微系统三维（3D）封装技术

微系统三维（3D）封装技术

杨建生

【摘要】文章论述塑料三维（3D）结构微系统封装技术相关问题，描述了把微电机硅膜泵与3D塑料密封垂直多芯片模块封装（MCM-V）相结合的微系统集成化。采用有限元技术分析封装结构中的封装应力，根据有限元设计研究结果，改变芯片载体结构，降低其发生裂纹的危险。计划采用板上芯片和塑料无引线芯片载体的替代低应力和低成本的3D封装技术方案。%Issues associated with the packaging of microsystems in plastic and three-dimensional （3D） body styles are discussed. The integration of a microsystem incorporating a micromachined silicon membrane pump into a 3D plastic encapsulated vertical multichip module package （MCM-V） is described. Finite element techniques are used to analyze the encapsulation stress in the structure of the package. Cracks develop in the chip carrier due to thermornechanical stress. Based on the results of a finite element design study, the structures of the chip carriers are modified to reduce their risk of cracking. Alternative low stress 3D packaging methodologies based on chip on board and plastic leadless chip carriers are discussed.

【期刊名称】《电子与封装》

【年(卷),期】2011(011)010

【总页数】6页(P1-6)

【关键词】有限元;微系统;封装技术;塑料无引线芯片载体;热机械应力;三维

【作者】杨建生

【作者单位】天水华天科技股份有限公司,甘肃天水741000

【正文语种】中文

【中图分类】TN305.94

1 引言

微系统是一种微型化的材料诸如硅、金属和塑料的阵列。与标准的集成电路器件不同，它包含动态元器件诸如泵或膜，这些元件主要是应付与外部环境有关的形变。需要对微系统进行封装，使其在最极端环境中具有可靠性。

如同集成电路封装一样，微系统封装的主要作用之一就是为微系统提供结构稳定性。成功的封装设计要求对封装材料问题、器件性能及其可靠性方面的知识细节的理解。对低成本、高容积的微系统器件产品而言，实际中已使用标准的IC封装设备、工

艺和材料诸如划片、粘片、压焊、塑封、打印及切筋成形等。

残余应力和杂散力是传感器封装中不稳定性和参数漂移的主要原因，应力常常随着温度改变，因此设计的传感器要考虑到在热改变环境中运作的状况。对压力传感器应有对压力响应的温度依赖性。

设计的微传感器应具有在液态或高湿度环境中的功能，湿度渗透的结果会导致频繁的失效。当选择湿度保护密封剂时，密封剂的粘附性与渗透性一样重要。材料接口间粘附性的损失导致内部应力状况的改变。这会产生塑料裂纹，以及在材料接口上方剥离快速蔓延。剥离为湿度进入提供了简单通道。

微系统封装与IC封装之间的根本差异之一在于微系统通常与其所处环境之间相互

影响。这与IC封装不惜一切代价把湿气排除在外的目的相冲突。微系统额外的约

束就是其必须保护其内部材料和使其免受环境影响，以免发生不理想的反应或环境的污染。这对应用于生物医学、药品食品处理行业的传感器是特别重要的。

三维（3D）封装潜在地考虑微型化及获得高集成化的条件，文中给出了3D IC封

装的关键背景，这构成了详细的3D微系统封装技术，特别是探讨了三个不同叠层结构应用于把微电机膜泵与传感器芯片结合的微系统的研发，作为流体分析系统的一部分，陈述的重点在于封装本身的可靠性问题。

2 3D封装技术样品

目前，传统封装技术诸如塑料方形扁平封装（PQFP）和薄型方形扁平封装（TQFP）没有效益空间，传统封装技术（单芯片封装）容量有效，空间无效（芯片容积与封装容积的比率小于1%），由于高IC到IC元器件线路长度降低了这些封装的性能。对更高管脚数的需要将应变置于传统封装之中，电信号再分布和机械稳定性或保护，是批量和空间的最大消耗者。然而，随着球栅阵列封装（BGA）

和芯片规模封装（CSP）的研发，封装技术将变得更有效，封装面积仅仅大于芯片面积。

二维（2D）封装技术不适合于在航空航天应用中要求高密度的高级封装技术，为

了克服此限制，采用MCM技术（多芯片模块）或遵循一些3D封装技术的计划是必需的。在3D封装中叠层程序必须在垂直方向上分隔和调整芯片。存在很多不同的叠层形式：其一，嵌入式方法，通常把较小的芯片压焊到一起渐进地叠层；其二，折叠技术法，把单个芯片安装到柔性基板上并折叠到3D形体中。折叠技术法适用于微系统封装，因为折叠技术法潜在地考虑到在单个单元中把电子和机械元器件集成化和组合化。

3D叠层技术已获得航天应用的有效的高密度，该技术把芯片安装在FR4基板上，叠层并随后密封。图1示出了此3D垂直多芯片模块（MCM-D）封装技术得到

64GB/I的存储密度。模块用塑料密封质量低，为航天应用的理想产品。MCM-V

结构的功能性和可靠性已得到充分证明，应用于质量存储器。

图1 三维MCM-V叠层存储器模块

3 三维微系统封装技术

研讨与不同的技术诸如微电子学、光学、化学传感器、压力传感器集成化有关的微系统集成，主要包括基于各种材料的硅融入3D微系统之中。一些应用，例如环境监测系统的操作就是热方面激活微电机硅膜泵，设计通过泵的运动提供流体给化学传感器分析。整个微系统包含完全集成于单个塑料密封的3D MCM-V信号处理和电源模块。为了确保器件有效工作，微系统封装的塑料密封器件是关键，潜在考虑其广泛应用于IC封装行业的低成本的标准制造工艺。虽然塑料密封通常与高容积封装有关，但是并非所有的系统都需要高容积封装。微泵结构如图2所示，它包括产生热的微电机硅膜，背部压力通过驱动器提供，使膜发生扭曲，如图中虚线部分所示。驱动器由置于包含三个阀门的铝基板上的金属电阻器构成，中间阀门的功能是保持微泵腔内部内外压力的平衡，其余阀门控制流体的流入和流出。膜的变形造成通过一个方向流出阀排出流体，通过重复使膜变形和阀门的打开和关闭，流体与进行化学分析的化学传感器芯片接触，对微泵的热驱动模拟和阀门的动态特性进行描述。在化学传感器模块的下方叠层安置功率和信号处理模块。

图2 热驱动泵模块结构图

3.1 微泵模块装配

微泵模块主要由两个主要元件构成，第一个元件为图2所示的通过有三个阀门的氧化铝基板的驱动器，第二个元件为包含用于阀门的一层薄膜和两个“孔”的大容量微电机硅基板。制造的膜的不同尺寸为4cm×4cm、3cm×3cm、2cm×2cm，厚度40μm。通过刻蚀基于KOH溶液切割硅晶圆片使扣上膜的风险最小化，微泵模块由芯片载体支持，硅及FR4是适用的载体材料，选择大容量微电机硅作为主要的载体材料，由于较低的TCE与芯片匹配，因此刻蚀“腔”及硅外部的微泵密