锡膏起的效果便是粘住锡球,并在加温的时分让锡球的接触面更大,使锡球的受热更快更全面,使锡球熔锡后与焊盘焊接性更好并削减虚焊的或许。

  打标便是在封装模块的顶外表印上去不掉的、笔迹清楚的字母和标识,包含制造商的信息、国家、器材代码等,首要是为了辨认并可盯梢。打码的办法有多种,其间最常用的是印码办法,而它又包含油墨印码和激光印码二种。

  为了前进出产功率和节省资料,大多数 SIP 的拼装作业都是以阵列组合的办法进行,在完结模塑与测验工序今后进行区别,切开成为单个的器材。区别切开能够选用锯开或许冲压工艺,锯开工艺灵活性比较强,也不需求多少专用东西,冲压工艺则出产功率比较高、本钱较低,可是需求运用专门的东西。

  焊盘再散布完结之后,需求在芯片上的焊盘添加凸点,焊料凸点制造技能可选用电镀法、化学镀法、蒸腾法、置球法和焊膏印刷法。现在仍以电镀法最为广泛,其次是焊膏印刷法。

  在整个芯片键合外表按栅阵形状安置好焊料凸点后,芯片以倒扣办法安装在封装基板上,经过凸点与基板上的焊盘完结电气衔接,代替了WB和TAB 在周边安置端子的衔接办法。倒装键合结束后,在芯片与基板间用环氧树脂进行填充,能够削减施加在凸点上的热应力和机械应力,比不进行填充的可靠性前进了1到2个数量级。

  运用最为广泛的无线通讯范畴。SiP在无线通信范畴的运用最早,也是运用最为广泛的范畴。在无线通讯范畴,关于功用传输功率、噪声、体积、分量以及本钱等多方面要求越来越高,迫使无线通讯向低本钱、便携式、多功用和高功用等方向开展。SiP是抱负的处理方案,归纳了现有的芯核资源和半导体出产工艺的优势,下降本钱,缩短上市时刻,一起克服了SOC中比如工艺兼容、信号混合、噪声搅扰、电磁搅扰等难度。手机中的射频功放,集成了频功放、功率操控及收发转换开关等功用,完好的在SiP中得到了处理。

  SiP在核算机范畴的运用首要来自于将处理器和存储器集成在一起。以GPU举例,一般包含图形核算芯片和SDRAM。而两者的封装办法并不相同。图形核算方面都选用规范的塑封焊球阵列多芯片组件办法封装,而这种办法关于SDRAM并不合适。因而需求将两品种型的芯片别离封装之后,再以SiP的办法封装在一起。

  手机轻浮化带来SiP需求添加。手机是SiP封装最大的商场。跟着智能手机越做越轻浮,关于SiP的需求天然水涨船高。从2011-2015,各个品牌的手机厚度都在不断减缩。轻浮化对拼装部件的厚度天然有越来越高的要求。以iPhone 6s为例,已大幅减缩PCB的运用量,许多芯片元件都会做到SiP模块里,而到了iPhone8,有或许是苹果第一款全机选用SiP的手机。这意味着,iPhone8一方面能够做得愈加轻浮,另一方面会有更多的空间包容其他功用模块,比如说更强壮的摄像头、扬声器,以及电池。

  触控芯片。在Iphone6中,触控芯片有两颗,别离由Broadcom和TI供给,而在6S中,将这两颗封在了同一个package内,完结了SiP的封装。而未来会进一步将TDDI整个都封装在一起。iPhone6s中展现了新一代的3D Touch技能。触控感应检测能够穿透绝缘资料外壳,经过检测人体手指带来的电压改变,判别出人体手指的接触动作,然后完结不同的功用。而触控芯片便是要收集接触点的电压值,将这些电极电压信号经过处理转换成坐标信号,并依据坐标信号操控手机做出相应功用的反响,然后完结其操控功用。3D Touch的呈现,对触控模组的处理才能和功用提出了更高的要求,其杂乱结构要求触控芯片选用SiP拼装,触觉反应功用加强其操作友好性。

  自集成电路器材的封装从单个组件的开发,进入到多个组件的集成后,跟着产品效能的进步以及对轻浮和低耗需求的带动下,迈向封装整合的新阶段。在此开展方向的引导下,构成了电子工业上相关的两大新干流:体系单芯片SoC(System on Chip)与体系化封装SIP(System in a Package)。

  构成SIP技能的要素是封装载体与拼装工艺,前者包含PCB、LTCC、Silicon Submount(其自身也能够是一块IC),后者包含传统封装工艺(Wire bond和Flip Chip)和SMT设备。无源器材是SIP的一个重要组成部分,如传统的电容、电阻、电感等,其间一些能够与载体集成为一体,另一些如精度高、Q值高、数值高的电感、电容等经过SMT拼装在载体上。

  SIP封装技能采纳多种裸芯片或模块进行摆放拼装,若就摆放办法进行区别可大体分为平面式2D封装和3D封装的结构。相关于2D封装,选用堆叠的3D封装技能又能够添加运用晶圆或模块的数量,然后在笔直方向上添加了可放置晶圆的层数,进一步增强SIP技能的功用整合才能。而内部接合技能能够是单纯的线键合(Wire Bonding),也可运用覆晶接合(Flip Chip),也可二者混用。