文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

多芯片封裝技術(shù)

概述

多芯片封裝在現(xiàn)代半導(dǎo)體領(lǐng)域至關(guān)重要，主要分為平面多芯片封裝和多芯片堆疊封裝。多芯片堆疊封裝又細(xì)分為多芯片3D堆疊引線鍵合封裝、3D堆疊引線鍵合和倒裝異質(zhì)封裝、3DTSV堆疊倒裝封裝等。

在實(shí)際應(yīng)用中，智能設(shè)備的存儲(chǔ)芯片需求推動(dòng)著封裝技術(shù)發(fā)展。存儲(chǔ)芯片用于保存程序代碼，在電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，要求存儲(chǔ)容量大、產(chǎn)品尺寸小。將多個(gè)薄芯片通過垂直堆疊、引線鍵合互連和塑封結(jié)構(gòu)封裝，可滿足高密度、低成本的存儲(chǔ)封裝設(shè)計(jì)要求。調(diào)制解調(diào)器（Modem）則需要小型化與模塊化集成，引線鍵合和倒裝互連技術(shù)結(jié)合的芯片堆疊異質(zhì)封裝結(jié)構(gòu)能滿足其需求。雖然3D TSV堆疊倒裝封裝可大幅提升性能，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，難以廣泛應(yīng)用，所以多芯片堆疊引線鍵合互連以及多芯片堆疊封裝與引線鍵合異質(zhì)互連仍是主流。

封裝體內(nèi)裸芯片堆疊

1.早期常見堆疊方案

金字塔形：封裝、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，下層芯片可有效支撐上層芯片引線鍵合，具有高良率、高穩(wěn)定性、低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。但僅適用于不同尺寸芯片疊裝，因?qū)π酒叽缫筇厥猓苌儆糜谒膶右陨闲酒询B。

工字形：設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，可使用較小尺寸封裝體，但添加間隔硅片增加了產(chǎn)品成本和封裝體總體高度，主要用于四層以內(nèi)芯片疊裝。

階梯式：封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、良品率高，但需較大封裝空間，包封易出現(xiàn)空洞問題，對(duì)焊線穩(wěn)定性、工藝空間及設(shè)備穩(wěn)定性與精度要求高，主要用于存儲(chǔ)產(chǎn)品封裝。

早期芯片堆疊的兩種方式

2.階梯式回旋裸芯片堆疊

相比階梯式堆疊，階梯式回旋裸芯片堆疊能有效解決過長(zhǎng)焊線導(dǎo)致的焊線位置穩(wěn)定性不良和封裝體體積增大問題。其優(yōu)勢(shì)明顯，如堆疊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、封裝體尺寸小、堆疊體強(qiáng)度高、封裝工藝簡(jiǎn)單、堆疊體高度易控制、包封過程不易產(chǎn)生氣泡，適用于相同尺寸芯片的多層堆疊。

3.基于焊線堆疊的其他方式

基于焊線堆疊是成本較低、良率較高的芯片堆疊方式。根據(jù)芯片大小和堆疊方式，可分為金字塔形堆疊、臺(tái)階互連、十字交錯(cuò)互連、基于隔離硅片的互連、采用芯片黏結(jié)膜作為隔離層的互連、采用具有焊線穿透能力的芯片黏結(jié)膏（DAP）或芯片黏結(jié)薄膜（DAF）作為隔離層的互連 。除金字塔形堆疊外，其他方式適合同尺寸芯片。從互連焊點(diǎn)看，不同層芯片間互連分為通過焊線直接連接和基板互連（不同層芯片連接到基板焊盤，通過基板布線實(shí)現(xiàn)組合互連 ）。不過，隨著堆疊層數(shù)增加，引線密度和長(zhǎng)度增加，會(huì)導(dǎo)致寄生電感增加、功率增加、帶寬降低，且引線鍵合數(shù)量和芯片厚度受限。

主要相關(guān)工藝技術(shù)

1.裸芯片貼裝位置精度

多芯片3D堆疊時(shí)，裸芯片對(duì)齊要求高。受封裝體高度限制，芯片厚度變薄，面臨翹曲等挑戰(zhàn)。兩層裸芯片位置精度要求控制在 -15~+15um 。為實(shí)現(xiàn)多芯片高精度裝片，采用一次工藝裝片系統(tǒng)（OPAS）技術(shù)，通過調(diào)整一個(gè)方向裝片位置實(shí)現(xiàn)梯形堆疊，要求治具、設(shè)備、機(jī)臺(tái)一致性好，確保裝片位置高精度、穩(wěn)定、重復(fù)。

2.晶圓減薄技術(shù)

