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新一代層疊封裝(PoP)發展趨勢
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文章來源: 發布時間:2015-07-20
 

    摘要: 便攜式移動設備是當今半導體集成電路行業的主要發展動力。其對封裝的挑戰,除電性能的提高外,還強調了小型化和薄型化。層疊封裝(PoP)新的趨勢包括芯片尺寸增大、倒裝技術應用、超薄化等,進一步增加了控制封裝翹曲的難度。超薄封裝的翹曲大小及方向與芯片尺寸,基板和塑封層厚度,以及材料特性密切相關。傳統的通用封裝方案已不再適用,需要根據芯片設計及應用,對封裝設計,材料等因素加以優化,才能滿足翹曲控制要求。另外,基板變薄后,來自不同供應商的基板可能出現不同的封裝翹曲反應,需要加強對基板設計公差及供應鏈的管控。

    關鍵詞: 層疊封裝;穿塑孔;裸芯片穿塑孔;翹曲;熱膨脹系數

    1 簡介

    當今半導體集成電路的新增長點,已從傳統的機算機及通訊產業轉向便攜式移動設備如智能手機,平板電腦及新一代可穿戴設備。集成電路封裝技術也隨之出現了新的趨勢,以應對移動設備產品的特殊要求,如增加功能靈活性,提高電性能,薄化體積,降低成本和快速面世等。
    層疊封裝(PoP,Package-on-Package,見圖1)就是針對移動設備的IC封裝而發展起來的可用于系統集成的非常受歡迎的三維疊加技術之一。PoP由上下兩層封裝疊加而成,底層封裝與上層封裝之間以及底層封裝與母板(Motherboard)之間通過焊球陣列實現互連。通常,系統公司分別購買底層封裝元件和上層封裝元件,并在系統板組裝過程中將它們焊接在一起。層疊封裝的底層封裝一般是基帶元件,或應用處理器等,而上層封裝可以是存儲器等。
同傳統的三維芯片疊加技術相比,PoP結構尺寸雖稍大,但系統公司可以擁有更多元件供應商,并且由于PoP底層和上層的元件都已經過封裝測試,良率有保障,因此PoP的系統集成既有供應鏈上的靈活性,也有成本控制的優勢。事實證明,PoP為系統集成提供了低成本的解決方案。
    為了進一步利用PoP技術的優勢,系統公司可以同芯片供應商與封裝公司合作,對PoP底層或上層元件進一步集成,以滿足其產品需要。如基帶芯片和應用處理器芯片可以集成在PoP的底層封裝里等。
隨著集成度及電性能要求的進一步提高,以及超薄化的需求,PoP封裝技術也不斷發展創新,開始進入新的一代。本文將介紹分析這一領域的最新發展趨勢。
    封裝技術的進一步超薄化使得封裝翹曲成為一大問題。封裝中使用了各種不同的材料,如芯片,基板,塑封等,這些材料具有不同的熱膨脹系數(CTE,Coefficient of Thermal Expansion)。當整個封裝經歷溫度變化時,例如從封裝過程時的高溫降到室溫,由于各種材料的熱膨脹系數不同,伸縮不一致,從而導致封裝產生翹曲,圖2 簡易地說明了這一原理。當封裝變薄后,鋼性顯著降低,更容易變形,使得翹曲顯著加大。
    過大的翹曲會使得PoP封裝在表面焊接(SMT)組裝過程中,底層封裝與母板之間,或者底層和上層封裝之間的焊錫球無法連接,出現開路,見圖3。翹曲已成為影響PoP組裝良率的關鍵因素。超薄化的趨勢使得翹曲問題更加突出,成為一個阻礙未來PoP薄化發展的瓶頸。因此,各種新的技術和材料不斷出現,用以降低封裝的翹曲。在這篇文章中,我們將介紹翹曲控制方面的發展趨勢。文章更進一步從一組超薄PoP試驗樣品,以及其它一些實際產品數據中,分析探討超薄后可能出現的翹曲大小,以及超薄封裝所帶來的相應的設計、材料、生產過程中可能出現的問題和挑戰。
