高密度封装进展.doc
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1、高密度封装进展由作者编写的电子封装工程及高密度封装基板(与林全堵、祝大同共同编写)两书将于2003年7月由清华大学出版社出版。2003年3月2003年5月,作者再一次到日本考查,并连续第6次参加由IMAPS Japan(Infernafional Microelectronics and Packaging Sociefy Japan)/JIEP(Japan Institute of Electronics Packaging)和IEEE CPMT(Components,Packaging,and Manufacturing Technologg)Society Japan组织,在东京举行的2
2、003 ICEP(International Conference on Electronics Packaging;2003电子封装国际会议)。发现电子封装在先进工业国家的发展速度之快,令人惊异。上世纪80年代,日本曾提出“半导体技术立国”。在80年代中期到1993年前后,日本的半导体产业曾领先于美国,独占世界鳌头。目前,日本又提出“封装技术之国”,力图在微电子领域夺回被美国抢去的领先地位,足见日本对电子封装技术的重视。现将作者本次赴日考查及参加2003ICEP电子封装国际会议的所见所闻,以高密度封装进展的总题目,涉及若干领域,连续发表,作为上述两本书的补充,以读者。元件全部埋置于基板内部的
3、系统集成封装(Multi Device Sub-assemblie Embedding all Passive and Active Components in Substrate)伴随轻薄短小、高性能便携电子设备的急速增加,将电子元器件埋置于基板内部的所谓后SMT(post-SMT)封装技术已初见端睨。目前,虽然是以埋置R、C、L等无源元件为主,但近年来,将芯片等有源元件,连同元源元件全部埋置于基板内部的终极三维封装技术也在迅速进展之中。1驱动高密度封装快速发展的两个车轮发展,第一个车轮是以手机为代表的便携电子设备向小型、轻量、薄型方向的进步,电子封装必须适应其发展;第二个车轮是高集成度、超
4、微细化半导体IC元件性能的提高,电子封装必须满足其需求。关于前者,除了IC卡等超薄形封装必不可少外,即使是微机、笔记本电脑、手机、数码相机、PDA等,对封装小型、轻量化的要求也有增无减。从这种意义上讲,超薄型封装的重要性不言而誉。图1表示采用薄形封装的电子设备的实例。关于后者,如图2年示,半导体IC元件的特征尺寸正向亚0.1um进展.。与此相应,半导体快速提高。但是,这种发展都大大受制于电子封装。从现状看,电子封装100um的“特征尺寸”比之半导体芯片0.1um的特征尺寸要大本个数量级。由SMT技术将电子元器件实装在基板上的传统技术已拖住半导体IC元件快速发展的后腿。因此,急需开发将IC芯片及
5、其他元件封装在数微米及数十微米范围内的新型封装技术。被人们知名人士为芯片上系统的SoC(System on Chip),即系统LSI,是,将一个电子系统制作在同一块芯片上。但是,这种方法有很大的局限性。自先,SoC并不适用于所有的电路。而且,即使制作在同一块IC芯片上,随着半导体芯片特征尺寸逐渐接近到0.1um,若原来的工艺路线,在微细化技术的延长线上将遇到如图2所示,难以跨越的壁垒。换句话说,采用现有的半导体工艺技术,要实现0.1um以下的特征宽度几乎是不可能。为此,必须采用新的工艺和材料。例如,用金属镶嵌工艺(damassin)在沟槽(trench),内埋置Cu,代替传统的二维布线,从而使
6、布线导体电阻有效降低;开发介电常数小于2的超低介电常数绝缘层;采用SOI结构及引入SoGe半导体材料等。如此说来,半导体芯片在进步向高集成度发展的过程中,仅靠芯片上系统(SoC:System On Chip)并不能解决所有问题。今后,随着工作频率的不断提高,以克服EMI(electromagneticinterference)为中心,必然会采用更多的无源元件。从而,充分利用布线板,将多个元件高密度且最短距离地封装,就显得格外重要。传统的封装方式为实现这一目的,已经或正在采取各种各样的措施。例如:IC封装及无源元件的小型化、端子密节距化、元件复合化、基板布线图形微细化、互连孔经微细化、密节距微互
