堆叠封装工艺的优点

一、空间与重量方面

堆叠封装工艺在空间利用和重量控制上有着显著的优势。例如叠层式3D封装是在垂直于芯片或封装表面的Z方向上实现多层堆叠封装，与传统封装相比，能使系统的尺寸和重量大幅降低，甚至可达到原来的1/40至1/50 。这一特性使得在一些对空间和重量要求苛刻的设备中，如移动设备、航空航天等领域的电子产品，堆叠封装工艺能够大显身手。在这些设备里，每减少一点体积和重量都可能带来性能提升、能耗降低或者功能增加等好处，像手机为了追求轻薄便携，采用堆叠封装工艺可以在有限的空间内集成更多功能部件，而不会过度增加手机的体积和重量 。

二、性能与功耗方面

1. 性能提升

• 在性能方面，多层堆叠的芯片集成度大幅提升，单位面积上的晶体管数量成倍增长。而且多颗芯片垂直互连，这能够提高互连速度、减少响应时间。例如在一些高性能计算场景或者对数据处理速度要求极高的通信设备中，堆叠封装的芯片能够更快地传输和处理数据，提高整个系统的运行效率。

2. 功耗降低

• 从功耗角度看，这种工艺缩短了全局连线，减少了长连线上中继器的数量，从而实现能耗降低。在电池供电的设备如智能手机、平板电脑等中，较低的功耗意味着更长的电池续航时间，这是非常关键的用户体验因素。以智能手表为例，如果内部芯片采用堆叠封装工艺，降低了功耗，就可以减少充电频率，提高用户对产品的满意度 。

三、生产与成本方面

1. 生产灵活性与效率

• 模块中的存储芯片和逻辑芯片可以由不同的商家提供，这大大缩短了产品的生产时间，提高了生产效率。不同的商家可以专注于生产自己擅长的芯片类型，然后通过堆叠封装工艺将它们组合在一起。例如，一家专门生产存储芯片的厂商和一家专注于逻辑芯片的厂商可以合作，快速生产出满足市场需求的集成芯片产品。

2. 成本控制

• 顶层封装模块和底层封装模块的电子元件可以在组装前进行测试并替换，这样能使瑕疵率大大降低，良品比率升高，进而成本也大幅下降。在传统封装工艺中，如果芯片在封装后才发现问题，整个封装体可能就需要报废，而堆叠封装工艺可以在前期对单个模块进行检测和修复，避免了不必要的浪费。而且，通过垂直互连的方式连接上层和下层，减小了引线长度，减少了寄生电容、寄生电感，这不仅有助于提高信号传输速度，还能降低生产成本，因为减少了对高质量、高成本的引线材料的需求 。

四、功能集成方面

堆叠的芯片可以是异质异构的，能够使用不同的工艺，所以多层堆叠能够实现复杂的系统功能，很好地符合未来“新基建”对集成电路的要求。例如，可以将不同功能的芯片，如传感器芯片、处理芯片、存储芯片等通过堆叠封装集成在一起，实现一个小型化但功能齐全的系统。在物联网设备中，一个小的传感器节点可能需要集成多种功能，如感知环境数据、进行数据处理和存储等，堆叠封装工艺就可以满足这种多功能集成的需求。

堆叠封装工艺的缺点

一、工艺复杂性与成本方面

1. 设计复杂

• 堆叠封装工艺的设计相对复杂，例如绑线布局有更多选择，这虽然在一定程度上增加了设计的灵活性，但也使得设计难度加大。设计人员需要考虑更多的因素，如不同芯片之间的连接方式、信号传输的干扰等。在3D堆叠技术中，芯片的布局和互连需要精心规划，以确保各个芯片能够正常工作并且相互协作良好。

2. 成本增加

• 定制堆叠是通过芯片层次工艺高密度化，其设计和制造成本相对较高。而标准商业堆叠采用板卡堆叠、柔性电路连接器联接、封装后堆叠、芯片堆叠式封装等方式，其成本比采用单芯片封装器件的存储器模块高平均15% - 20%。另外，硅通孔（TSV）和晶圆减薄等工艺在堆叠封装中是常用的，但它们也会增加成本。例如TSV技术需要在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，这一过程涉及到特殊的设备和工艺步骤，增加了制造成本 。