    2 層疊封裝(PoP)的發展趨勢
    新一代層疊封裝的發展趨勢可以概括為:
    (1)IC集成度進一步提高,芯片尺寸不斷加大,芯片尺寸與封裝尺寸比例不斷提高,使得封裝翹曲也隨之增加。
    (2)對封裝的電性能要求進一步提高,倒裝芯片技術(flip chip)應用普及,已代替了傳統的焊線(wire bond)技術。更先進的則采用銅柱技術(Copper Pillar),以進一步縮小焊點間距。
    (3)同一芯片針對不同應用及客戶要求采用不同封裝尺寸。這使得封裝材料也應隨之而改變,優化。另一方面,有時客戶為了提高IC制造良率和產出率,或者應用的靈活性,會把一顆大集成度的系統芯片分割成幾顆小芯片,但仍然要求封裝在同一封裝里。這些都使得封裝難以采用傳統的統一的材料系統,而必須定制優化。
    (4)PoP底層和上層之間互連的間距(pitch)縮小。傳統PoP采用0.5mm或以上間距,現在多采用0.4mm間距。不遠的將來,0.3mm間距將出現。間距的縮小使得上下層互連的焊錫高度產生問題。傳統PoP采用焊錫球作為上下層的互連,依靠焊錫球在回流液態下自身的表面張力形成焊球高度。這一高度必須大于底層封裝芯片和塑封厚度,否則就會出現焊球開路。在間距縮小,焊球直徑減小的情況下,這一高度要求難以達到,必須開發新的技術。
    (5)在超薄化趨勢下,PoP封裝的各層材料厚度要求越來越薄。圖4顯示了基板(substrate)和塑封(EMC)厚度的薄化趨勢。基板厚度已從常見的0.3mm薄化到0.2mm左右,甚至0.13mm。而塑封厚度則從0.28mm降至0.2mm,0.15mm。至于芯片本身,厚度也已達0.1mm以下,0.05mm芯片也將出現。封裝薄化帶來的最大問題就是封裝翹曲顯著增加。許多新的PoP技術的開發及新材料的應用也是針對降低封裝翹曲。
    因應上述趨勢,POP在封裝技術和材料使用上也出現新的發展。
    在封裝技術上,相繼出現了裸芯倒裝的底層封裝(PSfcCSP)和穿塑孔技術(TMV, Through-Mold-Via),見圖5。裸芯倒裝的翹曲一般會較大。穿塑孔技術彌補了這一缺點。穿塑孔技術是在傳統的塑封基礎上,在上下層封裝互連焊接點處打孔穿透塑封,再通過焊錫球柱形成上下層連接。穿塑孔技術具有一些顯著優點。首先,它可以通過塑封材料降低封裝翹曲,可以使用更高的芯片/封裝尺寸比,這就使得更大芯片的封裝成為可能。其次,上下層封裝互連的焊錫球因為有塑封的支撐和間隔可以使用更細的互連間距。
    為進一步薄化TMV塑封層,現在又出現了裸芯的TMV(Exposed-die TMV) ,即把塑封層高度設計成與芯片平齊,使芯片頂部裸露。這樣整個封裝的高度可以進一步降低,但翹曲相對也會增加一些。
    為降低封裝翹曲,各種新的材料也不斷出現,主要表現在材料特性的改善上。圖6顯示了基板核(Core)以及塑封(EMC)的熱膨脹系數(CTE)的發展趨勢。在基板方面,熱膨脹系數低的基板核有利于降低大芯片封裝翹曲,因此新的基板核材料的熱膨脹系數在不斷降低。原來標準的基板核熱膨脹系數一般在15~17ppm左右,然后出現了CTE在9~12ppm之間的低CTE基板核,現在CTE在5~7ppm間的超低基板核也已相當普及,最新一代的已接近2~4ppm。與此同時,塑封材料的CTE特性則不斷升高,各種高CTE的塑封材料也層出不窮,常溫下的CTE值已從原有的10ppm左右升至20~30ppm之間。這些新材料的研發極大地幫助改善了因薄化而產生的翹曲問題。
   3 超薄穿塑孔TMV試驗樣品