在封裝中，為控制堆疊體高度，常需對(duì)多層堆疊芯片減薄，一般減薄至35 - 100um ，目前已有25um量產(chǎn)芯片。但存儲(chǔ)芯片成本敏感，過度減薄會(huì)降低裸芯片強(qiáng)度，增加減薄、切割和拾取難度與成本。減薄工藝和后續(xù)集成面臨晶圓碎裂或芯片背面殘留機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致裂片的挑戰(zhàn)，需優(yōu)化減薄輪和工藝參數(shù)，監(jiān)控設(shè)備參數(shù)，維護(hù)設(shè)備與磨輪。為確保減薄質(zhì)量，采用超精密兩步機(jī)械磨削、研磨，結(jié)合化學(xué)與機(jī)械拋光或腐蝕的研磨方法。硅晶圓減薄關(guān)鍵挑戰(zhàn)是60um及以下厚度芯片的微裂紋損傷，尤其是DRAM芯片，量產(chǎn)中常采用濕法或干法拋光消除損傷和殘留應(yīng)力。對(duì)于16nm及以下厚度晶圓技術(shù)節(jié)點(diǎn)硅芯片，需采用雜質(zhì)收集型干法拋光（GDP）工藝避免銅污染并提高芯片強(qiáng)度。傳統(tǒng)減薄工藝后，濕法拋光可去除磨削表面損傷，對(duì)后續(xù)工藝有積極意義。當(dāng)芯片厚度達(dá)50um時(shí)強(qiáng)度明顯降低，易斷裂，可使用預(yù)剝離（PF）技術(shù)，拋棄頂針，用剝離滑塊通過真空吸附滑動(dòng)，使芯片與膜預(yù)脫離，減小黏接力，避免芯片斷裂。

3.膜埋線技術(shù)

在八層階梯式回旋裸芯片堆疊封裝中，第四層和第五層芯片尺寸一致時(shí)，采用鍵合引線植入貼芯片膜（DAF）技術(shù)，即膜埋線（WiF）技術(shù)，將超低弧高鍵合引線埋入DAF中實(shí)現(xiàn)引線保護(hù)。具體是第四層芯片貼裝后進(jìn)行超低弧高引線鍵合，在引線上面貼裝上層芯片，膜受熱融化時(shí)，下層芯片引線絲被埋入融化的DAF中。

4.鍵合引線超低弧高技術(shù)

堆疊芯片數(shù)量增加時(shí)，為保持封裝體總體高度不變，需減小引線環(huán)形層間隙，降低較低層引線鍵合弧高防止引線短路，同時(shí)控制頂層芯片引線弧高防止引線絲露出塑封體背面。目前40mm以下弧高的低弧度鍵合引線工藝已用于芯片量產(chǎn)，如優(yōu)化的超低弧高引線倒打工藝可使直徑20um的引線弧高低至40um 。

5.其他先進(jìn)堆疊技術(shù)

基于倒裝 + 焊線的堆疊：在3D封裝中，倒裝互連常與引線互連結(jié)合使用，倒裝可在上或在下。

基于硅通孔的3D封裝：硅通孔技術(shù)通過在硅圓片制作垂直互連孔，用銅、多晶硅或鎢等導(dǎo)電物質(zhì)填充實(shí)現(xiàn)電信號(hào)貫通，芯片疊層時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直互連 。

薄芯片集成3D封裝（TCI）：TSV技術(shù)雖先進(jìn)但成本高、工藝難，M.Topper等基于晶圓級(jí)工藝發(fā)展了TCI工藝 。關(guān)鍵工藝包括在厚基座晶圓焊盤形成第一層金屬化TiW/Cu；在基座晶圓形成第一層圖案化的BCB，粘貼超薄芯片（20 - 40μm ）；涂覆并圖形化第二層BCB（平坦化層 ）；制作第二層金屬化Cu布線；涂覆并圖形化第三層BCB；在BCB開口處形成第三層金屬Cu - Ni - Au焊盤；在焊盤上倒裝其他器件 。該工藝與常規(guī)晶圓級(jí)封裝工藝兼容，本質(zhì)是將超薄芯片埋入底座晶圓表面后再布線互連，薄膜導(dǎo)線技術(shù)與CMOS工藝兼容，能實(shí)現(xiàn)無源器件集成、高互連密度、短互連，有效控制線路阻抗，溫度循環(huán)可靠性較好。

芯片堆疊后埋入（EMWLP）：2008年，Vaidyanathan Kripesh等報(bào)道了多芯片埋入式微晶圓級(jí)封裝（EMWLP），即3D EMWLP ，本質(zhì)是多芯片堆疊的芯片先裝FOWLP，芯片堆疊、模壓前在焊盤制作銅柱 。工藝流程包括在承載晶圓片貼黏結(jié)載帶；將不同芯片（每個(gè)芯片I/O設(shè)置電鍍銅柱 ）由大到小依次堆疊到承載晶圓；模塑；研磨銅；分離承載晶圓；剝離黏結(jié)載帶；制作再布線和植球 。

多芯片堆疊封裝存在芯片高精度裝片、超低線弧、超薄芯片、多層堆疊厚度和超高密度封裝等技術(shù)難點(diǎn)，通過開發(fā)應(yīng)用15um裝片精度、超薄晶圓減薄、超薄芯片拾取、膜埋線、超低引線弧高等技術(shù)可有效克服。