系統(tǒng)級封裝(SiP)的發(fā)展前景(下)

——市場驅(qū)動因素，要求達(dá)到的指標(biāo)，需要克腰的困難

(續(xù))

制造過程

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用設(shè)備開發(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來進(jìn)行0201元件的焊接——采用的焊接材料、零部件，以及工藝專用設(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。這個要求十分重要，因為應(yīng)用SiP技術(shù)時，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。

無論是對于陶瓷基板還是對于有機多層板基板，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性，并且對于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)計模塑所使用的模鑄模具時，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，也是非常重要的事情，而這些零件的材料又是千差萬別的。即使在完成零部件的頂部包封以后，如何消除殘余應(yīng)力也是一個重要的問題，否則在這些殘余應(yīng)力的作
用下在現(xiàn)場實際使用過程中就容易產(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，在完成模塑與測試工序以后，然后再進(jìn)行劃分分割成為單個的器件。劃分分割可以采用鋸開或者沖壓工藝。鋸開工藝靈活性比較強，也不需要多少專用工具，沖壓工藝則生產(chǎn)效率比較高，成本較低，但是需要使用專門的工具。需要研究開發(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)以每兩年提高30％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越大。需要開發(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高。

由于大多數(shù)SiP的應(yīng)用都以無鉛電子產(chǎn)品為目標(biāo)，因此SiP產(chǎn)品必須能夠適應(yīng)無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。

不論是模組類型的SiP，還是層疊芯片類型的SiP，或者是引線框架類型的SiP，大多數(shù)情況下都在裝配過程中采用頂部包封技術(shù)。一般情況下零部件產(chǎn)業(yè)部門并沒有針對這方面的應(yīng)用對零件進(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)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的鑒定程序，以及相對應(yīng)的加速測試方法等。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理。針對不同的零件類型進(jìn)行特性測試，制定合適的技術(shù)規(guī)范條件。

對3D封裝的要求

為了盡可能降低整個封裝的外形尺寸，在封裝內(nèi)安置盡可能多的芯片，芯片層疊類型的SiP正在千方百計地努力改進(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。對于材料性質(zhì)比較脆弱，機械強度比較低的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)。

使用焊料球來實現(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)的回流工序可能會對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溫度比加工處理溫度(Sn的熔點溫度)要高。因此有可能連續(xù)地進(jìn)行許多次芯片的層疊時，經(jīng)過隨后的高溫存儲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進(jìn)行多次鍵合創(chuàng)造了條件。這時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，加工的成品率和測試的方案將決定它是否能夠成功地實現(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競爭，才能夠勝利地?fù)屨际袌觥?/P>

產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問題

系統(tǒng)級封裝技術(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)與測試技術(shù)。這種融合強迫表面安裝技術(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)問題。這兩部分產(chǎn)業(yè)(EMS與SAS)的商業(yè)運行模式并不相同，對這兩種產(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)運行模式的不同，是由于兩種工廠需要攤銷的管理費用，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)的研究開發(fā)費用、勞動力費用、設(shè)備費用也不盡相同。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爭能力。

此外，EMS與SAS運行時所遵循的質(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，同樣的SiP，如果加工的場地不同，就可能產(chǎn)生重要的區(qū)別。關(guān)于這一點必須按照最終產(chǎn)品的市場要求來進(jìn)行調(diào)整。

綜合技術(shù)素質(zhì)是另外一個重要問題。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。因此需要聘請來自不同領(lǐng)域的專家，并將他們的專業(yè)知識融會貫通在一起。一般是以本公司的特有技術(shù)為基礎(chǔ)，聘請其它領(lǐng)域的專家，互相結(jié)合起來，共同培訓(xùn)每一個職工，使之掌握所需要的技能。這個學(xué)習(xí)過程一般需要兩年。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)這一問題的解決。