SIP封裝介紹
SIP稱為系統(tǒng)級封裝技術(shù),根據(jù)國際半導體線路組織(ITRS)的定義:SIP是將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件,以及諸如MEMS或光學器件等其他器件組裝到一起,實現(xiàn)具有一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)的封裝技術(shù)
本文摘自清華大學出版社【芯片SIP封裝與工程設計 ,毛忠宇編著】
SIP封裝介紹其實是在SOC的基礎上發(fā)展起來的一種新技術(shù),它具備優(yōu)化的功能,價格,尺寸,較短的上市周期,還可以實現(xiàn)較高的芯片密度,集成較大值的無源器件,是有效的芯片組合應用,具有顯著的靈活性。當SOC封裝的實現(xiàn)成本過高時,就可以選擇成本更低的SIP。
概括SIP封裝介紹的主要特點如下。
(1)SIP的特點
?可以把不同的IC工藝集成在一起(如Si,GaAs,InP等)。
?不同代工藝的IC可以一起封裝。
?集成有源與無源器件。
?器件可以根據(jù)需要隨時組合,實現(xiàn)功能多樣性。
?提高器件互連的電學性能。
?基板中可以埋入有源或無源器件。
?集成一個或多個SOC。
?開發(fā)周期短。
?功耗更低。
?性能更優(yōu)良。
?成本更低。
?體積更小,重量更輕。
(2)SIP應用領域
?醫(yī)療電子
?汽車電子
?功率模塊
?圖像傳感器
?移動終端
?全球定位系統(tǒng)
(3)SIP封裝組成
SIP由芯片(Die)外加分立元件在基板上集成,當然還有其他的立體堆疊或各種復雜的組合

從架構(gòu)上來講,SIP(System In a Package系統(tǒng)級封裝)是將多種功能芯片,包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內(nèi),從而實現(xiàn)一個基本完整的功能。與SOC(片上系統(tǒng))相對應。不同的是系統(tǒng)級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式,而SOC則是高度集成的芯片產(chǎn)品
SIP是解決系統(tǒng)桎梏的勝負手。把多個半導體芯片和無源器件封裝在同一個芯片內(nèi),組成一個系統(tǒng)級的芯片,而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體,可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲芯片舉例,因為系統(tǒng)級封裝內(nèi)部走線的密度可以遠高于PCB走線密度,從而解決PCB線寬帶來的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言,因為存儲器芯片和處理器芯片可以通過穿孔的方式連接在一起,不再受PCB線寬的限制,從而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口帶寬上的提升。
(4)SIP工藝分析及我們能提供的解決方案
SIP 封裝制程按照芯片與基板的連接方式可分為引線鍵合封裝和倒裝焊兩種。
2.1.引線鍵合封裝工藝
SIP封裝介紹引線鍵合封裝工藝主要流程如下:
圓片→圓片減薄→圓片切割→芯片粘結(jié)→引線鍵合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→終檢→測試→包裝。
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圓片切割——圓片減薄后,可以進行劃片。較老式的劃片機是手動操作的,現(xiàn)在一般的劃片機都已實現(xiàn)全自動化。無論是部分劃線還是完全分割硅片,目前均采用鋸刀,因為它劃出的邊緣整齊,很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。行業(yè)簡稱研磨機,圓片減薄及切割DISCO都可以生產(chǎn),ASM 激光切割機效果很好
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芯片粘結(jié)——已切割下來的芯片要貼裝到框架的中間焊盤上。焊盤的尺寸要和芯片大小相匹配,若焊盤尺寸太大,則會導致引線跨度太大,在轉(zhuǎn)移成型過程中會由于流動產(chǎn)生的應力而造成引線彎曲及芯片位移現(xiàn)象。貼裝的方式可以是用軟焊料(指 Pb-Sn 合金,尤其是含 Sn 的合金)、Au-Si 低共熔合金等焊接到基板上,在塑料封裝中*常用的方法是使用聚合物粘結(jié)劑粘貼到金屬框架上。電阻,電容無源器件使用ASM TX/ASM TXMircon 貼片,Die使用ASM 固晶機粘片機貼裝
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引線鍵合——在塑料封裝中使用的引線主要是金線,其直徑一般為0.025mm~0.032mm。引線的長度常在1.5mm~3mm之間,而弧圈的高度可比芯片所在平面高 0.75mm。鍵合技術(shù)有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術(shù)優(yōu)點是容易形成球形(即焊球技術(shù)),并防止金線氧化。為了降低成本,也在研究用其他金屬絲,如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩種金屬表面緊緊接觸,控制時間、溫度、壓力,使得兩種金屬發(fā)生連接。表面粗糙(不平整)、有氧化層形成或是有化學沾污、吸潮等都會影響到鍵合效果,降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在 300℃~400℃,時間一般為 40ms(通常,加上尋找鍵合位置等程序,鍵合速度是每秒二線)。