引言
數(shù)十年來,集成電路封裝技術(shù)一直追隨芯片的發(fā)展而進(jìn)展,封裝密度不斷提高,從單芯片封裝向多芯片封裝拓展,市場化對接芯片與應(yīng)用需求,兼容芯片的數(shù)量集成和功能集成,為封裝領(lǐng)域提供出又一種不同的創(chuàng)新方法。 手機(jī)器件的典型劃分方式包括數(shù)字基帶處理器、模擬基帶、存儲器、射頻和電源芯片。掉電數(shù)據(jù)不丟失的非易失性閃存以其電擦除、微功耗、大容量、小體積的優(yōu)勢,在手機(jī)存儲器中獲得廣泛應(yīng)用。每種手機(jī)都強(qiáng)調(diào)擁有不同于其他型號的功能,這就使它需要某種特定的存儲器。日趨流行的多功能高端手機(jī)需要更大容量、更多類型高速存儲器子系統(tǒng)的支撐。封裝集成有靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）和閃存的MCP,就是為適應(yīng)2.5G、3G高端手機(jī)存儲器的低功耗、高密度容量應(yīng)用要求而率先發(fā)展起來的,也是閃存實現(xiàn)各種創(chuàng)新的積木塊。國際市場上,手機(jī)存儲器MCP的出貨量增加一倍多,廠商的收益幾乎增長三倍,一些大供應(yīng)商在無線存儲市場出貨的90％是MCP,封裝技術(shù)與芯片工藝整合并進(jìn)。 2 MCP內(nèi)涵概念 在今年的電子類專業(yè)科技文獻(xiàn)中,MCP被經(jīng)常提及,關(guān)于MCP技術(shù)的內(nèi)涵概念不斷豐富,表述出其主要特征,當(dāng)前給定的MCP的概念為：MCP是在一個塑料封裝外殼內(nèi),垂直堆疊大小不同的各類存儲器或非存儲器芯片,是一種一級單封裝的混合技術(shù),用此方法節(jié)約小巧印刷電路板PCB空間。MCP所用芯片的復(fù)雜性相對較低,無需高氣密性和經(jīng)受嚴(yán)格的機(jī)械沖擊試驗要求,當(dāng)在有限的PCB面積內(nèi)采用高密度封裝時,MCP成為首選,經(jīng)過近年來的技術(shù)變遷,達(dá)到更高的封裝密度。目前,MCP一般內(nèi)置3～9層垂直堆疊的存儲器,一塊MCP器件可以包括用于手機(jī)存儲器的與非NOR,或非NAND結(jié)構(gòu)的閃存以及其他結(jié)構(gòu)的SRAM芯片層,如果沒有高效率空間比的MCP,在高端手機(jī)中實現(xiàn)多功能化幾乎是不可能的。MCP不斷使新的封裝設(shè)計能夠成功運用于使實際生產(chǎn)中。各芯片通過堆疊封裝集成在一起,可實現(xiàn)較高的性能密度、更好的集成度、更低的功耗、更大的靈活性、更小的成本,目前以手機(jī)存儲器芯片封裝的批量生產(chǎn)為主,開發(fā)在數(shù)碼相機(jī)和PDA以及某些筆記本電腦產(chǎn)品中的應(yīng)用。 在封裝了多種不同的、用于不同目的芯片的MCP基礎(chǔ)上,一種更高封裝密度的系統(tǒng)封裝SiP成為MCP的下一個目標(biāo)。反過來講,SiP實際上就是一系統(tǒng)級的MCP,封裝效率極大提高。SiP將微處理器或數(shù)字信號處理器與各種存儲器堆疊封裝,可作為微系統(tǒng)獨立運行。將整個系統(tǒng)做在一個封裝中的能力為行業(yè)確立了一個新標(biāo)準(zhǔn)："2M/2m"。設(shè)計者需要把最好性能和最大容量存儲器以最低功耗與最小封裝一體化,用于手機(jī)中。換句話說：將兩大寫的M（MIPS和MB）最大化,把兩個小寫的m（mW和mm）最小化。無線存儲器向單一封裝發(fā)展,任何可以提高器件性能、降低封裝成本的新技術(shù)都是雙贏,現(xiàn)在市場潮流MCP產(chǎn)品是將來自不同廠家的多種存儲芯片封裝在一起,技術(shù)上優(yōu)勢互補(bǔ),封裝產(chǎn)品具有很高的空間利用率,且有利于提高整機(jī)的微型化和可靠性,改善電氣性能。 