SIP封裝介紹

     SIP稱為系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體線路組織（ITRS）的定義：SIP是將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件，以及諸如MEMS或光學(xué)器件等其他器件組裝到一起，實(shí)現(xiàn)具有一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的封裝技術(shù)

                                                                                                                        本文摘自清華大學(xué)出版社【芯片SIP封裝與工程設(shè)計(jì) ，毛忠宇編著】

  SIP封裝介紹其實(shí)是在SOC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它具備優(yōu)化的功能，價(jià)格，尺寸，較短的上市周期，還可以實(shí)現(xiàn)較高的芯片密度，集成較大值的無(wú)源器件，是有效的芯片組合應(yīng)用，具有顯著的靈活性。當(dāng)SOC封裝的實(shí)現(xiàn)成本過(guò)高時(shí)，就可以選擇成本更低的SIP。

     概括SIP封裝介紹的主要特點(diǎn)如下。

（1）SIP的特點(diǎn)

?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(wú)源器件。

?器件可以根據(jù)需要隨時(shí)組合，實(shí)現(xiàn)功能多樣性。

?提高器件互連的電學(xué)性能。

?基板中可以埋入有源或無(wú)源器件。

?集成一個(gè)或多個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域

?醫(yī)療電子

?汽車電子

?功率模塊

?圖像傳感器

?移動(dòng)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(dāng)然還有其他的立體堆疊或各種復(fù)雜的組合

從架構(gòu)上來(lái)講，SIP(System In a Package系統(tǒng)級(jí)封裝)是將多種功能芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。與SOC（片上系統(tǒng)）相對(duì)應(yīng)。不同的是系統(tǒng)級(jí)封裝是采用不同芯片進(jìn)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(fù)手。把多個(gè)半導(dǎo)體芯片和無(wú)源器件封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)，組成一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的芯片，而不再用PCB板來(lái)作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因?yàn)镻CB自身的先天不足帶來(lái)系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問(wèn)題。以處理器和存儲(chǔ)芯片舉例，因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)封裝內(nèi)部走線的密度可以遠(yuǎn)高于PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來(lái)的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言，因?yàn)榇鎯?chǔ)器芯片和處理器芯片可以通過(guò)穿孔的方式連接在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實(shí)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(biāo)→分離→終檢→測(cè)試→包裝。

• 圓片減薄——圓片減薄是指從圓片背面采用機(jī)械或化學(xué)機(jī)械（CMP）方式進(jìn)行研磨，將圓片減薄到適合封裝的程度。由于圓片的尺寸越來(lái)越大，為了增加圓片的機(jī)械強(qiáng)度，防止在加工過(guò)程中發(fā)生變形、開裂，其厚度也一直在增加。但是隨著系統(tǒng)朝輕薄短小的方向發(fā)展，芯片封裝后模塊的厚度變得越來(lái)越薄，因此在封裝之前一定要將圓片的厚度減薄到可以接受的程度，以滿足芯片裝配的要求。

• 圓片切割——圓片減薄后，可以進(jìn)行劃片。較老式的劃片機(jī)是手動(dòng)操作的，現(xiàn)在一般的劃片機(jī)都已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。無(wú)論是部分劃線還是完全分割硅片，目前均采用鋸刀，因?yàn)樗鼊澇龅倪吘壵R，很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。行業(yè)簡(jiǎn)稱研磨機(jī)，圓片減薄及切割DISCO都可以生產(chǎn)，ASM 激光切割機(jī)效果很好

• 芯片粘結(jié)——已切割下來(lái)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(huì)導(dǎo)致引線跨度太大，在轉(zhuǎn)移成型過(guò)程中會(huì)由于流動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)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(wú)源器件使用ASM TX/ASM TXMircon 貼片,Die使用ASM 固晶機(jī)粘片機(jī)貼裝

