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1、新型微电子封装三维封装叠层技术摘要：本文介绍了微电子封装技术，着重讲述了3D封装技术的特点，指出制约3D封装技术发展的几个问题并提出相应的可行性解决方法。关键字：微电子封装 三维封装 优点 问题1、 微电子封装技术简介一般说来，微电子封装分为三级。一级封装就是在半导体圆片裂片以后，将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线建和（WB）、载带自动建和（TAB）和倒装芯片建和（PCB）连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件（SCM）和多芯片组件（MCM）两大类。应该说一级封装包含了从圆片裂片到电路测试的整个工艺过程，即我们常
2、说的后道封装，还要包含单芯片组件（SCM）和多芯片组件(MCM)的设计和制作，以及各种封装材料如引线键合丝、引线框架、装片胶和环氧塑料等内容。这一级也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电子封装产品连同无源原件一同安装到印制板或其他基板上，成为部件或者整机。这一级也称板级封装。三级封装就是将二级封装的产品通过选层、互联插座或柔性电路板与母板连接起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统，这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材料、设计和组装技术。这一级也称系统级封装。通过上述简介可知，所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从一级封装到三级封装的全部技术内容。微电子封装所包含的范围应包括
3、单芯片封装（SCP）设计和制造、多芯片封装（MCM）设计和制造、芯片后封装工艺、各种封装基板设计和制造、芯片互联与组装、封装总体电性能、机械性能、热性能和可靠性设计、封装材料、封装工模夹具一级绿色封装等多项内容。2、 三维封装（3D）封装技术集成电路产业已成为国民经济发展的关键，而集成电路设计、制造和封装测试是集成电路产业发展的三大产业支柱。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本，所以越来越受到人们的重视，在国际和国内正处于蓬勃发展阶段。尤其是自二十世纪九十年代以来，出现许多迅
4、速发展的新型微电子封装技术，极大的促进了微电子封装发展的进程，这其中就包括三维（3D）微电子封装技术。三维（3D微电子封装技术又称立体微电子封装技术），实现3D，不但使电子产品的组装密度更高，也使其功能更多、传输速度更高、功耗更低、性能更好，而可靠性也更高。与常规的微电子封装技术相比，3D可使电子产品的尺寸和重量缩小数十倍。2.1、3D封装的优点：3-D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联的密度。和传统的封装相比，使用3-D技术可缩短小尺寸、减轻重量达4050杯。3-D封装更有效地使用了硅片的有效区域，这被称之为“硅片效率”，硅片效率是指叠层中
5、总的基板面积与焊区面积之比，因此和其他2-D封装技术相比，3-D技术的硅片效率超过100%。使用3-D技术由于电子元件相互间非常接近，使得信号在系统功能电路之间传输所需要的时间更短。使用3-D技术由于缩短互连、降低互连伴随的寄生性，同步噪声被减小，因而，对于同等数目的互连，产生的同步噪声更小，也即是夹杂在有用信号间不必要的干扰信息更少。使用3-D技术制造产品，由于缩短了互连长度，降低了互连伴随的寄生性，功耗也会更低。3-D技术节约的功率可以使3-D器件以每秒更快的转换速率运转而不增加功耗，此外，寄生性的降低，3-D器件的尺寸和噪声的减小便于每秒的转换功率更高，这使总的系统性能得以提高。3-D封
6、装中，叠层互连长度的缩短降低了芯片间的传输延迟。此外，垂直互连可最大限度地使用有效互连，而传统的封装技术则受诸如通孔或预先设计好的互连的限制。由于可接入性和垂直互连的密度成比例，所以3-D封装技术的可介入性依赖于垂直互连的类型。外围互连受叠层元件外围长度的限制，与之相比，内部互连要更适用、更便利。3-D封装技术可能被用来将CPU和存储器芯片集成起来，避免了高成本的多孔PGA，并提高互连的带宽。2.2、3D封装的分类及实现3D的主要途径：3D封装主要有三种类型，即：埋置型3D、有源基板型3D和叠成型3D。2.2.1埋置型3D的实现途径：埋置型3D又有开槽埋置型和多层布线介质埋置型两类。在HIC的