二、制造与测试难度方面

1. 制造工艺挑战

• 在制造过程中，晶圆成品率不高的情况下会增加芯片的组装和测试成本。由于堆叠封装涉及到多层芯片的堆叠和互连，任何一层芯片出现问题都可能影响整个封装的成品率。例如，如果在堆叠过程中某一层芯片的对准出现偏差，可能导致后续的连接问题，从而使整个封装体报废。而且，一些关键工艺如芯片减薄、切割和贴合等，对工艺的管控能力要求极高。例如芯片减薄过程中，如果厚度控制不好，会影响后续的堆叠和互连效果；芯片贴合时，芯片位置精度需要控制在很小的范围内，这对设备和工艺的要求非常严格 。

2. 测试与散热困难

• 3D堆栈中芯片的功率传输、分配和冷却更加困难。由于芯片堆叠在一起，热量的散发不像传统封装那样容易，可能会导致芯片温度过高，影响芯片的性能和寿命。同时，对堆叠封装的芯片进行测试也较为复杂，需要特殊的测试设备和方法来检测内部芯片的功能和连接情况。例如在对多层堆叠的芯片进行电气性能测试时，需要准确检测到每一层芯片的信号传输情况，避免信号干扰和误判。

三、可靠性方面

1. 芯片故障影响

• 在裸片堆叠这种方式下，当堆叠中一层电路出现故障时，整个芯片都将出现故障。这是因为裸片堆叠是在芯片层面直接进行堆叠，一层芯片的故障可能会影响到其他层芯片之间的连接或者信号传输，从而导致整个芯片功能失效。

2. 长期可靠性风险

• 由于堆叠封装中芯片之间的距离较近，在长期使用过程中，可能会出现一些可靠性问题，如芯片之间的相互干扰、应力集中等。例如，不同芯片在工作时可能会产生电磁干扰，影响相邻芯片的正常工作；而在温度变化或者受到外部机械应力时，芯片之间的连接可能会受到影响，出现松动或者断裂等情况。

堆叠封装工艺优缺点对比

一、空间与性能对比

1. 空间利用

• 从优点来看，堆叠封装工艺在空间利用上表现出色，能极大地减小封装体的尺寸和重量，这是传统封装工艺难以比拟的。例如在移动设备中，为了在有限的空间内集成更多功能，如处理器、内存、传感器等，堆叠封装可以将多个芯片垂直堆叠，节省大量的平面空间。然而，从缺点角度考虑，在一些封装堆叠方式中，如封装体堆叠，其尺寸可能会相对较大，虽然这种方式在测试和替换方面有优势，但在对空间极度敏感的应用场景下可能不占优势。

2. 性能提升与功耗

• 在性能方面，堆叠封装的优点是多颗芯片垂直互连可提高互连速度、减少响应时间，并且缩短全局连线能降低功耗。但缺点是3D堆栈中的芯片功率传输、分配和冷却困难，这可能会在一定程度上影响芯片的性能发挥，甚至由于散热问题导致芯片性能下降或者寿命缩短。例如在高性能计算设备中，如果散热问题不能得到有效解决，芯片可能会因为过热而降频运行，降低整体的计算性能。

二、成本与生产对比

1. 生产成本

• 优点方面，堆叠封装通过降低瑕疵率、减少引线长度等方式降低了成本。而且能够整合不同商家的芯片，提高生产效率，间接降低成本。但缺点是定制堆叠设计和制造成本高，标准商业堆叠成本也比单芯片封装器件的存储器模块高。在大规模生产中，如果不能有效控制成本，可能会使产品在市场上缺乏竞争力。例如对于一些对成本非常敏感的消费类电子产品，如低端智能手机或者一些物联网终端设备，较高的封装成本可能会限制堆叠封装工艺的应用。

2. 生产灵活性与效率

• 虽然堆叠封装工艺在生产上有灵活性的优势，如可以使用不同商家的芯片进行组合生产，但制造工艺复杂，特别是在晶圆成品率不高时，组装和测试成本会增加。这意味着在生产过程中可能会面临更多的不确定性和风险，需要更严格的工艺管控和质量检测。例如在一些新兴的芯片制造企业中，如果缺乏先进的工艺设备和成熟的工艺技术，可能难以实现高效的堆叠封装生产，导致生产效率低下和成本增加。

三、功能集成与可靠性对比

1. 功能集成

• 堆叠封装工艺的优点是能够实现异质异构芯片的堆叠，从而实现复杂的系统功能。这为多功能集成的电子产品提供了很好的解决方案，如在智能穿戴设备中集成多种传感器、处理器和通信芯片等。然而，这种复杂的功能集成也带来了可靠性方面的挑战。