超聲焊的優(yōu)點是可避免高溫,因為它用20kHz~60kHz的超聲振動提供焊接所需的能量,所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時用于鍵合,就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比,熱超聲焊*大的優(yōu)點是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右(也有人認為可以用100℃~150℃的條件),這可以大大降低在鋁焊盤上形成 Au-Al 金屬間化合物的可能性,延長器件壽命,同時降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進主要是因為需要越來越薄的封裝,有些超薄封裝的厚度僅有0.4mm 左右。所以引線環(huán)(loop)從一般的200 μ m~300 μ m減小到100μm~125μm,這樣引線張力就很大,繃得很緊。另外,在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環(huán)狀電源 / 地線,鍵合時要防止金線與其短路,其*小間隙必須>625 μ m,要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。
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等離子清洗——清洗的重要作用之一是提高膜的附著力,如在Si 襯底上沉積 Au 膜,經(jīng) Ar 等離子體處理掉表面的碳氫化合物和其他污染物,明顯改善了 Au 的附著力。等離子體處理后的基體表面,會留下一層含氟化物的灰色物質(zhì),可用溶液去掉。同時清洗也有利于改善表面黏著性和潤濕性。可以提供等離子清洗機等設備
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液態(tài)密封劑灌封——將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中,將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱(預熱溫度在 90℃~95℃之間),然后放進轉(zhuǎn)移成型機的轉(zhuǎn)移罐中。在轉(zhuǎn)移成型活塞的壓力之下,塑封料被擠壓到澆道中,并經(jīng)過澆口注入模腔(在整個過程中,模具溫度保持在 170℃~175℃左右)。塑封料在模具中快速固化,經(jīng)過一段時間的保壓,使得模塊達到一定的硬度,然后用頂桿頂出模塊,成型過程就完成了。對于大多數(shù)塑封料來說,在模具中保壓幾分鐘后,模塊的硬度足可以達到允許頂出的程度,但是聚合物的固化(聚合)并未全部完成。由于材料的聚合度(固化程度)強烈影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱應力,所以促使材料全部固化以達到一個穩(wěn)定的狀態(tài),對于提高器件可靠性是十分重要的,后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝步驟,一般后固化條件為 170℃~175℃,2h~4h。Molding工藝,可以提供ASM Molding設備
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液態(tài)密封劑灌封——目前業(yè)內(nèi)采用的植球方法有兩種:“錫膏”+“錫球”和“助焊膏”+ “錫球”?!板a膏”+“錫球”植球方法是業(yè)界公認的*好標準的植球法,用這種方法植出的球焊接性好、光澤好,熔錫過程不會出現(xiàn)焊球偏置現(xiàn)象,較易控制,具體做法就是先把錫膏印刷到 BGA 的焊盤上,再用植球機或絲網(wǎng)印刷在上面加上一定大小的錫球,這時錫膏起的作用就是粘住錫球,并在加溫的時候讓錫球的接觸面更大,使錫球的受熱更快更**,使錫球熔錫后與焊盤焊接性更好并減少虛焊的可能。
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表面打標——打標就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標識,包括制造商的信息、國家、器件代碼等,主要是為了識別并可跟蹤。打碼的方法有多種,其中*常用的是印碼方法,而它又包括油墨印碼和激光印碼二種。可以提供激光打碼機,需要控制波長及能量
2.2.倒裝焊工藝
和引線鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個優(yōu)點:
(1)倒裝焊技術(shù)克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題;
(2)在芯片的電源 /地線分布設計上給電子設計師提供了更多的便利;
(3)通過縮短互聯(lián)長度,減小 RC 延遲,為高頻率、大功率器件提供更完善的信號;
(4)熱性能優(yōu)良,芯片背面可安裝散熱器;
(5)可靠性高,由于芯片下填料的作用,使封裝抗疲勞壽命增強;
(6)便于返修。
以下是倒裝焊的工藝流程(與引線鍵合相同的工序部分不再進行單獨說明):圓片→焊盤再分布→圓片減薄、制作凸點→圓片切割→倒裝鍵合、下填充→包封→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→檢查→測試→包裝。
簡單來講,SIP封裝介紹是集合了SMT表面貼裝技術(shù)與半導體封裝技術(shù)的結(jié)合體,分立器件需要Fuji NXT高精度SMT貼片機去貼裝,Die封裝/倒裝需要固晶機/Flipchip倒裝固晶機貼裝,需要焊線機去做引線鍵合的工藝。