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製造/封裝  

多晶片封裝的低成本批量生產製程

上網時間: 2001年10月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:multichip packaging  多晶片封裝  thin-film MCP  薄膜多晶片封裝  silicon substrate 

高密度薄膜和多晶片封裝有很多優點,但以往,由於過高的生產成本限制了它的應用。本文介紹一種新型製作製程,可用較低的成本來進行多晶片封裝件的大批量生產。

不久以前,高密度薄膜和多晶片封裝(MCP)還被認為只是一種用於太空、軍事、高階伺服器以及大型主機等系統的新型技術。這種技術可以減小最終封裝件及系統的尺寸和重量、減少故障提高可靠性、使用更短和負載更輕的信號線增加速度,並使系統具有良好的熱性能。

如今,薄膜MCP的各種優點已能夠在價格低廉的商用和消費類產品中實現,為批量生產而開發的低成本精簡線薄膜生產製程,使這項技術由實驗室進入到了工廠量產階段。這種新製程採用矽片覆膜高密度互連基板,對於裝配車間來說看上去感覺就像是另一個晶片一樣。它把用不同製程製造的元件整合在一個封裝內,在功能上滿足市場快速變化的要求,並在不改變封裝引腳尺寸的前提下提高設計的性能。

大批量MCP應用

目前Strand Interconnect公司每周要向位於德國慕尼黑的億?科技公司(Infineon Technologies)交付28萬塊基片,該產品採用52腳塑料雙列直插(PDIP)封裝,用於消費類產品。它包含一個微控制器和一個快閃晶片,在一塊兩層薄膜基底上用引線連在一起。電源和接地採用“粗”線,信號線很短,所以不需要控制阻抗。

該項設計的成功之處在於最終封裝成本低、樣品製作快以及基片能夠大批量供應,很多人都無法相信可將一個52腳PDIP用作高技術多晶片模組(MCM),這在如今對價格敏感的市場上,的確是一個非常好的低成本解決方案。選用矽基底薄膜技術可以使用現成的衝壓導線架、標準的晶圓背磨、劃片和鋸片設備、標準貼放工具以及藉由驗証的貼片製程,從而使得組裝更為容易。與其它薄膜基底、高溫共燒陶瓷(HTCC)、低溫共燒陶瓷(LTCC)和BT基載體相比,使用HDI/薄膜基底的最終封裝件成本最低。

這種特殊設計原本使用單晶片系統(SoC)結構,將程式固化在整合的ROM內,但由於OEM的軟體工程師在量產前無法得到無錯誤軟體的最終版本,迫使OEM只能選一種可重編程的型號用於批量生產,而使用不太容易大批量生產的嵌入式閃速記憶體製程。用嵌入式快閃記憶體製程將使設計比標準快閃記憶體大,另外對新製程進行調整也會使產量低於預期值,所以最終還是採用更為有效的封裝方式,即在一個矽基片上放兩個晶片。

薄膜製程流程

首先在一個200mm(8英寸)晶圓上作4個鋁層(兩個互連層和兩個電源層),中間用苯環丁烯(BCB)絕緣層隔開。電源層金屬濺射厚度為1μm,信號層為3μm,濺射的鋁符合半導體規範要求(含0.5%銅),線寬為20μm,線距為25μm,電源層之間介質厚度為3μm,信號層之間為7μm。BCB的介電常數很低,只有2.65,耗散因子也低至0.0008。對於速度為10GHz的信號,它的性能有點類似陶瓷,但頻率再高上去其性能就開始下降,在95GHz時1cm線上會有3dB衰減。因為金屬層很薄,所以存在一定的直流電阻,約為5Ω/cm,這一點在設計時要考慮到,遠端應用應使用較短的佈線,但它對改善系統內的耗散噪音有一定幫助。設計中使用的通孔直接在BCB上作出。

製作使用50μm焊盤和30μm導孔,孔壁略為傾斜,接觸點約為20μm。通孔電阻很小,能藉由較大電流,通孔成形過程比目前90%設計製程都要好。BCB每層形成後都要藉由一次軟固化,最後一次固化溫度為250℃。固化使疊層各層相互連接,形成一個中間有引線的固化BCB。基底材料耐溫性使之可用於無鉛貼裝製程,包括倒裝晶片晶片貼裝製程。另外還有一種熱通孔用於直接連接矽晶圓載體,並為大功率元件提供一個低阻熱通道。該項製程的主要工序為:旋轉塗覆、熱固化、濺射、光罩對位和UV曝光、顯影、濕法及乾法刻蝕。基片以晶圓形式提供給最終用戶。

低成本製程

這種薄膜製程首先由瑞典的ACREO研究所開發,他們在一塊非常大的基片上放入整個電腦系統,並作在一個封裝?用於軍用飛機,晶圓尺寸相對於基片不算大,所以主要的工作是提高基片的良率和連線可靠性。這種製程只需很少的工序並具有極佳可靠性,例如選擇BCB這類光敏聚合物在薄膜製造中可省去多個光刻膠剝離工序;此外,與其他技術中使用的複雜電鍍製程相比,這?的金屬濺射也只是一個單步工序。

整個製程在一個大容量潔淨室生產線上進行,生產線裝在一個以較低租金租用並經改裝的軍用飛機吊艙內,同時回收利用半導體工業廢棄的晶圓,進一步減少了固定費用。生產線使用嶄新的200mm晶圓製程設備,重點放在提高設備生產率和晶圓輸送自動化上面,減少作業者干預並降低製程成本。生產現場每班只有三個作業員,工廠中只進行基片樣品測試,大批量測試放在外面費用更低的互連測試商處進行。

趨勢及未來展望

小型MCP的成長需求來自於一些大批量應用消費類產品,如行動電話、掌上電腦和上網裝置、MP3播放機以及其它手持裝置,這些產品不僅對價位很敏感,而且要求有較短的產品和改進周期,而這兩個要求單晶片系統ASIC技術和嵌入式記憶體技術製造製程卻又無法滿足。低成本多晶片封裝可作為這些市場所追求的“快速廉價”解決方案,許多來自半導體供應商和OEM的應用都要求將一個快閃記憶體和一個邏輯電路,如微處理器、DSP或ASIC結合在一起。這些非常簡單的MCP設計裝配和測試良率都大於98%,避免了“原本好晶片後來又不好”(KGD)之類的問題。今後還將把晶片以覆晶晶片形式與矽基底相連,或者與一個重新佈線的載體晶片相連用於疊層元件封裝中,這種佈線技術能在制成的半導體晶圓晶片上提供高密度多層再佈線和感應極小的功率分配。最後,在多晶片封裝中將多個覆晶晶片貼到矽基底上,這個基底就可以作為封裝件,再用大的回流焊球或柱將基底貼到線路板上。

本文結論

現在業界對多晶片組裝(MCP)的需求正迅速上升,MCP的產量也在快速成長,未來半年產能將成長三倍。當前最需要的是相關技術、更加嚴格的設計規則、覆晶晶片金屬化、單層焊盤以及輔助工廠設施。目前正在對嵌入式分離元件,如電容、電阻和電感等,裝到基底上對技術和市場的影響進行評估,此外還將對現有製程進行修改以提供高K介質層、高阻金屬濺射和非導電性載體基底材料,這樣避免了大量標準系統元件的庫存,進一步縮小行動和手持系統的體積。

[High Density Interconnect]

作者:Gary Dudeck





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