系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)的發(fā)展前景(下)

——市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素，要求達(dá)到的指標(biāo)，需要克腰的困難

(續(xù))

制造過(guò)程

模組形式的SiP的基本制造流程如圖4所示，其中虛線框部分是表示專(zhuān)用設(shè)備開(kāi)發(fā)與工藝研究工作需要重視的領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域SiP技術(shù)的發(fā)展需求正在將設(shè)備的生產(chǎn)能力以及與其相關(guān)聯(lián)的工藝能力推向極限。

當(dāng)前的許多模組主要應(yīng)用SMT來(lái)進(jìn)行0201元件的焊接——采用的焊接材料、零部件，以及工藝專(zhuān)用設(shè)備都是最先進(jìn)的，接近各自的極限能力。所使用的無(wú)鉛焊料膏還需要繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，以便能夠與回流溫度更相適應(yīng)，也便于進(jìn)行清洗。這個(gè)要求十分重要，因?yàn)閼?yīng)用SiP技術(shù)時(shí)，芯片焊接與引線鍵合工序都是在SMT安裝以后進(jìn)行的。因此對(duì)于焊接處的清洗的要求是十分嚴(yán)格的，并且它直接影響附著力的好壞和鍵合的可靠性。

無(wú)論是對(duì)于陶瓷基板還是對(duì)于有機(jī)多層板基板，零部件的頂部包封(over-molding)仍然存在許許多多的困難。其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是模塑化合物材料的性能，要求它具有非常低的吸濕性、能夠在復(fù)雜的SiP表面保持良好的流動(dòng)性，并且對(duì)于SiP內(nèi)所安置的各種各樣的材料都具有良好的附著性。設(shè)計(jì)模塑所使用的模鑄模具時(shí)，如何能夠使這些模塑材料在各種各樣形狀的零件上順暢地流動(dòng)，也是非常重要的事情，而這些零件的材料又是千差萬(wàn)別的。即使在完成零部件的頂部包封以后，如何消除殘余應(yīng)力也是一個(gè)重要的問(wèn)題，否則在這些殘余應(yīng)力的作
用下在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過(guò)程中就容易產(chǎn)生失效。

為了提高生產(chǎn)效率，也為了節(jié)約材料，大多數(shù)SiP的組裝工作都是以陣列組合(matrix format)的方式進(jìn)行，在完成模塑與測(cè)試工序以后，然后再進(jìn)行劃分分割成為單個(gè)的器件。劃分分割可以采用鋸開(kāi)或者沖壓工藝。鋸開(kāi)工藝靈活性比較強(qiáng)，也不需要多少專(zhuān)用工具，沖壓工藝則生產(chǎn)效率比較高，成本較低，但是需要使用專(zhuān)門(mén)的工具。需要研究開(kāi)發(fā)新的分割工藝(singulation)，使之能夠高速，精確地處理各種不同類(lèi)型材料制成的陣列組合器件，也便于更進(jìn)一步降低成本。

對(duì)基板與零部件的要求

為了進(jìn)一步提高集成度，進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的性能，需要首先改進(jìn)基板材料和基板加工技術(shù)。目前芯片上的互連密度繼續(xù)以每?jī)赡晏岣?0％的速度在提高，而基板上互連密度的提高速度則低得多。因此兩者之間的差距越來(lái)越大。需要開(kāi)發(fā)小于25微米線寬與間距的互連線的制造加工技術(shù)以及與之相聯(lián)系的材料，以縮小上述差距。這是非常重要的舉措。這些制造加工技術(shù)與材料的成本也不能過(guò)高。

由于大多數(shù)SiP的應(yīng)用都以無(wú)鉛電子產(chǎn)品為目標(biāo)，因此SiP產(chǎn)品必須能夠適應(yīng)無(wú)鉛材料較高回流溫度的要求。這就要求所采用的材料與加工的零件能夠承受多次260℃回流溫度的加工。許多有機(jī)HDI多層板基板應(yīng)用具有比較低的Ts(玻璃軟化溫度)的材料，這些材料在如此高的回流溫度下容易產(chǎn)生扭曲變形，性能也可能降低。因此需要開(kāi)發(fā)新的材料以提高低成本HDI基板材料的加工溫度極限。

