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Advanced packging to enable HI(先进封装)
在单个封装中集成多个芯片或芯粒的必要性引起了人们对先进封装技术开发的极大关注,半导体工程师和物理学家投入了大量精力进行研发。在更小的占地面积内容纳更多数量的硅芯片需要垂直和水平堆叠,包括额外的引线键合、密集封装的小型凸块、更高的布线复杂度以及来自相邻信号路径的潜在干扰。各种封装技术的出现可以解决这些设计挑战,从而推进 HI的发展。下面讨论一些常见的封装技术:
1)传统封装:传统封装装是指已广泛使用的传统封装方法。这些技术包括双列直插式封装 (DIP)、四角扁平封装 (QFP) 和小外形集成电路 (SOIC)。虽然传统封装很好地服务于该行业,但它在尺寸、功耗和信号完整性方面存在一定的局限性。然而,传统封装仍然在特定领域得到应用,例如低成本设备或性能要求较低的应用。
2)倒装封装:为了增强芯片的性能和效率并减少互连,需要将芯片放置得更近。在倒装芯片球栅阵列 (FCBGA) 的封装中,芯片或者天线放置在封装的表面上,数字、模拟或射频IC以单片方式集成到球栅阵列基板的底部。这种方法可以提高电源效率并提高数据传输速率,然而采用这种方法后,热管理成为新的挑战。为了改善连接性并减少寄生,引入了微凸块。
3)晶圆级封装 (WLP):晶圆级封装 (WLP) 是标准芯片封装方法之一,其中薄金属层用于创建再分布层 (RDL)。此外,扇出晶圆级封装 (FOWLP) 已成为毫米波微电子封装的流行方法,FOWLP 通过减小封装的尺寸和厚度,实现了无基板设计,从而增强了射频性能并提供了更大的设计灵活性。然而,由于使用具有不同热膨胀系数 (CTE) 的材料,翘曲对 FOWLP 提出了重大挑战。为了解决这个问题,嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)已成为一种流行的的 FOWLP 技术,实现以合理的成本进行大批量生产。
4)2.5D 封装:在 2.5D 封装中,单独的中介层位于芯粒和封装基板之间。封装应用的流行趋势主要集中在将尖端逻辑和存储元件集成到单个封装中。在这种情况下,内插器的主要功能是促进这些设备之间的高速数据通信。
2.5D 封装的一个很好的例子是台积电开发的晶圆上芯片 (CoWoS)。在 CoWoS 中,多个小芯片或芯片堆叠在硅中介层顶部,硅中介层使用微凸块或硅通孔 (TSV) 连接到基板 [19]。最开始使用倒装芯片或引线接合技术将芯片接合到中介层,此后将中介层附着到基板上。中介层面向芯片的一侧通常包括多个金属层或 RDL,它们将来自芯粒上的 I/O 焊盘的电信号分配到硅中介层上的相应焊盘。在集成不同的芯粒(例如存储器、处理器和基于 MEMS 的传感器)时,基于中介层的 2.5D 封装特别有价值。多家公司开发了自己的 2.5D 封装解决方案,包括内存、处理器和基于 MEMS 的传感器。中介层也采用了多种材料,包括IBM的直接键合异构集成(DBHi)、台积电的本地硅互连(LSI)和日月光的堆叠硅桥扇出基板上芯片(sFO CoS)等。
2.5D 封装的另一种方法涉及使用“桥”在相邻芯片之间建立连接。EMIB(嵌入式多芯片互连桥)是基于桥的 2.5D 封装的一个示例。在此方法中,桥单独制造并嵌入封装基板的空腔内,一些文献将这种基于桥的先进封装解决方案归类为2.3D封装结构,采用具有高 I/O 密度的硅块来创建这些“桥梁”,促进彼此靠近的芯粒之间的互连。由于与基于中介层的 2.5D 封装相比,这种方法具有成本效益,各公司正在积极探索开发自己的桥接解决方案。
5)3D 封装:3D 封装技术通过将一个芯片放置在另一个芯片的顶部来促进半导体芯片的堆叠和互连,通常采用称为 TSV 的垂直连接(图 3),这种方法通常用于在处理器上堆叠存储器或模拟和数字集成电路。英特尔的 Foveros [21] 是 3D 封装技术的一个典型例子,它是一种芯片上芯片 (DoD) 封装,其中使用 TSV 和微凸块堆叠不同的功能芯片,以在各层之间建立电气连接。3D 封装的另一种形式是层叠封装 (PoP),它通常涉及垂直连接两个封装芯片并通过封装通孔 (TPV) 连接它们。PoP 技术在便携式设备中使用的成像传感器和芯片中得到了广泛的应用。
先进芯片封装清洗:
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。
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