新一代層疊封裝（PoP）的發(fā)展趨勢及翹曲控制

1 簡介

當(dāng)今半導(dǎo)體集成電路(IC)的新增長點，已從傳統(tǒng)的機(jī)算機(jī)及通訊產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向便攜式移動設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦及新一代可穿戴設(shè)備。集成電路封裝技術(shù)也隨之出現(xiàn)了新的趨勢，以應(yīng)對移動設(shè)備產(chǎn)品的特殊要求，如增加功能靈活性、提高電性能、薄化體積、降低成本和快速面世等。

層疊封裝(PoP, Package-on-Package, 見圖 1)就是針對移動設(shè)備的IC封裝而發(fā)展起來的可用于系統(tǒng)集成的非常受歡迎的三維疊加技術(shù)之一[1,2]。PoP由上下兩層封裝疊加而成，底層封裝與上層封裝之間以及底層封裝與母板(Motherboard)之間通過焊球陣列實現(xiàn)互連。通常，系統(tǒng)公司分別購買底層封裝元件和上層封裝元件，并在系統(tǒng)板組裝過程中將它們焊接在一起。層疊封裝的底層封裝一般是基帶元件，或應(yīng)用處理器等，而上層封裝可以是存儲器等。

同傳統(tǒng)的三維芯片疊加技術(shù)相比，PoP結(jié)構(gòu)尺寸雖稍大，但系統(tǒng)公司可以擁有更多元件供應(yīng)商，并且由于PoP底層和上層的元件都已經(jīng)通過封裝測試，良率有保障，因此PoP的系統(tǒng)集成既有供應(yīng)鏈上的靈活性，也有成本控制的優(yōu)勢。事實證明，PoP為系統(tǒng)集成提供了低成本的解決方案。

為了進(jìn)一步利用PoP技術(shù)的優(yōu)勢，系統(tǒng)公司可以同芯片供應(yīng)商與封裝公司合作，對PoP底層或上層元件進(jìn)一步集成，以滿足其產(chǎn)品需要。例如，基帶芯片和應(yīng)用處理器芯片可以集成在PoP的底層封裝里。

隨著集成度及電性能要求的進(jìn)一步提高，以及超薄化的需求，PoP封裝技術(shù)也不斷發(fā)展創(chuàng)新，開始進(jìn)入新的一代。本文將介紹分析這一領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢。

封裝技術(shù)的進(jìn)一步超薄化使得封裝翹曲成為一大問題。封裝中使用了各種不同的材料，如芯片、基板、塑封等，這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE，Coefficient of Thermal Expansion)。當(dāng)整個封裝經(jīng)歷溫度變化時，例如從封裝過程時的高溫降到室溫，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)不同，伸縮不一致，從而導(dǎo)致封裝產(chǎn)生翹曲，圖2簡易地說明了這一原理。當(dāng)封裝變薄后，鋼性顯著降低，更容易變形，使得翹曲顯著加大。

過大的翹曲會使得PoP封裝在表面焊接(SMT)組裝過程中，底層封裝與母板之間，或者底層和上層封裝之間的焊錫球無法連接，出現(xiàn)開路，見圖3。

翹曲已成為影響PoP組裝良率的關(guān)鍵因素。超薄化的趨勢使得翹曲問題更加突出，成為一個阻礙未來PoP薄化發(fā)展的瓶頸。因此，各種新的技術(shù)和材料不斷出現(xiàn)，用以降低封裝的翹曲。在這篇文章中，我們將介紹翹曲控制方面的發(fā)展趨勢。文章更進(jìn)一步從一組超薄PoP試驗樣品，以及其它一些實際產(chǎn)品數(shù)據(jù)中，分析探討超薄后可能出現(xiàn)的翹曲大小，以及超薄封裝所帶來的相應(yīng)的設(shè)計、材料、生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)。

2 層疊封裝(PoP)的發(fā)展趨勢

新一代層疊封裝的發(fā)展趨勢可以概括為：

IC集成度進(jìn)一步提高，芯片尺寸不斷加大，芯片尺寸與封裝尺寸比例不斷提高，使得封裝翹曲也隨之增加。

對封裝的電性能要求進(jìn)一步提高，倒裝芯片技術(shù)(flip chip)應(yīng)用普及，已代替了傳統(tǒng)的焊線(wire bond)技術(shù)。更先進(jìn)的則采用銅柱技術(shù)(Copper Pillar)，以進(jìn)一步縮小焊點間距。

同一芯片針對不同應(yīng)用及客戶要求采用不同封裝尺寸。這使得封裝材料也應(yīng)隨之而改變，優(yōu)化。另一方面，有時客戶為了提高IC制造良率和產(chǎn)出率，或者應(yīng)用的靈活性，會把一顆大集成度的系統(tǒng)芯片分割成幾顆小芯片，但仍然要求封裝在同一封裝里。這些都使得封裝難以采用傳統(tǒng)的統(tǒng)一的材料系統(tǒng)，而必須定制優(yōu)化。