不論是模組類(lèi)型的SiP，還是層疊芯片類(lèi)型的SiP，或者是引線框架類(lèi)型的SiP，大多數(shù)情況下都在裝配過(guò)程中采用頂部包封技術(shù)。一般情況下零部件產(chǎn)業(yè)部門(mén)并沒(méi)有針對(duì)這方面的應(yīng)用對(duì)零件進(jìn)行質(zhì)量鑒定，而這方面的應(yīng)用又的確有一些特殊的要求需要特別留意。因此產(chǎn)業(yè)界需要為這方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的鑒定程序，以及相對(duì)應(yīng)的加速測(cè)試方法等。并且需要確定這方面的應(yīng)用所呈現(xiàn)的特殊失效模式與機(jī)理。針對(duì)不同的零件類(lèi)型進(jìn)行特性測(cè)試，制定合適的技術(shù)規(guī)范條件。

對(duì)3D封裝的要求

為了盡可能降低整個(gè)封裝的外形尺寸，在封裝內(nèi)安置盡可能多的芯片，芯片層疊類(lèi)型的SiP正在千方百計(jì)地努力改進(jìn)在更薄的芯片上鍵合引線的工藝技術(shù)，以減輕引線跨越(overhans)所引起的不良影響。采用引線鍵合工藝技術(shù)的SiP在芯片上和芯片下面的空間所產(chǎn)生的引線跨越是不可避免的。解決引線跨越問(wèn)題需要認(rèn)真減薄芯片的厚度，仔細(xì)注意鍵合力的大小。對(duì)于材料性質(zhì)比較脆弱，機(jī)械強(qiáng)度比較低的GaAs器件，更需要特別注意防止引線跨越所產(chǎn)生的不良影響。

隨著芯片厚度的減薄和高深寬比腐蝕技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)在有可能在芯片上制造穿孔，以便將引出線焊接塊安置在IC芯片的背面。這就為垂直層疊芯片之間實(shí)現(xiàn)引線的3D互連創(chuàng)造了條件。這樣芯片之間的空間已經(jīng)不再需要，因此可以降低器件外形的總厚度。微小的穿孔和相應(yīng)的微小的焊接塊都需要高度精確的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，也需要掌握能夠?qū)穸冗_(dá)到10微米甚至更薄的芯片進(jìn)行背面加工，以及處理這樣薄芯片的其它工藝技術(shù)。

使用焊料球來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與芯片之間的直接互連，在芯片之間不可避免地存在一個(gè)縫隙，其高度決定于焊料球的直徑。多次反復(fù)的回流工序可能會(huì)對(duì)焊料下的金屬冶金層UBM(under Bump-Metallurgy)產(chǎn)生不良影響。Cu-Sn和Cu之間的固液互擴(kuò)散技術(shù)以及銅與銅的直接鍵合技術(shù)有可能為大幅度減小垂直層疊芯片之間的縫隙，以及使之能夠承受多次回流工序的影響創(chuàng)造了條件。

固液相互擴(kuò)散的結(jié)果生成Cu3Sn與Cu6Sn，金屬間化合物層。此金屬間化合物層的熔點(diǎn)溫度比加工處理溫度(Sn的熔點(diǎn)溫度)要高。因此有可能連續(xù)地進(jìn)行許多次芯片的層疊時(shí)，經(jīng)過(guò)隨后的高溫存儲(chǔ)Cu6Sn5轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn，僅僅留存下含Cu比較多的Cu3Sn，應(yīng)該仔細(xì)控制Sn層的厚度。薄Cu層(在幾毫米附近)要求具有1微米的表面平整度。

