三维高密度组装技术的发展及新成果

课题：三维高密度组装技术的发展

及新成果

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三维高密度组装技术的发展及新成果

XXX

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

摘要：三维高密度封装技术是一种可实现电子产品小尺寸、轻重量、低功耗、高性能和低成本的先进封装技术，该技术已广泛用于手机、数码相机、MP4及其他的便携式无线产品, 是微电子学领域的一项重大变革技术，对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域将产生重大影响。随着人们对手持式电子设备不断提出的微型化、多功能化和集成化的需求，转化为采用三维（3D）方式装配印制电路板（PCB）强大推动力。为满足电子产品轻、薄、小以及系统集成的需求,各种新的封装结构正在不断推出. 三维封装(3D packages)愈来愈受到重视。本文概述了三维高密度组装思想在芯片封装领域的应用。

关键词：三维组装技术；3D-MCM；PIP；PoP；TSV；高密度封装；芯片堆叠

Three-dimensional high-density assembly technology

development and new achievements

XXX

(School of Mechanical and Electrical Engineering of the Guilin University of Electronic Technology , Guilin, Guangxi 541004,China)

Abstract: Three-dimensional high-density packaging technology is an enabling electronic products small size, light weight, low power consumption, high performance and low cost advanced packaging technology, which has been widely used in mobile phones, digital cameras, MP4 and other portable wireless products, is a major field of microelectronics revolution technology, the modern computer, automation, communications and other areas will have a significant impact. As people continue to raise handheld electronic device miniaturization, multi-functional and integration requirements, into a three-dimensional (3D) mode assembled printed circuit board (PCB) a strong force. Electronic products to meet the light, thin, small, and system integration requirements, a variety of new packaging structure is being constantly introduced. Dimensional package (3D packages) more and more attention. This article outlines the three-dimensional high-density chip package assembly of thought in the field of application.

Key words: three-dimensional assembly technology, 3D-MCM, PIP, PoP, TSV;high-density packaging, chip stacking

1.三维高密度电子组装发展概述

在某种意义上，电子学近几十年的历史可以看作是逐渐小型化的历史，推动电子产品朝小型化过渡的主要动力是元器件和集成电路IC的微型化。所谓封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上，封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，即芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对集成电路和整个电路系统都起着重要的作用。

随着手机、PDA 、数码相机、MP4等移动消费型电子产品对于功能集成、大存储空间、高可靠性及小型化等封装的要求程度越来越高，及宇航、卫星、计算机及通信等军事和民用领域对提高组装密度、减轻重量、减小体积、高性能和高可靠性等方面的迫切需求,加之3D-MCM在满足上述要求方面具有的独特优点,因此在MCM（多芯片组件）X 、Y平面内的二维封装的基础上，沿Z方向堆叠的更高密度的三维封装技术近年来得到了迅速发展。新的三维封装技术形式，或是将裸芯片，或是将封装体（如MCM）沿z 轴叠层

在一起，这样，在小型化方面就取得了极大的改进。同时，由于z 平面技术总互连长度更短，产生寄生电容更小，因而系统功耗可大幅降低。

2.三维高密度电子组装的类型

三维立体组装就是把IC芯片(MCM片、WSI晶圆规模集成片)一片片叠合起来，利用芯片的侧面边缘或者平面分布，在垂直方向进行互连，将平面组装向垂直方向发展为立体组装。

三维组装可大致分为二类：板级组装和器件级组装。对于板级组装，目前还未见有公开的报导。器件级组装还可细分为三种：埋置型、有源基扳型和叠层型。埋置型是在各类基板内或多层布线中“埋置”SMC/SMD,顶层再贴装SMC/SMD来实现立体封装；有源基板型是Si园片规模集成(WSI)后作为基扳，在其上再实施多层布线，最上层贴装SMC/SMD，实现立体封装；迭层型则是在二维平面电子封装(2D)的基础上，将每一层封装(如MCM)上下层层互连起来，或直接将两个LSI、VLSI面对面“对接”起来完成立体封装。叠层式封装是把平面封装的每一层叠装互连，实现高密度三维封装，叠层式三维封装在研制开发中比较活跃，具体形式将在下文节中做介绍。

三维叠层封装主要分为三种形式: 载体叠层、裸芯片叠层和晶圆叠层。3D裸芯片叠层封装技术主要有多芯片封装( multi-chip packaging,MCP)、内置封装技术( package-in-package , PiP )和叠层封装技术(package-on-package , PoP)。

2.1 MCM（multichip module)多芯片模块封装

为了解决单一的芯片集成度和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样电子组件系统，从而出现了MCM多芯片组件系统。

MCM（MCP）－Multi Chip Module 是单芯片封装在两维空间里的延伸，也是专用集成电路封装的一种模式。MCM 具有系统尺寸小、引线框架互连基板芯片、系统功能强、节省PCB 空间、屏蔽和频率特性好、开发风险小、成本低。

MCM技术是将多个LSI/VLSI/ASIC裸芯片和其它元器件组装在同一块多层互连基板上，然后进行封装，从而形成高密度和高可靠性的微电子组件。根据所用多层布线基板的类型不同，MCM可分为叠层多芯片组件（MCM -L）、陶瓷多芯片组件（MCM -C）、淀积多芯片组件（MCM -D）以及混合多芯片组件（MCM –C/D）等。

多芯片模块。多芯片组件。在这种技术中，IC模片不是安装在单独的塑料或陶瓷封装（外壳）里，而是把高速子系统（如处理器和它得高速缓存）的IC模片直接绑定到基座上，这种基座包含多个层所需的连接。MCM是密封的，并且有自己的用于连接电源和接地的外部引脚，以及所处系统所需要的那些信号线。将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术。CM是在混合集成电路技术基础上发展起来的一项微电子技术，其与混合集成电路产品并没有本质的区别，只不过MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的体积，可以说MCM属于高级混合集成电路产品。

2.1.1 MCM与MCP

最近两三年来，MCM技术通过少芯片封装(FCP)形式获得了新生。FCP有时也称为多重芯片封装(MCP)，已有越来越多公司出于技术和商业原因正在接受FCP。虽然这些FCP看起来与它们单芯片同类没什么区别，但它们确实完全不同于90年代初期MCM，今天FCP不再使用多达二十个裸片，一般只用2～4个裸片装在球栅阵列封装基板上。这一“再生”应部分归功于裸片测试和运送技术改善以及低成本高性能基板出现，随着FCP逐渐成为系统级芯片(SoC)替代方案，进一步还产生了系统级封装(SiP) 。