從發(fā)展趨勢看,MCP并非全新概念,與超薄疊層芯片尺寸封裝有很多相同之處,但其顯著特征是所封裝的芯片類型增加,密度更高,以獲得最大靈活性和伸縮性。MCP是SiP架構(gòu)中的Stacked IC,而非Package stachking或Super IC stack豐富SiP所涵蓋的具體芯片的細(xì)化,技術(shù)融合難免有概念炒作之嫌。就像倒裝芯片封裝,游離在眾多的BGA、CSP、WLP、柔性板上倒裝FCoF、封裝倒裝片F(xiàn)CIP等類型產(chǎn)品中,它們之間相輔相成,彼此間既獨立又有關(guān)聯(lián),共同構(gòu)成新一代電子封裝技術(shù)。 3 MCP關(guān)鍵技術(shù) 半導(dǎo)體圓片后段制程技術(shù)加速發(fā)展,容許在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)中,將某些、某類芯片整合在單一的一級封裝內(nèi),結(jié)構(gòu)上分為金字塔式和懸梁式堆疊兩種,前者特點是從底層向上芯片尺寸越來越小,后者為疊層的芯片尺寸一樣大。MCP日趨定制化,能給顧客提供獨特的應(yīng)用解決方案,比單芯片封裝具有更高的效率,其重要性與日劇增,所涉及的關(guān)鍵工藝包括如何確保產(chǎn)品合格率,減薄芯片厚度,若是相同芯片的層疊組裝和密集焊線等技術(shù)。 3.1 確好芯片KGD KGD是封裝之前經(jīng)制造商老化、測試等早期失效淘汰驗證的電性能合格的芯片。這種良品芯片的篩選技術(shù)方案趨向多樣化。MCP的商業(yè)模式首先基于KGD,以保證在MCP整合之前每個芯片都有特定的質(zhì)量和可靠性水平,能夠產(chǎn)生MCP高良品率,確保最終品質(zhì),同時允許在一個獨立封裝單元里使用從不同廠商那里獲得的最合適的芯片。產(chǎn)業(yè)界開發(fā)各種各樣的性能測試/老化夾具的方法,降低KGD成本花費。例如,整個圓片接觸系統(tǒng)、犧牲金屬層法、柔性探針接觸法、單芯片插槽法、凸點夾具法、激光修復(fù)等先進(jìn)技術(shù),MCP具體分析每種方法的測試標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)定質(zhì)量、可靠性等級,在確定KGD成本的基礎(chǔ)上,節(jié)省測試時間甚至完全不需要老化測試,避免一個內(nèi)置芯片的缺陷導(dǎo)致整個MCP損失的潛在風(fēng)險,評估KGD的先決條件是必須精確定義所需的可靠性等級。 3.2 圓片背面減薄技術(shù) MCP可內(nèi)置疊層的芯片數(shù)量在迅速增加,內(nèi)含四個、五個、甚至八個芯片,產(chǎn)品化在1mm封裝高度下內(nèi)置五個芯片,在1.4mm封裝高度下,開發(fā)出內(nèi)置9個芯片疊層的產(chǎn)品,計劃2005年可內(nèi)置的芯片數(shù)為10個,2006年為11個。每塊MCP器件內(nèi)置芯片數(shù)量越多,其封裝高度也隨之增加,為解決這一矛盾,研發(fā)MCP過程中,必須將電路層制作完后的圓片背面減薄瘦身,再劃片為單個芯片,MCP化。目前的減薄方法主要有超精密磨削、化學(xué)機(jī)械拋光、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕、常壓等離子腐蝕、干式拋光等技術(shù),提高圓片背面減薄加工效率,減小其表面和亞表面損傷,減緩或避免圓片翹曲變形,機(jī)械研磨減薄一般在150μm左右,等離子刻蝕方法可達(dá)100μm。高1.4mm封裝內(nèi),5～6層疊片的MCP一般要求芯片減薄到85μm左右,如果是9片疊層的話,芯片厚度為70μm,小于50μm的減薄技術(shù)已在研發(fā)中。