7、联技术等等。但是,所有这些无一不是针对IC元件及无源无件搭载在基板上,通过互连线连接的传统封装方式。如图2所示,靠这种传统封装,即使在其延长线上,布线宽度/布线距离充其量能百叶窗到数十um水平,这对于更高速回路来说,与IC目样,会遇到由布线阻抗等引发的各种问题。现在看来,避免上述问题的理想方案是,将需要搭载的所有元器埋置在基板内部,做成一体化结构。这样做不仅能实现小型、薄型封装,还可以保证元件电极间的距离达到最短。近年来,电子元器件和印制线路板正发生日新月异的变化。IC元件在实现了超小型封装(如CSP)之后,一部分存储器元件等正在向三维(如采用芯片叠层、封装叠层、硅图片叠)封装方向发展。与此同
8、时,元源元件正从片式元件向陶瓷复合部件方向转变。其中,搭载IC芯片的埋置无源无件的基板模块,作为高密度封装发展的方向,发展日趋活跃。而且,这些在陶瓷系统中已基本成熟的前提下,正逐渐在树脂系基板系统中转移并推广。特别是,还出现了将无源及有源元件全部埋置于基板内部的的终极三维封装形式。即使是SI芯片本身,为适应这种形式的发展,也正发生着一些变化。一方面芯片中集成无源元件,从而构成集成有无源元件的集成芯片;另一方面,芯片做成便于埋置于基板内部的系统集成封装创造了条件。下面,就高密度封装在这方面的进展加以介绍。2电子元器件及封装的发展动向在电子元器件向轻薄生龙活虎短小化及高性能、多功能的发展进程中,I
9、C封装不断进展:以单芯片封装来说,已从QFP及TCP向BGA、CSP等小型化进展,随着硅圆片级CSP(WLP CSP)的出现,已实现与裸芯片尺寸完全一致的超小型封装(见图3(a)(d);而且,通过将不同种芯片二维或三维组装在一起(MCP:muhi-chip package),构成一个多芯征组件(MCM),近年来又有新的进展(见图3(e)(i);与此同时,将所有上述元件及电路制作在同一芯片(SOC)的系统LSI(见图3(j),研究开发也相当活跃。但是,系统LSI设计复杂,开发时间长,显然不适合于短寿命期及少量、多品种制品。此外,也难以满足用永及时采用新功能IC的要求。由此看来,采用MCP及MCM
10、等多芯片封装形式是必然趋势。上述的三维MCP(图3(g)(i)中,由24个芯片叠层在一起的封装制品已经面市,成功用于手机中,且不可或缺。在今后的12年中,56块芯片叠层的制品也会出现。由于在同一封装中叠层再多的芯片越来越困难,可以将芯片叠层封装与薄型封装叠层相组合。富士通公司已开发出将8块芯片三维叠装在一起的形式(图3(i)。而且,与新的芯片减薄工艺相结合,可以将芯片厚度减薄到25mm。这样,8块芯片叠装在一起的高度仅为2.0 mm.按照这种方法,不久将有10块芯片叠装在一起的封装产品问世.不仅是为了超小型、高密度化,而且 充分发挥半导体IC的性能方面,也迫切要求IC芯片三维封装。今后,这种形
11、式的封装制品会急速增加。再从无源元件讲,C、R、L等片式元源元件的尺寸正不断缩小。1996年前后问世的0630(0.6 mm0.3 mm)型片式元件正成为手机等便携类电子设备的主选文件。2002年在CEATEC展览会上,又出现了0402(0.4 mm0.2 mm)型制品。但无论从元件制造再度,还是封装角度,这些无源元件都有达到尺寸极限的感觉(图4(a)。换句话说,尺寸再减小的余地已经很小。与其追求版式式元件的过渡微小化,缩小元件之间间距也是提高封装密度的有效措施之一。目前元件间距已经能做到0.1 mm左右。而且,由于微小片式元件的制造及实装都相当困难,采用单个元件的实装效率和工艺性都很差。相比