• 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(zhǎng)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(diǎn)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(lái)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(shí)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(xué)沾污、吸潮等都會(huì)影響到鍵合效果，降低鍵合強(qiáng)度。熱壓焊的溫度在 300℃~400℃，時(shí)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(diǎn)是可避免高溫，因?yàn)樗?0kHz~60kHz的超聲振動(dòng)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(shí)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(diǎn)是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右（也有人認(rèn)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(zhǎng)器件壽命，同時(shí)降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進(jìn)主要是因?yàn)樾枰絹?lái)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(shí)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。

• 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?xì)浠衔锖推渌廴疚?，明顯改善了 Au 的附著力。等離子體處理后的基體表面，會(huì)留下一層含氟化物的灰色物質(zhì)，可用溶液去掉。同時(shí)清洗也有利于改善表面黏著性和潤(rùn)濕性。可以提供等離子清洗機(jī)等設(shè)備

• 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(yù)成型塊在預(yù)熱爐中加熱（預(yù)熱溫度在 90℃~95℃之間），然后放進(jìn)轉(zhuǎn)移成型機(jī)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(guò)澆口注入模腔（在整個(gè)過(guò)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(guò)一段時(shí)間的保壓，使得模塊達(dá)到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過(guò)程就完成了。對(duì)于大多數(shù)塑封料來(lái)說(shuō)，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達(dá)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(qiáng)烈影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱應(yīng)力，所以促使材料全部固化以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)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(shè)備

• 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”。“錫膏”+“錫球”植球方法是業(yè)界公認(rèn)的*好標(biāo)準(zhǔn)的植球法，用這種方法植出的球焊接性好、光澤好，熔錫過(guò)程不會(huì)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(jī)或絲網(wǎng)印刷在上面加上一定大小的錫球，這時(shí)錫膏起的作用就是粘住錫球，并在加溫的時(shí)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。

• 表面打標(biāo)——打標(biāo)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(biāo)識(shí)，包括制造商的信息、國(guó)家、器件代碼等，主要是為了識(shí)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(jī)，需要控制波長(zhǎng)及能量

• 分離——為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)約材料，大多數(shù) SIP 的組裝工作都是以陣列組合的方式進(jìn)行，在完成模塑與測(cè)試工序以后進(jìn)行劃分，分割成為單個(gè)的器件。劃分分割可以采用鋸開或者沖壓工藝，鋸開工藝靈活性比較強(qiáng)，也不需要多少專用工具，沖壓工藝則生產(chǎn)效率比較高、成本較低，但是需要使用專門的工具。

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(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）倒裝焊技術(shù)克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問(wèn)題；

（2）在芯片的電源 /地線分布設(shè)計(jì)上給電子設(shè)計(jì)師提供了更多的便利；

（3）通過(guò)縮短互聯(lián)長(zhǎng)度，減小 RC 延遲，為高頻率、大功率器件提供更完善的信號(hào)；

（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(qiáng)；

（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(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明）：圓片→焊盤再分布→圓片減薄、制作凸點(diǎn)→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(biāo)→分離→檢查→測(cè)試→包裝。

• 焊盤再分布——為了增加引線間距并滿足倒裝焊工藝的要求，需要對(duì)芯片的引線進(jìn)行再分布。

• 制作凸點(diǎn)——焊盤再分布完成之后，需要在芯片上的焊盤添加凸點(diǎn)，焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)可采用電鍍法、化學(xué)鍍法、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍法廣泛，其次是焊膏印刷法。

• 倒裝鍵合、下填充——在整個(gè)芯片鍵合表面按柵陣形狀布置好焊料凸點(diǎn)后，芯片以倒扣方式安裝在封裝基板上，通過(guò)凸點(diǎn)與基板上的焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接，取代了WB和TAB 在周邊布置端子的連接方式。倒裝鍵合完畢后，在芯片與基板間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行填充，可以減少施加在凸點(diǎn)上的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，比不進(jìn)行填充的可靠性提高了1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。

簡(jiǎn)單來(lái)講，SIP封裝介紹是集合了SMT表面貼裝技術(shù)與半導(dǎo)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(jī)去貼裝，Die封裝/倒裝需要固晶機(jī)/Flipchip倒裝固晶機(jī)貼裝，需要焊線機(jī)去做引線鍵合的工藝。