PoP底層和上層之間互連的間距(pitch)縮小。傳統(tǒng)PoP采用0.5 mm或以上間距，現(xiàn)在多采用0.4 mm間距。不遠(yuǎn)的將來，0.3 mm間距將出現(xiàn)。間距的縮小使得上下層互連的焊錫高度產(chǎn)生問題。傳統(tǒng)PoP采用焊錫球作為上下層的互連，依靠焊錫球在回流液態(tài)下自身的表面張力形成焊球高度。這一高度必須大于底層封裝芯片和塑封厚度，否則就會出現(xiàn)焊球開路。在間距縮小、焊球直徑減小的情況下，這一高度要求難以達(dá)到，必須開發(fā)新的技術(shù)。

在超薄化趨勢下，PoP封裝的各層材料厚度要求越來越薄。圖4顯示了基板(substrate)和塑封(EMC)厚度的薄化趨勢?；搴穸纫褟某Ｒ姷?.3 mm薄化到0.2 mm左右，甚至0.13 mm。而塑封厚度則從0.28 mm降至0.2 mm和0.15 mm。至于芯片本身，厚度也已達(dá)0.1 mm以下，0.05 mm芯片也將出現(xiàn)。封裝薄化帶來的最大問題就是封裝翹曲顯著增加。許多新的POP技術(shù)的開發(fā)及新材料的應(yīng)用也是針對降低封裝翹曲。

順應(yīng)上述趨勢，POP在封裝技術(shù)和材料使用上也出現(xiàn)新的發(fā)展。

在封裝技術(shù)上，相繼出現(xiàn)了裸芯倒裝的底層封裝(PSfcCSP)和穿塑孔技術(shù)(TMV, Through-Mold-Via)，見圖5。裸芯倒裝的翹曲一般會較大。穿塑孔技術(shù)彌補(bǔ)了這一缺點。穿塑孔技術(shù)是在傳統(tǒng)的塑封基礎(chǔ)上，在上下層封裝互連焊接點處打孔穿透塑封，再通過焊錫球柱形成上下層連接[3-5]。穿塑孔技術(shù)具有一些顯著優(yōu)點。首先，它可以通過塑封材料降低封裝翹曲，可以使用更高的芯片/封裝尺寸比，這就使得更大芯片的封裝成為可能。其次，上下層封裝互連的焊錫球因為有塑封的支撐和間隔可以使用更細(xì)的互連間距。

為進(jìn)一步薄化TMV塑封層，現(xiàn)在又出現(xiàn)了裸芯的TMV(Exposed-die TMV)，即把塑封層高度設(shè)計成與芯片平齊，使芯片頂部裸露。這樣整個封裝的高度可以進(jìn)一步降低，但翹曲相對也會增加一些。

為降低封裝翹曲，各種新的材料也不斷出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在材料特性的改善上。圖6顯示了基板核(Core)以及塑封(EMC)的熱膨脹系數(shù)(CTE)的發(fā)展趨勢。在基板方面，熱膨脹系數(shù)低的基板核有利于降低大芯片封裝翹曲，因此新的基板核材料的熱膨脹系數(shù)在不斷降低。原來標(biāo)準(zhǔn)的基板核熱膨脹系數(shù)一般在15-17 ppm左右，然后出現(xiàn)了CTE在9-12 ppm之間的低CTE基板核，現(xiàn)在CTE在5-7 ppm間的超低基板核也已相當(dāng)普及，最新一代的已接近2-4 ppm。與此同時，塑封材料的CTE特性則不斷升高，各種高CTE的塑封材料也層出不窮，常溫下的CTE值已從原有的10 ppm左右升至20-30 ppm之間。這些新材料的研發(fā)極大地幫助改善了因薄化而產(chǎn)生的翹曲問題。

為了探索封裝超薄化后可能出現(xiàn)的翹曲情況，以及超薄所帶來的相應(yīng)的設(shè)計、材料、生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)，我們設(shè)計并實際組裝了一組超薄TMV試驗樣品，見圖7。

表1中所列為試驗設(shè)計參數(shù)。芯片厚度為60μm，相應(yīng)的塑封層厚度采用0.15 mm厚。分別使用了兩種基板設(shè)計：一種為4層板共計0.23 mm厚，另一種為2層板共計0.17 mm厚。整個封裝大小尺寸為12 mm。為了研究不同芯片大小尺寸對翹曲的影響，我們使用了三種從小到大的芯片尺寸，分別為5 mm，6.5 mm，8.7 mm。在材料使用上，采用了一種超低CTE的基板和一種高CTE的塑封組合。

圖8和圖9分別顯示了使用4層0.23 mm基板和2層0.17 mm基板封裝不同尺寸芯片時的翹曲數(shù)值。這些翹曲數(shù)值是通過莫爾條紋投影儀(shadow moiré) 測量的平均值。根據(jù)業(yè)界慣例，正值翹曲表示翹曲為凸形，而負(fù)值翹曲表示翹曲為凹形，如圖中所示。