SiP封装--超细间距元件的锡膏印刷及植球工艺

作者：得可咨询（上海）有限公司 李忆

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 1 引言 当前半导体封装发展的趋势是越来越多的向高频,多芯片模块(MCM)，系统集成(SiP)封装发展，它们越来越受到市场的关注。系统集成封装大大简化了产品的设计，同时增加了设计的灵活性，在成本和性能方面更具有无可替代的优势，所以它的应用正呈大幅度增加。系统封装生产线在半导体工厂也面临前所未有的挑战，多芯片封装速度和产能成为他们饥渴的需求, 高速的表面贴装设备被引入了封装生产线中。而另一方面，由于裸晶片或倒装晶片(Flip Chip)直接在终端产品装配，在板级装配中实现二次集成，出现了半导体装配与传统电路板装配间的集成，从而使传统的装配等级越来越模糊。 超细间距元件的锡膏印刷工艺以及植球工艺(Bumping Process)在板级装配(SMT装配)越来越常见。这就要求我们的印刷设备具有更高的精度和速度同时有高度的灵活性，譬如模块化的处理，既能进行锡膏印刷又能执行植球工艺，并保证高的装配良率和可靠性。 半导体装配设备中的特征功能开始出现在多功能精细间距贴片机上，同时具有较高的精度，又有一些增强的功能，如红外加热（IR）,UV光固和助焊剂应用等功能。而产品也综合了多种混合工艺，电子组装业的技术正在走向浓缩和融合。 关键词:SiP系统封装；半导体装配和电路板装配；超细间距元件的锡膏印刷；植球工艺(Bumping Process)；浓缩和融合 2 系统封装（SiP）的定义和市场讯息 2.1什么是系统封装（SiP） 系统封装（System in Package）是指在单一的封装内实现多种功能，或者说将数种功能合并入单一模组中，譬如，这些功能可以是无线通信，逻辑处理和存储记忆等之间的集成，这些集成在蓝牙器件、手机、汽车电子、成像和显示器、数码相机和电源中已被广泛应用。从外形上看，系统封装其实就是综合了几个封装在内的元器件，如下图所示。系统封装内的各芯片或不同功能器件可以2D排列，也可以3D堆叠封装。 2.2系统封装（SiP）的优势 SiP系统封装是在片上系统（SoC, system on chip）的基础上发展起来的。所谓片上系统是指在单一芯片上集成多种功能，大大增加了封装的密度，降低了器件的几何尺寸。但是随着功能的增加，集成度的增加，设计成本和难度也随之增加，设计周期变得很长，兼容性也成了新的问题。而SiP系统封装由于可以灵活的采用已有的封装进行集成，甚至可以进行3D堆叠。这样设计周期可以大大缩短，功能器件也可以有了选择的余地。由于信号传输距离缩短，电磁干扰亦可有效地屏蔽掉，所以系统性能显著提高。总括起来SiP系统封装的优势在于： ① 功能更多； ② 功耗更低； ③ 性能更优良； ④ 成本价格更低； ⑤ 体积更小重量更轻。 所以SiP系统封装越来受到市场的青睐，应用越来越广泛。 2.3系统封装（SiP）的市场讯息与发展趋势 SiP系统封装正被市场迅速接受，2007年SiP市场容量达60亿个，年增长率达到20%～25%。其在射频（RF）,数字信号，无线宽带及电源等方面的应用增长迅速，仅RF市场的销售额就从2003年的18亿美元飙升至2007年的275亿美元。而SiP系统装配中倒装晶片（Flip Chip）的应用增长最快，达到30%，而且还在大幅度上升。发展的趋势是裸晶片直接应用在高速表面贴装生产线上，直接晶圆供料结合表面贴装正在改变SIP中元件的装配方式，加速向倒装晶片转移。