12、之下,若将多个同种或异种的元源元件以二维或三维的形式相组合,制成复合元件(图4(b)、(c)则会明显改善实装效率和工艺性。近年来,伴随着手机等便携电子设备的急速发展,在上述复合元件上搭载IC元件的模块化制品正在迅速普及与推广。电子设备追求高性能、高功能,向轻薄短小方向发展永无止境。目前,GPS通信等对工作在数GHg至数十GHg带域的超高频,超小型便携电子设备的需求急速增加。为此,特别需要采用元件复合化、三维封装的形式。但是,采用基板和电子元器件分别制作,再利用SMT技术将其组装在一起的传统安装方式,在实现更高性能,更加小型、薄型化等方面,显得有些无能为力。在这种背景下,出现了将无源元件及IC等
13、全部埋置在基板内部的终极三维封装形式。这种封装形式在明显提高封装密度的同时,可使连接元件间的引线大大缩短,从而可有效抑制由布线分布参数产生的L、C、R延迟及噪声、发热等,并能充分发挥IC芯片的性能。这意味着,电子封装正从SMT向后SMT(post-SMT)转变。采用将无源元件及IC等全部埋置在基板内部的终极三维封装,不仅仅能使电子设备性能和功能提高,利于轻薄短小化,而且由于钎焊连接部位减少,可提高可靠性并能有效降低封装的总价格,因此,人们对这种新的封装形式寄以厚望。3片式元件向陶瓷复合制品方向发展无源元件埋置于基板中的起源,可追溯到上世纪70年代开发成功的低温共烧陶瓷多层基板LTCC(low
14、temperature co-firing ceraulics substrate)。在此之前,采用Al2O3的多层共烧基板需要在1500以上烧成,如此高的烧成温度,难以实现无源元件的共烧集成。而LTCC的烧成温度一般为800900,较低的烧成温度为厚膜电阻及厚膜电容预埋共烧集成提供了条件。这种内部埋置无源元件的LTCC多层基板(见图5)于80年代中期达到实用化。但是,这种结构是在玻璃陶瓷生片上印刷C、R、L等元件,经叠层预压、一次烧成来实现。因此,可制作元件的范围窄,只能限定在特殊用途。20世纪80年代后期,通过在钛酸钡等钛电体、铁氧体等强磁性体生片上印刷电极,经叠层预压、一次烧成制作无源无
15、件。这种技术的开发成功,标志着对埋置元件基板的开发迈入快速发展轨道(见图4(C)。上述这些陶瓷系的异种材料,在烧成收缩特性及热膨胀特性等方面各不相同,必须采用一次共烧的工艺将生片叠层体烧成,实现一体化。为此必须仔细调整成分及共烧工艺,这需要高超的技术和丰富的经验。许多电子元器件厂家及陶瓷、玻璃制品厂家作出了很大贡献。虽然上述方法实现了陶瓷系异种元件的一体化,但即使多数个无源元件集成,由于IC元件不能埋置于基板内部,无件间的引线连接仍不能全部由内部引线完成。随着IC芯片端子数的增加,基板中的布线会变得越来越复杂。因此,这种集成化方式最多能埋置数十个无源元件。在这种内部埋置无源无件的复合基板上,搭
16、载IC元件及不便于埋置于基板内部的无源元件,构成模块化制品(见图4(d)。这种制品在上世纪90年代初向世。从本质上讲,采用这种将无源元件埋置于基板内部的陶瓷基板,将IC等元件搭载于其上的封装形式,仍属于混合IC(HIC)或MCM的范畴。不过,目前已受到广泛关注的将全部元件埋置在基板内部的三维系统集成封装形成,正是从这里开始起步的。自上世纪90年代起,随着以手机为代表的便携电子设备的迅猛发展,上述制品首先在高频模块中采用,并延续至今。而后,又在被普遍看好的蓝牙(bluetooth)模块等中采用,近年来其应用幅度增加,并显示出极好的发展前景。顺便指出,目前由埋置50个左右无源元件,由陶瓷基板作成的
17、,实装尺寸为10mm10mm的小型蓝牙模块已开始面市。今后,这种制品除了以更多的模块形式应用之外,还会在IC封装基板等中扩大应用。但是,这种埋置无源元件的陶瓷系复合制品也存在一些缺点和问题。由于陶瓷基板的脆性,难以胜任大尺寸的薄型基板,上述埋置无源元件的陶瓷系复合制品似乎是专适用于小型模块或封装。而且,基板在烧成过程中会产生百他这十几的收缩,烧成后又不能对每个元件进行电气检查等,要想埋置高精度元件有一定困难。特别是,电阻体烧成前后不能修边调阻值,难以保证其阻值偏差小于1%。为此,通过将烧成收缩率的分散性抑制在0.1%以下,并开发出x、y方向的烧成收缩率为零的技术,从而使埋置无源元件的参数精度大
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