2. 可靠性

• 其缺点是存在可靠性风险，如裸片堆叠中一层电路故障会影响整个芯片，以及长期使用中芯片间可能出现相互干扰、应力集中等问题。这就需要在设计和制造过程中采取一系列措施来提高可靠性，如优化芯片布局、加强芯片间的隔离、采用可靠的连接材料等。但这些措施可能又会增加成本或者降低生产效率，需要在功能集成和可靠性之间进行权衡。

不同类型堆叠封装工艺的优缺点

一、2.5D封装

1. 优点

• 2.5D封装是将芯片封装到Si中介层上，并利用Si中介层上的高密度走线进行互连。由于Si中介层上没有有源器件，这种技术可以使多颗芯片在同一平面上互连，避免了一些3D堆叠中可能出现的芯片间直接的复杂物理和电气交互问题。例如在一些对信号传输稳定性要求较高的图形处理单元（GPU）或者高端网络处理器中，2.5D封装可以提供相对稳定的信号传输环境，减少信号干扰。同时，这种封装方式相对3D封装来说，可能在散热方面具有一定优势，因为芯片在同一平面上，热量散发相对更容易控制。

2. 缺点

• 2.5D封装没有形成芯片之间的三维堆叠，这意味着在空间利用上不如3D封装高效。在一些对空间要求极为紧凑的应用场景中，可能无法满足需求。而且，Si中介层的引入增加了封装的复杂性和成本，需要额外的工艺步骤来制造和集成中介层，这可能会影响产品的成本竞争力，特别是在大规模生产中，中介层的成本分摊到每个封装体上可能会对产品价格产生较大影响。

二、3D封装

1. 优点

• 3D封装在垂直于芯片或封装表面的Z方向上实现多层堆叠，具有显著的空间节省优势，能够实现高度的集成化。如前面提到的，它可以使系统的尺寸和重量降低为原来的1/40至1/50。在性能方面，多颗芯片垂直互连，提高了互连速度、减少响应时间，并且缩短全局连线，降低了能耗。在功能集成上，可以实现异质异构芯片的堆叠，满足复杂系统功能的需求。例如在一些高端智能手机中，将处理器、内存、图像传感器等不同功能的芯片通过3D封装集成在一起，可以提高手机的整体性能和功能多样性。

2. 缺点

• 3D封装的设计和制造非常复杂。从设计角度，绑线布局等有更多选择，增加了设计难度。在制造方面，如硅通孔（TSV）和晶圆减薄等工艺增加了成本，并且在晶圆成品率不高时会增加芯片的组装和测试成本。同时，3D堆栈中芯片的功率传输、分配和冷却更加困难，这对芯片的长期可靠性和性能有较大影响。例如在一些高性能服务器芯片的3D封装中，如果散热问题解决不好，可能会导致芯片频繁出现故障，影响服务器的正常运行。

三、PiP（Package In Package）封装

1. 优点

• PiP封装是在同一个封装腔体内堆叠多个芯片形成3D封装的一种技术方案。封装内芯片通过金线键合堆叠到基板上，这种方式可以在封装内部实现芯片的堆叠，有助于减小封装体的尺寸。而且在同一个封装腔体内，芯片之间的连接相对较短，有利于提高信号传输速度，减少信号延迟。例如在一些小型化的射频模块中，PiP封装可以将射频芯片、控制芯片等集成在一起，在减小模块体积的同时提高射频性能。另外，由于是在封装内进行芯片堆叠，在一定程度上可以保护芯片免受外界环境的影响，提高芯片的可靠性。

2. 缺点

• PiP封装的缺点之一是金线键合可能会存在一些限制。金线的长度和键合的精度对封装性能有较大影响，如果金线过长或者键合不精确，可能会导致信号传输问题或者增加寄生电容、电感等。而且，在同一个封装腔体内堆叠多个芯片，当其中一个芯片出现故障时，维修和替换相对困难，可能需要将整个封装体拆开，这增加了维修成本和难度。同时，PiP封装的生产效率可能相对较低，因为在封装内进行芯片堆叠需要较为复杂的工艺步骤，相比一些简单的单芯片封装，生产速度可能会受到影响。