今后,圓片背面減薄趨向20～30μm的極限厚度,圓片越薄,其柔韌性越好,受外力沖擊引起的應(yīng)力也越小。 3.3 再分布隱埋層RDL技術(shù) 再分布隱埋層RDL技術(shù)可重新安排壓焊點到芯片讓任何合理的位置,這一技術(shù)包括單層鋁、單層或多層銅的金屬鍍層選擇以及多層薄膜RDL,多層薄膜RDL允許四層設(shè)計和重新分配。采用RDL技術(shù),芯片中心的壓焊點可被重新分配到芯片的周邊、兩側(cè)或任何一側(cè)。通過這種變化,設(shè)計師可更加靈活地考慮封裝方面的芯片放置,比如,芯片可分別以垂直層疊、交錯層疊,并排層疊的方式排列。
3.4 隔片技術(shù) 生產(chǎn)廠商追求的終極MCP就是在既定的安裝高度與內(nèi)置芯片數(shù)量前提下,可任意組合疊層的芯片。為實現(xiàn)此目標(biāo),采用無功能的超薄柔性隔片（Dummychip）,確保芯片間空隙,滿足芯片布線要求。9片疊層MCP中,3層是隔片,其他的6層才有功能。目前,MCP可做到基帶處理芯片和閃存、SRAM疊層,開發(fā)在樹脂層中埋入金屬引線工藝,替代隔片,縮小近一半間隔距離,設(shè)立如何解決大規(guī)模邏輯芯片和其他存儲芯片MCP化課題。 3.5 低弧度引線鍵合 當(dāng)芯片減薄厚度小于100μm左右時,要求引線鍵合弧度高必須小于這一數(shù)字,采用25μm金絲的正常鍵合弧高為125μm,使用反向引線鍵合優(yōu)化工藝后,可以達(dá)到75μm以下的弧高。與此同時,反向引線鍵合技術(shù)要增加一個打彎工藝,保證不同鍵合層的間隙。 3.6 鍵合引線無搖動技術(shù) 鍵合引經(jīng)密度增高、長度延伸、形狀更復(fù)雜時,會增加短路的可能性。采用低粘度的模塑料和降低模塑料的轉(zhuǎn)移速度有助于減小鍵合引線的擺動,防止引線短路,現(xiàn)已研發(fā)出鍵合引線無擺動（nosweep）模塑技術(shù)。 此外,MCP的其他工藝基本上與很多先進(jìn)封裝技術(shù)相兼容,延用其設(shè)備及材料,進(jìn)行新的設(shè)計、貼片、組裝、測試,盡快進(jìn)入批量生產(chǎn),及早投放市場。 4 MCP產(chǎn)品架構(gòu) 高端手機(jī)存儲器的配置幾乎與現(xiàn)在臺式電腦的內(nèi)存一樣,而且類型更加豐富,手機(jī)芯片成本中閃存約占23％,已超過基帶處理器,到2007年閃存容量將從今天的750Mb增大到5Gb以上,表1和表2分別示出目前其應(yīng)用概況與特性比較。SRAM以及或非NOR、與非NAND閃存共同支撐起高端手機(jī)存儲子系統(tǒng)、,SRAM及其改進(jìn)型PSRAM（偽靜態(tài)RAM）、LP－SDRAM（低功耗SDRAM）、Cellular RAM、COMORAM、UtRAM等作高速工作數(shù)據(jù)緩存,NOR閃存多用于手機(jī)操作系統(tǒng)直接執(zhí)行程序代碼XIP的存儲,NAND閃存用作大容量數(shù)據(jù)存儲,存儲器容量隨手機(jī)功能的增加而擴(kuò)大,而手機(jī)PCB上分配給存儲器的容積極其有限。為追求大容量,小體積、微功耗、低成本,封裝多種類型存儲芯片的MCP適應(yīng)這一需求而流行,采用SRAM和閃存分離架構(gòu)的封裝產(chǎn)品被放棄,各生產(chǎn)廠家展開激烈的競爭。 一般而言,MCP外形尺寸與單芯片封裝幾乎相同,圖1示出手機(jī)存儲器的MCP架構(gòu)框圖,其類型大多數(shù)是根據(jù)特定合同委托制造商OEM的需求定制的。一些芯片廠商并不生產(chǎn)其顧客所需的所有類型的存儲芯片,卻積極與其他廠家合作,按OEM需求,提供很多類型的MCP產(chǎn)品,表3示出市場調(diào)查公司iSuppli的市場預(yù)測情況。 |
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