應(yīng)用等離子體激活工藝可以使Cu與Cu直接鍵合溫度從450℃降低至200℃。這樣也為多芯片層疊時(shí)進(jìn)行多次鍵合創(chuàng)造了條件。這時(shí)也要求具有極好的表面平整度，精度在1微米左右。

3D封裝的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高互連線的密度，降低器件外形的總體高度。由于有可能將不同類(lèi)型的IC芯片層疊在一起，而又具有較高的互連線密度，因此3D封裝技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。但是，加工的成品率和測(cè)試的方案將決定它是否能夠成功地實(shí)現(xiàn)。此外除了上述困難以外，它還需要與成本低廉的普通的SiP競(jìng)爭(zhēng)，才能夠勝利地?fù)屨际袌?chǎng)。

產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問(wèn)題

系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)融合了電子制造服務(wù)產(chǎn)業(yè)(EMS)的表面安裝技術(shù)、半導(dǎo)體封裝服務(wù)產(chǎn)業(yè)(SAS)的半導(dǎo)體裝配技術(shù)與測(cè)試技術(shù)。這種融合強(qiáng)迫表面安裝技術(shù)工序和裸芯片的裝配技術(shù)工序必須在同一個(gè)工廠內(nèi)進(jìn)行，這一改變遇到了一些困難，要求必須解決一些基本的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這兩部分產(chǎn)業(yè)(EMS與SAS)的商業(yè)運(yùn)行模式并不相同，對(duì)這兩種產(chǎn)業(yè)的要求也不相同；各自遵循的技術(shù)規(guī)范、使用的設(shè)備、所需要具有的操作技巧也不相同。

為了達(dá)到合理的利潤(rùn)率，SAS公司確定毛利率指標(biāo)為20％左右；而EMS公司的毛利率一般在10％左右。這種商務(wù)運(yùn)行模式的不同，是由于兩種工廠需要攤銷(xiāo)的管理費(fèi)用，間接成本存在差異，例如，一家需要潔凈廠房，一家只需要標(biāo)準(zhǔn)廠房環(huán)境。所承擔(dān)的研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用、勞動(dòng)力費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用也不盡相同。因此如果要發(fā)展SiP技術(shù)產(chǎn)業(yè)，電子制造公司就必須建立一種新的運(yùn)行模式，這種模式應(yīng)該融合了SAS與EMS兩種模式的結(jié)構(gòu)。這種模式還必須能夠保證達(dá)到每年降低15％產(chǎn)品制造成本的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)，這樣才能夠具有起碼的競(jìng)爭(zhēng)能力。

此外，EMS與SAS運(yùn)行時(shí)所遵循的質(zhì)量規(guī)范與可靠性標(biāo)準(zhǔn)并不相同。EMS廠商采用IPC電路板組裝的技術(shù)規(guī)范，而SAS廠商則遵循JEDEC零部件技術(shù)規(guī)范。這樣一來(lái)，同樣的SiP，如果加工的場(chǎng)地不同，就可能產(chǎn)生重要的區(qū)別。關(guān)于這一點(diǎn)必須按照最終產(chǎn)品的市場(chǎng)要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

綜合技術(shù)素質(zhì)是另外一個(gè)重要問(wèn)題。SiP所要求具備的融合了的綜合技術(shù)素質(zhì)，現(xiàn)有的公司一般是都不能完全具備的。因此需要聘請(qǐng)來(lái)自不同領(lǐng)域的專(zhuān)家，并將他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通在一起。一般是以本公司的特有技術(shù)為基礎(chǔ)，聘請(qǐng)其它領(lǐng)域的專(zhuān)家，互相結(jié)合起來(lái)，共同培訓(xùn)每一個(gè)職工，使之掌握所需要的技能。這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程一般需要兩年。產(chǎn)業(yè)界也應(yīng)該考慮舉辦一些進(jìn)行SiP培訓(xùn)的講座，促進(jìn)這一問(wèn)題的解決。