7、多层布线中埋置R、C和IC的布线基板顶层仍可贴装SMC/SMD，构成更高组装密度的3D-MCM结构。显然，这类结构的功率密度也很高，所以这类基板多为高导热的Si基板、AIN基板或金属基板。图1是以AIN为基板，在多层布线介质间埋置IC的3D-MCM结构。其制作方法与一般的多层布线技术类同，只是要再埋置芯片的压焊区域位置光刻出窗口并与布线金属互联，然后再进行上一层介质和制作金属布线，最上层仍可贴装SMC/SMD，完成更加复杂的3D-MCM结构。图1、埋置型3D-MCM结构2.2.2、有源基板型的实现途径：有源基板型3D就是把具有大量有源器件的Si作基板，在上面在多层布线、顶层在贴装SMC/SMD
8、或贴装多个LSI，形成有源基板型的3D-MCM，从而以立体封装形式达到WSI所能实现的功能。有源Si基板的工艺技术与一般的IC工艺技术相同，上层贴SMC/SMD或LSI芯片的组装工艺与常规的组装工艺也相似。所以有源基板型3D-MCM可以利用一般半导体IC工艺方法，从而实现大规模工业化生产，并随着半导体工艺技术的发展而不断提高。图2、有源基本型3D-MCM结构2.2.3、叠成型3D的实现途径：叠层型3D，是将LSI,VLSI,2D-MCM，甚至WSI或者已封装的器件，无间隙地层层叠装互谅而成。这类叠成型3D是应用最为广泛的一种，其工艺技术不但应用了许多成熟的组装互联技术，还发展应用了垂直互联技术
9、，使叠层型3D结构呈现出五彩缤纷的局面。图3、叠层型3D-MCM结构2.3、制约3D封装技术的几个问题2.3.1、散热问题现在，现代电子工业对高性能系统的要求越来越高，3D封装技术所面临的是更大芯片、更多I/O数，更高密度和更高的可靠性的挑战。尤其是电路密度的提高意味着功率密度的增加，如何解决好散热问题是3D封装激素和需要解决的重要问题之一。目前，3D封装的散热处理有两级：一是对3D器件表面上的热量进行均匀分布的系统设计级；另一个是封装级。散热处理的方法有三种：一，适用低热阻基板；二，适用强风冷或液体冷却剂为3D器件降温；三、在叠层元件之间适用导热通孔将内部的热量散至表面。2.3.2、成本问题
10、3D封装的成本也是一个非常重要的问题，而影响其制造成本的主要因素有：叠层的层数和复杂程度；每一层的工艺步骤数；层叠之前对芯片的检测；安装的芯片是否经过老化；硅基板的后道工艺；每个叠层所需的已知好芯片（KGD）数等。目前解决成本可以两点出发：一是深化3D封装技术的研究，改善工艺流程，降低不必要的损耗，直接降低生产成本；另一点需要扩大3D封装的应用范围，扩大3D封装技术产品的生产规模，进而降低生产成本。2.3.3、生产周期问题生产周期也会影响3D封装技术的发展。对于3D封装技术来讲，生产周期要长于任何一种二维封装形式。通过对生产3D封装产品的厂商的调查得知，根据不同的尺寸和复杂程度，3D封装产品的
11、生产周期为610个月，是MCMD-D封装产品的24倍。解决生产周期一方面要从工艺方面改善3D封装技术的生产周期，另一方面可以采取先订单后生产的经营模式，间接降低生产周期。2.3.4、软件问题集成电路的迅猛发展，使3D封装的设计更加复杂，其设计复杂性和更优秀的设计软件的开发工作也是3D封装技术发展必须面对的问题。目前来说，3D封装技的设计和分析主要采用相关CAD/CAE软件，该方法可以满足大部分的设计和分析要求，但是各类软件之间的集成度不高，使用不方便；也可以采用其他仿真软件，比如Cadence公司先进的EDA软件Allegro Package Desinger进行3D封装设计和分析。所以一方面
12、我们可以设计标准接口将各类软件集合起来，方便使用；另一方面也可以开发一个全新的以3D封装设计和分析为主要目的应用软件。3、结论综上所述，三维封装技术是一种可以显著减小电子系统的体积和重量、提高系统速度、提高系统性能、降低系统功耗的最佳封装技术，也是现代电子封装的必然趋势。对于不同的应用领域，应选择最适合的3D封装技术，如：对相同的芯片，采用裸芯片叠层技术是最适用的；对不同的芯片则尽量采用MCM叠层技术；而将薄型MCM柔性电路板叠装，并用环氧树脂灌封，则是减小体积的有效办法。总之，在封装研究人员的努力探索下，三维封装技术一定会尽快得到广泛地应用，去满足各个领域对电子系统的更高要求。参考文献：1高尚通,杨克武.新型微电子封装技术.电子与封装J,2004,4(1):1015.2郝旭丹,金娜,王明皓.三维封装叠层技术.微处理机J,2001(4):1618.3何金奇.三维（3-D）封装技术.微电子技术,2001,29(4)3240.4曹玉生,于海平,施法中.3D MCM热分析技术的研究.微计算机信息,2006,22(11):191193.5陆裕东,何小琦,恩云飞.三维封装中引线键合技术的实现与可靠性.微电子学,2009,39(5):710713.6王艳,张晓林.双层芯片叠层封装的EDA仿真设计.电子与封装,2007,7(11):58.8