    為了探索封裝超薄化后可能出現的翹曲情況,以及超薄所帶來的相應的設計,材料,生產過程中可能出現的問題和挑戰,我們設計并實際組裝了一組超薄TMV試驗樣品,見圖7。
表1中所列為試驗設計參數。芯片厚度為60µm,相應的塑封層厚度采用0.15mm厚。分別使用了兩種基板設計:一種為4層板共計0.23mm厚,另一種為2層板共計0.17mm厚。整個封裝大小尺寸為12mm。為了研究不同芯片大小尺寸對翹曲的影響,我們使用了三種從小到大的芯片尺寸,分別為5mm,6.5mm,8.7mm。在材料使用上,采用了一種超低CTE的基板和一種高CTE的塑封組合。
    4 不同芯片尺寸下的封裝翹曲
   圖8和圖9分別顯示了使用4層0.23mm基板和2層0.17mm基板封裝不同尺寸芯片時的翹曲數值。這些翹曲數值是通過莫爾條紋投影儀(shadow moiré) 測量的平均值。根據業界慣例,正值翹曲表示翹曲為凸形,而負值翹曲表示翹曲為凹形,如圖中所示。
    從圖中數據我們可以得出一些很重要的結論:
    (1)封裝超薄化后,翹曲對芯片大小非常敏感。不同尺寸的芯片封裝后翹曲相差非常大,甚至翹曲的方向都會改變,例如圖8中在回流溫度260C時的翹曲,當芯片為5mm時翹曲方向是凸形正90µm(正值),而芯片為8.7mm時翹曲變成了凹形負100µm(負值)。
    (2)對于大芯片(8.7mm),超薄化后的封裝翹曲非常大,超過了一般要求的翹曲水平(100µm以下)。所以,大芯片超薄封裝的翹曲極具挑戰性。另一方面,也不是說芯片越小翹曲就會越小,如設計或材料選擇搭配不當,小芯片封裝會比大芯片封裝的翹曲更大。例如圖 9 中所示,5mm芯片比6.5mm及8.7mm芯片的翹曲都大。原因是不同大小的芯片翹曲方向有可能不同。
    (3)通常所說的采用低CTE的基板和高CTE的塑封組合有利于降低翹曲,是針對封裝大芯片時當翹曲方向在室溫下是凸形而高溫下是凹形時才成立。而當使用小芯片時,翹曲方向有可能反過來,此時上述觀點將不再成立,而必須使用高CTE的基板配低CTE的塑封組合,才能降低翹曲。
    (4)圖中數據顯示,同一套材料組合及設計很難適用于各種不同大小的芯片。
    (5)綜上所述,新一代超薄封裝將會使翹曲大小和方向出現各種可能,而且相當敏感,難以只憑經驗預估。所以,必須定制優化,并在設計時使用相關的計算機有限元翹曲模型模擬仿真,以幫助預估最后封裝的翹曲及改善的方案例如各層厚度和材料的選擇搭配。
    5 基板薄化對翹曲的影響
    在基板設計時,可選擇采用不同的層數和厚度。除了對基板電性能的考慮之外,這些因素對封裝的翹曲也有影響。圖10顯示了使用4層板和2層板的封裝在翹曲上的差別。對大芯片封裝而言,使用4層基板的封裝翹曲比2層基板的會更大。這是因為4層基板含更多的金屬層和絕緣層,這些材料具有相當高的CTE,從而使得4層基板的整個基板有效CTE值要比2層基板的大,翹曲也就相應增大。相對而言,基板層數越多,或者基板核越薄,基板核所起的作用就越小,翹曲就會加大。以此類推,采用最新出現的無核基板(Coreless Substrate)的封裝翹曲將會是更大的挑戰。
    基板變薄后帶來的另一個問題是基板設計公差的影響增大。傳統基板使用很厚的核,核在整個基板的機械性能上起主導作用,所以設計公差的影響并不明顯。但當基板變薄后,核的主導作用變弱,各層厚度的設計公差所帶來的成品基板差異就不能再忽略了。圖11顯示了一例基板設計時公差控制的影響。第一組數據采用標準設計共差,結果封裝的翹曲在回流高溫時為96µm,超過客戶指標(90 µm)。第二組數據為改進版,對基板各層厚度的公差做了進一步控制,尤其是金屬層(信號層)。結果這一組的翹曲得到改善,降低了12µm,達到了客戶指標要求。這說明當基板變薄后必須加強對公差的控制,同時,當封裝產品開發已進入最后階段,其它各種參數都已定型的情況下,也還有可能通過對基板各層的厚度公差進行優化控制,以進一步改善翹曲,達到客戶指標。
