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堆疊封裝 (PoP)工藝及面臨的挑戰
新聞來源:    點擊數:8289    更新時間:2012-4-11 14:13:51    

引言


 


隨著移動消費型電子產品對于小型化,功能集成以及大存儲空間的要求的進一步提升,元器件的小型化高密度封裝形式也越來越多, 如多模塊封裝(MCM)、系統封裝(SiP)、倒裝芯片等應用得越來越多,而元件堆疊封裝(PoP, Package on Package) 技術的出現更加模糊了一級封裝與二級封裝之間的界線。在大大提高邏輯運算功能和存儲空間的同時,也為終端用戶提供了自由選擇器件組合的可能, 生產成本也得以更有效的控制。這對于3G手機無疑是一值得考慮的優選方案。


 


勿庸置疑, 隨著小型化高密度封裝的出現, 對高速與高精度裝配的要求變得更加關鍵. 相關的組裝設備和工藝也更具先進性與高靈活性,元器件堆疊封裝技術(PoP)必須經受這一新的挑戰。


 


 


 


關鍵詞   高密度封裝  元器件堆疊封裝(PoP) 


 


 


 


元器件堆疊封裝技術市場情況及其推動力


 


當前半導體封裝發展的趨勢是越來越多的向高頻、多芯片模塊 (MCM)、系統集成 (SiP) 封裝與堆疊封裝 (PiP, PoP)發展,使傳統的裝配等級越來越模糊, 而出現了半導體裝配與傳統電路板裝配間的集成, 如倒裝芯片 (Flip Chip) 直接在終端產品進行裝配。半導體裝配設備中的特征功能開始出現在多功能精細間距的貼片機上,同時具有較高的精度又有助焊劑應用的功能,可以說,元件堆疊技術是在業已成熟的倒裝芯片裝配技術上發展起來的。


 


自2003年前元件堆疊技術大部分還只是應用在閃存及一些移動記憶卡中, 2004年開始出現了移動電話的邏輯運算單元和存儲單元之間的堆疊封裝. 在此平均財經年度內整個堆疊技術市場的增長率達60%. 預測到2009年增長率達21%, 其中移動電話對于堆疊封裝技術的應用將占整個技術市場的17%, 3G手機和MPEG4也將大量采用此技術。


 


 


 


元器件堆疊封裝技術市場情況簡圖  (資料來自Prismark)


 


                             


 


移動通信產品的關鍵是要解決“帶寬”的問題. 通俗的講就是高速處理信號的能力. 這就需要新型的數字信號處理器. 其解決方案之一就是在邏輯控制器上放置一枚存儲器 (通常為動態存儲器)來實現了小型化, 同時功能也得以強化. 而成熟的倒裝芯片技術促成了這一技術得以大量應用的可能. 基本上我們可以利用現有的SMT設備和下游資源以及現成的物流供應鏈導入此技術, 進行大批量生產。


 


 


 


堆疊封裝元器件的結構


 


元器件內芯片的堆疊大部分是采用金線鍵合的方式 (Wire Bonding),堆疊層數可以從2層到8層,STMICRO聲稱迄今厚度到40微米的芯片可以從兩個堆疊到八個 (SRAM, flash, DRAM),  40微米打薄了的芯片堆疊8個總厚度為1.6mm,堆疊兩個厚度為0.8mm.


 


 


 


封裝內芯片通過金線鍵合堆疊到基板上, 同樣的堆疊通過金線再將兩個堆疊之間的基板鍵合, 然后整個封裝成一個元件便是器件內置器件(PiP, Package in Package).


 


 


 


 


 


PiP封裝的外形高度較低, 可以采用標準的SMT電路板裝配工藝,單個器件的裝配成本較低. 但由于在封裝之前單個芯片不可以單獨測試, 所以總成本會較高(封裝良率問題),且事先需要確定存儲器結構, 器件由設計服務公司先期決定,終端使用者沒有選擇的自由。


 


元件堆疊封裝 (PoP, Package on Package)是在底部元器件上面再放置元器件——邏輯+存儲,通常為2到4層, 存儲型PoP可達8層。外形高度會稍微高些,但是裝配前各個器件可以單獨測試,保障了更高的良品率,總的封裝成本可降至最低,器件的組合可以由終端使用者自由選擇,對于3G移動電話及數碼像機等產品,這是優選的裝配方案。


 


  


 


電路板裝配層次的 PoP


 


 


 


 


 


各種堆疊封裝工藝成本比較


 


 


 


 


 


Amkor PoP典型結構


 


l         底部PSvfBGA(Package Stackable very thin fine pitch BGA)


 


l         頂部Stacked CSP(FBGA,fine pitch BGA)


 


 


 


 


底部PSvfBGA結構


 


l         外形尺寸10-15mm


 


l         中間焊盤間距0.65mm,底部


 


l         焊球間距0.5mm(0.4mm)


 


l         基板FR-5


 


l         焊球材料 63Sn37Pb/Pb-free


 


 


 


 


頂部SCSP結構


 


l         外形尺寸4-21mm


 


l         底部球間距0.4-0.8mm


 


l         基板Polyimide


 


l         焊球材料 63Sn37Pb/Pb-free


 


l         球徑0.25-0.46mm


 


 


 


 


PoP的重點是需要控制元器件之間的空間關系,如果它們之間沒有適當的間隙的話,那么會有應力存在, 對可靠性和裝配良率帶來致命的影響. 概括起來其空間關系有以下這些需要我們關注:


 


l         底部器件的模塑高度(0.27-0.35mm)


 


l         頂部器件回流前焊球的高度與間距e1


 


l         回流前,頂部器件底面和底部元件頂面的間隙f1


 


l         頂部器件回流后焊球的高度與間距e2


 


l         回流后,頂部器件底面和底部元件頂面的間隙f2


 


 

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