由于高产能的要求，SiP系统封装基于灵活高速的表面贴装生产线是发展的趋势。 3 系统封装（SiP）的分类和应用实例 3.1系统封装的分类 国际半导体技术发展蓝图（ITRS）按照系统封装内芯片/器件的放置方式分为三种类别：并排贴装（2D）,堆叠结构(3D)和内埋结构。 ① 并排贴装 并排贴装是在二维方向的装配，其基板维有机层压板，陶瓷，玻璃或硅片。封装内的器件为引线键合，离散的CSP,或一些被动的元件，如图4所示。 ② 堆叠结构(3D) 芯片/器件在封装内3D装配，如PoP,PiP。可以是芯片和芯片的堆叠，也可以是器件和器件之间的堆叠，如倒装晶片通过硅片面对面的堆叠，采用引线键合晶圆和晶圆的堆叠 ③ 内埋结构 内埋指的是将一些被动元件或晶圆嵌入印刷电路板或聚合体中，可以是一层，也可以是功能层多层的堆叠。 3.2 SiP系统封装的一些应用实例 系统封装在医疗电子、汽车电子、功率模块、图像感应器、手机、全球定位系统、蓝牙等方面应用越来越多。从发展的趋势来看，内置器件已由引线键合逐渐转向倒装晶片，由2D装配转变为3D堆叠装配。 应用实例之一： 我们在3G无线通信方面可以看到SiP系统封装的应用：CPU、RF、ASIC和RAM以及一些被动元器件的集成，如下图。 应用实例之二： Ericsson 蓝牙。系统集成封装与0201等元件组成蓝牙系统，如图。 应用实例之三： 晶圆上的堆叠装配---图像感应器。在玻璃晶圆上堆叠晶片，最终尺寸5至6毫米，如图。 4 系统封装（SiP）可能的装配形式 系统封装可能有两种装配形式，一种是半导体封装厂完成SiP系统封装（可能是BGA,CSP,WLCSP），然后SMT表面贴装生产线将这类SiP元器件装配到电路板上，这类似于传统的SMT装配。另一种是在SMT车间进行SiP，晶圆或倒装晶片等的2D或3D装配，将SiP系统封装嵌入到终端产品中，如图所示。产品综合了多种混合工艺，装配技术难度更大，对于电子制造者来说，掌握了系统封装技术将大大增强未来竞争的优势，当系统封装以第二种形式为主时，整个产业结构将做重大调整。从SiP的发展我们可以看到电子组装业的技术在浓缩和融合。 5 SiP装配对于设备和工艺的挑战 一般说来,SiP会综合多颗IC和少数被动元件，如倒装晶片（FC），晶圆级CSP(WLCSP),这类元器件往往具有较小的外形尺寸和精细的焊球间距，要求装配设备能够有足够的精度来处理这些元器件。同时被动元件也往往很小，如0201和01005元件，设备的能力受到严峻的考验。 在SiP装配中可能综合了以下多种高混合工艺：锡膏印刷工艺、助焊剂工艺、贴装及回流焊接工艺、底部填充工艺、底部填充材料固化工艺、模塑密封工艺(Molding)、散热材料涂覆和散热装置装配工艺、植球工艺和wire bonding工艺等。如何优化安排这些工艺，掌握个工艺控制的重点是我们必须面临的又一难题。可能有些工艺的特殊性，要求装配设备具有一些增强的功能，能够处理多个工艺，所以这时我们的表面贴装设备已不仅仅是表面贴装设备，还应该具备另外一些典型的关键功能。譬如对于锡膏印刷设备而言，要求印刷设备既具有高精度印刷能力，又能够进行高产量高稳定性及高良率的植球工艺。对贴片机要求其同时具有应用助焊剂的能力，红外（IR）加热和UV光固的能力。 5.1 SiP装配对于印刷设备的挑战 高的印刷精度和良好的稳定性是超细间距元件锡膏或助焊剂印刷成功的关键。对于0.2 mm～0.4 mm元件高速高品质的印刷是系统装配（SiP）成功的关键。所以这就要求印刷设备具有精确的影像系统和位置控制系统，稳定的印刷压力，完整有效的支撑（顶板）系统，有效的印刷钢网清洁系统。