多芯片封装技术及其应用

1 引言

数十年来,集成电路封装技术一直追随芯片的发展而进展,封装密度不断提高,从单芯片封装向多芯片封装拓展,市场化对接芯片与应用需求,兼容芯片的数量集成和功能集成,为封装领域提供出又一种不同的创新方法。

手机器件的典型划分方式包括数字基带处理器、模拟基带、存储器、射频和电源芯片。掉电数据不丢失的非易失性闪存以其电擦除、微功耗、大容量、小体积的优势,在手机存储器中获得广泛应用。每种手机都强调拥有不同于其他型号的功能,这就使它需要某种特定的存储器。日趋流行的多功能高端手机需要更大容量、更多类型高速存储器子系统的支撑。封装集成有静态随机存取存储器（SRAM）和闪存的MCP,就是为适应2.5G、3G高端手机存储器的低功耗、高密度容量应用要求而率先发展起来的,也是闪存实现各种创新的积木块。国际市场上,手机存储器MCP的出货量增加一倍多,厂商的收益几乎增长三倍,一些大供应商在无线存储市场出货的90％是MCP,封装技术与芯片工艺整合并进。

2 MCP内涵概念

在今年的电子类专业科技文献中,MCP被经常提及,关于MCP技术的内涵概念不断丰富,表述出其主要特征,当前给定的MCP的概念为：MCP是在一个塑料封装外壳内,垂直堆叠大小不同的各类存储器或非存储器芯片,是一种一级单封装的混合技术,用此方法节约小巧印刷电路板PCB空间。MCP所用芯片的复杂性相对较低,无需高气密性和经受严格的机械冲击试验要求,当在有限的PCB面积内采用高密度封装时,MCP成为首选,经过近年来的技术变迁,达到更高的封装密度。目前,MCP一般内置3～9层垂直堆叠的存储器,一块MCP器件可以包括用于手机存储器的与非NOR,或非NAND结构的闪存以及其他结构的SRAM芯片层,如果没有高效率空间比的MCP,在高端手机中实现多功能化几乎是不可能的。MCP不断使新的封装设计能够成功运用于使实际生产中。各芯片通过堆叠封装集成在一起,可实现较高的性能密度、更好的集成度、更低的功耗、更大的灵活性、更小的成本,目前以手机存储器芯片封装的批量生产为主,开发在数码相机和PDA以及某些笔记本电脑产品中的应用。

在封装了多种不同的、用于不同目的芯片的MCP基础上,一种更高封装密度的系统封装SiP成为MCP的下一个目标。反过来讲,SiP实际上就是一系统级的MCP,封装效率极大提高。SiP将微处理器或数字信号处理器与各种存储器堆叠封装,可作为微系统独立运行。将整个系统做在一个封装中的能力为行业确立了一个新标准："2M/2m"。设计者需要把最好性能和最大容量存储器以最低功耗与最小封装一体化,用于手机中。换句话说：将两大写的M（MIPS和MB）最大化,把两个小写的m（mW和mm）最小化。无线存储器向单一封装发展,任何可以提高器件性能、降低封装成本的新技术都是双赢,现在市场潮流MCP产品是将来自不同厂家的多种存储芯片封装在一起,技术上优势互补,封装产品具有很高的空间利用率,且有利于提高整机的微型化和可靠性,改善电气性能。

从发展趋势看,MCP并非全新概念,与超薄叠层芯片尺寸封装有很多相同之处,但其显著特征是所封装的芯片类型增加,密度更高,以获得最大灵活性和伸缩性。MCP是SiP架构中的Stacked IC,而非Package stachking或Super IC stack丰富SiP所涵盖的具体芯片的细化,技术融合难免有概念炒作之嫌。就像倒装芯片封装,游离在众多的BGA、CSP、WLP、柔性板上倒装FCoF、封装倒装片FCIP等类型产品中,它们之间相辅相成,彼此间既独立又有关联,共同构成新一代电子封装技术。

3 MCP关键技术

半导体圆片后段制程技术加速发展,容许在适当的结构中,将某些、某类芯片整合在单一的一级封装内,结构上分为金字塔式和悬梁式堆叠两种,前者特点是从底层向上芯片尺寸越来越小,后者为叠层的芯片尺寸一样大。MCP日趋定制化,能给顾客提供独特的应用解决方案,比单芯片封装具有更高的效率,其重要性与日剧增,所涉及的关键工艺包括如何确保产品合格率,减薄芯片厚度,若是相同芯片的层叠组装和密集焊线等技术。

3.1 确好芯片KGD

KGD是封装之前经制造商老化、测试等早期失效淘汰验证的电性能合格的芯片。这种良品芯片的筛选技术方案趋向多样化。MCP的商业模式首先基于KGD,以保证在MCP整合之前每个芯片都有特定的质量和可靠性水平,能够产生MCP高良品率,确保最终品质,同时允许在一个独立封装单元里使用从不同厂商那里获得的最合适的芯片。产业界开发各种各样的性能测试/老化夹具的方法,降低KGD成本花费。例如,整个圆片接触系统、牺牲金属层法、柔性探针接触法、单芯片插槽法、凸点夹具法、激光修复等先进技术,MCP具体分析每种方法的测试标准、预定质量、可靠性等级,在确定KGD成本的基础上,节省测试时间甚至完全不需要老化测试,避免一个内置芯片的缺陷导致整个MCP损失的潜在风险,评估KGD的先决条件是必须精确定义所需的可靠性等级。

3.2 圆片背面减薄技术

MCP可内置叠层的芯片数量在迅速增加,内含四个、五个、甚至八个芯片,产品化在1mm封装高度下内置五个芯片,在1.4mm封装高度下,开发出内置9个芯片叠层的产品,计划2005年可内置的芯片数为10个,2006年为11个。每块MCP器件内置芯片数量越多,其封装高度也随之增加,为解决这一矛盾,研发MCP过程中,必须将电路层制作完后的圆片背面减薄瘦身,再划片为单个芯片,MCP化。目前的减薄方法主要有超精密磨削、化学机械抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、常压等离子腐蚀、干式抛光等技术,提高圆片背面减薄加工效率,减小其表面和亚表面损伤,减缓或避免圆片翘曲变形,机械研磨减薄一般在150μm左右,等离子刻蚀方法可达100μm。高1.4mm封装内,5～6层叠片的MCP一般要求芯片减薄到85μm左右,如果是9片叠层的话,芯片厚度为70μm,小于50μm的减薄技术已在研发中。今后,圆片背面减薄趋向20～30μm的极限厚度,圆片越薄,其柔韧性越好,受外力冲击引起的应力也越小。(责任编辑：admin)