    基于類似的原因,我們發現,基板變薄后,不同基板廠商生產流程控制差異所造成的成品基板差異也變得更加明顯,必須加以更嚴格的控制。尤其是在現代的商業模式下,同一基板總是從幾家不同供應商進貨。圖12顯示了一例同一設計但來自不同供應商的基板對最后封裝翹曲的影響。數據表明,使用三個供應商的基板進行封裝的翹曲都不同,相差達20µm。其中供應商B和C的基板封裝的翹曲最后都超標。而即使是同一供應商A,不同的生產流程控制也會造成翹曲差異。
為進一步研究造成基板差異的根源,我們也測量了這些基板在封裝之前裸基板每個單元本身的翹曲。圖13顯示的是來自不同供應商的裸基板在封裝之前其自身的翹曲比較。可以看出,基板薄化后,不再像傳統的厚基板那樣平整,裸基板本身就會產生很大的翹曲(可達100~200 µm),而且翹曲隨不同的供應商,不同的生產流程控制而不同。另一個發現是,裸基板本身的翹曲可隨不同的基板核材料而呈現完全不同的狀態。
裸基板本身的翹曲除了會影響最后封裝的翹曲之外,還會影響封裝過程的可制造性(manufacturability)。例如在芯片倒裝過程中,如果裸基板的翹曲過大,會使芯片倒裝無法實施。
封裝薄化之后,基板對設計公差及供應商生產流程的差異都變得更加敏感。因此,必須采用更嚴格的公差控制和供應鏈的控制,才能更好地控制最后封裝的翹曲,
    6 超薄裸芯片的翹曲
    芯片本身也在不斷薄化,從100µm降至80µm,60µm,甚至50µm以下,而芯片本身的翹曲問題也開始出現。圖14顯示的是一顆厚度為50µm,大小為8mmx 8mm的裸芯片在不同溫度下的翹曲。圖中數據表明50 µm厚的芯片本身的翹曲可以由室溫下的正50µm(凸形)變為高溫260C下的負40µm(凹形),這種程度的翹曲還是很顯著的。需要說明的是,芯片本身的翹曲也會因不同的設計和制造過程而不同,不能一概而論。
超薄芯片本身的翹曲主要是由于硅晶和隨后一層一層的低k電路(low k layer, BEOL)之間不同的熱膨脹系數引起的。當芯片厚時,由于硅晶的鋼性很高,不易變形,但當芯片很薄時,鋼性顯著降低,翹曲也隨之顯著增大。
芯片本身的翹曲會增加組裝過程中的困難,及芯片倒裝過程的良率,也會對最后整個封裝的翹曲產生影響。
    7 總結
    本文論述了新一代疊層封裝(PoP)的發展趨勢。主要表現在芯片/封裝比增大,倒裝芯片及銅柱技術的應用,上下封裝層互連間距縮小,以及封裝超薄化。為此新的PoP技術例如穿塑孔TMV等因應而生,新一代超低CTE基板和超高CTE塑封材料等也開發迅猛,以降低因超薄化引起的封裝翹曲。文章進一步討論了封裝翹曲這個已成為阻礙新一代PoP發展的瓶頸問題和面臨的挑戰。基于收集的生產實驗數據,可以得出如下結論:
    (1)超薄化后的封裝翹曲對芯片尺寸大小相當敏感。
    (2)封裝的各層厚度設計以及封裝材料的選取必須根據不同應用,不同芯片的大小進行定制優化,采用不同的組合才能控制好翹曲。很難再使用傳統的同一材料配置適用于不同產品設計的開發模式。
    (3)超薄化后基板的設計公差以及不同供應商的生產流程差異對封裝翹曲的影響變得更加顯著,因此有必要采取更嚴格的公差控制以及供應鏈的控制。
    (4)芯片超薄化后也會使裸芯片本身出現顯著的翹曲問題。

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