对于一些导电胶或散热剂可能还需要在印刷设备上进行丝网印刷。那么，我们所选用的设备可行可靠吗？ 得可（DEK）印刷设备可以说是在具有高精度高重复性基础上实现模块化的典范，不仅可以处理超细间距元件的印刷，应用不同的模块还可以实现高速高精度的植球工艺，包括Ball Placement和 Wafer Bumping，良率可高达99.99%，轻易实现低成本高产量的应用。 5.2 SiP装配对于贴片设备的挑战 SiP装配中往往有些IC为裸晶片，直接包装为晶圆（Wafer）,如何解决多种晶圆集成的高速送料到表面贴装设备？这种高速晶圆直接供料方式（DDf, Direct Die feeder）可以说是半导体装配和表面贴装之间的桥梁，通过它将表面贴装设备带入了半导体装配市场。Unovis专利裸晶供料器可用于混合电路或感应器,多芯片模组,系统封装,RFID和3D装配。晶圆盘可以竖着进料,节省空间,一台机器可以安装多台DDF。 还有一些IC可能采用其它的包装方式，如Waffle packet。对于这类包装，有时会发现元件在料穴中自由度太大，影响到取料和视像对中，需要机器具有先检查后取料的功能（LBP, Look Before Pick），先确定小的晶片在大的料穴中的位置，然后自动确定最佳的取料位置。除了确定取料位置以外，还必须自动识别晶片的方向，防止装配时方向错误。 5.3 SiP装配对于工艺的挑战 SiP装配对于工艺最大的挑战是基板的设计和制造技术。在某些高频条件下要求将有机的基板材料换成介电常数更低，导电导热更优良的材料，如低温共烧陶瓷（LTCC）和高温共烧陶瓷（HTCC）。由于细小元件如0201和01005的应用，还有精细间距的倒装晶片，晶圆级的CSP等，基板的设计会比较复杂。需要将工艺过程中的各种变数考虑进去，如设备的影响，材料的影响，环境及操作的影响，进行适当的设计以最大程度的补偿某些变数，使其影响程度降到最低。工艺过程当中细小的变化可能会造成非常显著的影响。 由于多种工艺材料的引入，可能需要考虑兼容性的问题。选择锡膏、助焊剂和底部填充材料时，需要耗费大量时间进行试验评估，才能弄清楚它们之间是否有交互作用，是否存在兼容性的问题，各种材料的组合对装配良率和可靠性的影响等。 多种工艺综合在同一产品上，需要优化安排，清楚掌握各工艺的控制重点。原则是是工艺流程尽量简单，尽量减少热操作，全面考虑，细致的优化每一工艺步骤。譬如，回流焊接工艺的优化，既要考虑到不同工艺材料对热的不同要求，又要考虑不同元件对热的不同要求，同时必须考虑热对于材料及产品本身的影响，焊接环境对于回流焊接工艺和可靠性的影响，这样就不会错过每一项应该关注的参数。 由于新工艺新材料的引入，使传统的SMT工艺与半导体工艺交融在一起，对于工艺人员的技能和经验也将会是一个挑战，必须熟悉工艺材料，理解掌握基本的工艺控制理论才能走进技术的浓缩和融合。 6 总结 SiP 由于在成本,功能/性能和尺寸方面更具优势而增长迅速。从SiP装配发展的趋势来看，SMT装配技术和半导体装配技术正在走向浓缩和融合。掌握SiP装配技术将在可能的产业结构重大调整中获得先机。 得可（DEK）公司对精细间距元件的印刷工艺包括锡膏及其它印刷材料，植球工艺包括Ball Placement和Wafer Bumping已有完整的设备解决方案。其应用工艺团队凭借丰富的经验和对精深的专业知识的积累可以协助您进行工艺的研究开发，新产品和新技术的导入，和工艺的控制，让您的期待更多。

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