裸芯片封装技术的发展与挑战.pdf
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1、- 1 - 第 8 卷第 9 期 收稿日期: 2008- 04- 21 第 7 卷, 第12 期 Vol. 7,No. 12 电子与封装 ELECTRONICS 2. The Research MCM (Mutil Chip Module) ; KGD (Know Good Die) 1 引言 自从1 9 4 7 年世界上第一只晶体管诞生以来, 特 别是随着L S I 、V L S I 及 A S I C 的飞速发展, 随之形成 的各种先进微电子封装技术,如 Q F P 、B G A 、C S P 、 M C M 、T A B 、F C 等,极大地影响并推动着以电子计 算机为核心、 I C 产
2、业为基础的现代信息产业的发展, 使当前I C 及封装产业已成为衡量一个国家国力强盛 的重要标志之一,直接影响着一个国家国民经济的 进步与发展。 现代微电子封装技术已形成与 I C 相适 应的高新技术产业。如今I C 的设计、工艺制作及封 装三者已密不可分, 并相互促进协同发展。 但随着现 代便携式电子产品对微电子封装提出了更高的要求, 其对更轻、 更薄、 更小、 高可靠性、 低功耗的不断追 求推动微电子封装朝着密度更高、尺寸更小的封装 - 2 - 电子与封装第 8 卷第 9 期 方式发展。 微电子封装将从有封装、 少封装向无封装 方向发展,因此裸芯片封装技术便应运而生。 2 裸芯片应用的必然性
3、 人们对于电子产品的小型化、高速度以及高可 靠度的追求推动着 MCM 技术的不断发展,传统的 封装元件由于其体积往往比芯片体积大好几倍,因 而无法实现其对于高集成度系统的目标。MCM技术 正是由于直接引入具有最小原始芯片体积的裸芯片 而得到了快速的发展及应用。此外,裸芯片的直接 使用减少了互连,使得系统的速度大大提高。 2.1 减小体积提高系统集成度 受限于空间制约的系统设计者同时面临如何及 时将市场不断增加的功能需求、尺寸的减小和节省 成本全面兼顾的挑战。根据摩尔定律,芯片的特征 尺寸在不断减小,芯片的实际尺寸也在不断缩小, 因此想要通过改变芯片尺寸来达到减小体积的目的, 这条路已经变得不再
4、实际,而最行之有效的方法只 有通过引入裸芯片才有可能改善系统的封装体积。 将标准的半导体封装芯片换成无封装的裸芯片,使 系统设计者有机会提高对有限空间的使用效率。 通过直接使用裸芯片使得系统的尺寸及重量显 著减小,大大节省了由于芯片封装而引入的体积, 实现了更高的集成度。这是直接使用裸芯片封装与 其他封装形式相比,在物理上获得的最大优势。一 个典型应用案例是使用常规的裸芯片,如图1,18M 的同步SRAM 至少可以节省50% 的空间1。 图1 节省空间示意图 2.2 减小延迟提高系统速度及性能 由于技术的不断进步,芯片的工作速度越来越 快,但是由于封装和电路基板的传输延迟使得系统 的速度得不到
5、相应的提高,因此封装延迟成为决定 系统速度提高的关键因素。传统的SMT 封装技术已 经无法确保系统在高速领域具有良好的传输特性。 解决传输延迟问题的有效手段之一就是采用以裸芯 片封装为主体的 MCM 技术。 MCM 中直接使用裸芯片缩短了用于电路连接 的键合引线长度,使得系统中的通电路径长度缩短 了许多,从而提高了速度。裸芯片的应用在重量和 体积都减小的同时还提供电气性能的改善,这是直 接使用裸芯片封装与其他封装形式相比在电性能上 获得的最大优势。 3 使用裸芯片存在的问题及解决措施 为了更好地说明直接使用裸芯片所带来的一系 列问题,先简单介绍传统封装的作用: (1)为芯片提供机械保护,防止芯
6、片受到机械 损伤; (2)为芯片提供隔离保护,抵制来自腐蚀环境 的各种侵蚀; (3)给元件和其他子系统之间提供电气互连, 这是封装必须实现的最基本目标。然而在去掉这些 封装外壳之后,在无任何保护的情况下,直接使用 裸芯片带来的不良后果是 MCM 成品率的下降和可 靠性的降低。 3.1 KGD提高裸芯片可靠性 虽然市场预测表明 MCM 和裸芯片具有巨大的 市场增长潜力,但是裸芯片的未知质量问题所导致 的MCM 成品率和可靠性的降低却使得MCM 在获得 巨大应用的同时受到极大的限制。裸芯片代替封装 芯片并不是点对点可代替的,将多个裸芯片放置到 同一封装中不可避免会存在一些新的技术问题。同 一封装系
7、统中含有多个裸芯片会增加器件的失效率, 当组件中有任何一个裸芯片出现失效即意味着整个 系统发生失效。图2 示出MCM 的成品率与裸芯片质 量的关系,由图可知,随着MCM 中使用裸芯片数目 的增加,芯片的合格率对组件合格率的影响非常大。 例如当MCM中包含有30个芯片时,当芯片合格率为 99%时,组件合格率为80%;而当芯片合格率为98% 时,组件合格率仅为60%。我们获知芯片合格率仅相 差1%,组件合格率却降低了20%。因此,裸芯片的 质量保障问题是提高 MCM 成品率的关键。 针对这一问题,国外有些公司推出了所谓KGD (Known Good Die)裸芯片产品,即被确认的优质管 芯, 或称
8、已知良好芯片。 国外将KGD芯片定义为 “与 等效的封装元件具有相同质量等级和可靠性水平的 裸芯片” 2。 KGD质量与可靠性保障技术是对裸芯片 进行常温、高温、低温测试和高温老化筛选等试验, - 3 - 第 8 卷第 9 期吴少芳,孔学东,黄 云:裸芯片封装技术的发展与挑战 图2 MCM 的成品率与芯片质量的关系 再经过功能测试和参数测试剔除掉早期失效或存在 缺陷的芯片,保证最后挑选出来的芯片在质量与可 靠性水平上都能达到封装成品的质量与可靠性等级 要求。 图 3 为普通封装产品与KGD 产品生产流程图, 由图可知,两类产品的生产流程既有相同的地方, 也有不同之处。获得KGD 芯片的过程要比
9、获得普通 封装品的过程复杂得多,主要的不同点在于普通芯 片的封装过程在KGD 流程中被芯片临时封装载体代 替,因此在经过对裸芯片进行临时加载、老化、测 试等一系列工序后,必须将芯片从临时封装载体中 取出。这“一进一出”的装 / 卸载过程对裸芯片产 生的影响是不能低估的,原因有二:一是装 / 卸载 过程可能损坏芯片,尤其对那些既脆又薄的芯片; 二是这种临时封装的技术刚处于发展阶段,对于临 时封装载体的材料及其他可能对裸芯片的性能造成 影响的各种因素缺乏充分的考虑。相反,传统的封 装芯片由于其技术的成熟性,封装厂家已经能够很 好地处理及解决此类问题,把封装可能给芯片造成 的影响程度降到最低。 图3
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