四、PoP（Package - on - Package）封装

1. 优点

• PoP封装的主要特征是在芯片上安装芯片，目前常见的安装结构为“球—焊盘”和“球—球”结构。PoP封装一般为两层，通常顶层封装是小中心距。这种封装方式在功能集成方面有优势，可以将不同功能的芯片分层封装，例如在智能手机中，可以将应用处理器和内存芯片分别封装在不同层，方便进行功能组合和升级。而且PoP封装在组装过程中，如果某一层封装出现问题，可以相对容易地进行替换，因为它是在封装层面进行堆叠，不像一些芯片级堆叠那样一旦出现问题整个芯片就可能报废。

2. 缺点

• PoP封装由于是封装体的堆叠，其尺寸相对较大，信号路径较长，这可能会导致其电气特性劣于一些芯片叠层封装。较长的信号路径会增加信号传输的延迟，并且可能会增加信号干扰的可能性。例如在一些对信号传输速度和质量要求极高的高速通信设备中，PoP封装可能不是最理想的选择。另外，PoP封装的成本可能相对较高，因为它涉及到多个封装体的制造和组装，相比于一些单芯片封装或者简单的芯片堆叠封装，其生产工艺相对复杂，成本也会相应增加。

堆叠封装工艺优缺点案例分析

一、智能手机中的堆叠封装

1. 优点体现

• 在智能手机中，堆叠封装工艺的优点得到了很好的体现。例如，采用3D封装或者PiP封装可以将处理器、内存、图像传感器等芯片集成在一起，节省了手机内部的空间，使得手机能够做得更轻薄。同时，由于芯片之间的距离缩短，信号传输速度提高，手机的运行速度和响应时间得到改善。像苹果公司的一些高端iphoness产品，通过先进的堆叠封装技术，在有限的手机空间内集成了高性能的芯片，提升了用户体验。另外，不同功能芯片的集成也使得手机能够实现更多的功能，如高清拍照、快速图像处理等，满足了消费者对多功能智能手机的需求。

2. 缺点挑战

• 然而，堆叠封装也给智能手机带来了一些挑战。例如，随着芯片集成度的提高，散热问题变得更加突出。如果散热措施不到位，手机在长时间使用后可能会出现卡顿或者电池消耗过快的现象。而且，由于智能手机对成本比较敏感，一些高端的堆叠封装技术成本较高，这可能会影响手机的价格竞争力。例如一些采用最新堆叠封装技术的高端智能手机价格相对较高，限制了部分消费者的购买意愿。另外，在维修方面，如果芯片出现故障，由于堆叠封装的复杂性，维修难度和成本都会增加，不像传统单芯片封装那样容易维修。

二、数据中心服务器中的堆叠封装

1. 优点体现

• 在数据中心服务器中，堆叠封装工艺有助于提高服务器的性能和功能密度。例如，采用3D封装技术将多个处理器核心、内存模块等进行堆叠，可以大大提高服务器的计算能力和数据处理速度。同时，通过缩短芯片之间的连线，减少了信号传输的延迟，提高了服务器的响应效率。在服务器这种对空间和性能要求都很高的设备中，堆叠封装能够在有限的机柜空间内集成更多的计算资源，提高数据中心的整体运算能力。而且，一些服务器需要集成多种功能的芯片，如网络接口芯片、存储控制芯片等，堆叠封装可以方便地实现这种功能集成，满足服务器复杂的功能需求。

2. 缺点挑战

• 但是，数据中心服务器中的堆叠封装也面临着一些问题。首先，服务器芯片的功耗较大，3D堆栈中芯片的功率传输、分配和冷却困难的问题更加突出。如果散热问题不能得到有效解决，服务器芯片可能会因为过热而出现故障或者性能下降，影响数据中心的正常运行。其次，服务器对可靠性要求极高，而堆叠封装中芯片间的相互干扰、应力集中等可靠性问题可能会导致服务器出现故障的风险增加。此外，服务器的大规模生产对成本也有一定要求，堆叠封装的高成本可能会增加数据中心的建设和运营成本，需要在性能和成本之间进行权衡。

三、物联网设备中的堆叠封装

1. 优点体现

• 在物联网设备中，堆叠封装工艺的多功能集成优势非常明显。物联网设备通常需要集成传感器、处理器、通信芯片等多种功能的芯片，堆叠封装可以将这些不同功能的芯片集成到一个小的封装体内。

堆叠封装先进芯片封装清洗介绍

·         合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

·         合明科技运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。