高密度 3-D 封装技术的应用与发展趋势

顾 勇 王莎鸥 赵建明 胡永达 杨邦朝

（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室 电子科学技术研究院）

摘要:

高密度 3-D 封装技术是国内外近几年飞速发展的微电子封装技术。它在 2-D 平面基础上向立体化发展，实现了一种新的更高层次的混合集成，因而具有更高的组装密度、更强的功能、更优的性能、更小的体积、更低的功耗、更快的速度、更小的延迟等优势。该技术正在加速未来电子整机系统的微小型化。主要介绍了近年来 3-D 封装应用状况和一种新型的封装技术——系统上封装 SOP(System-on-Package)。

近年来，通讯、计算机、汽车电子、航空航天产业和其他消费类系统对高密度微电子封装提出了更高更新的要求，即便携性、多功能、高密度、高可靠性、高性能、低功耗和低成本，这促使微电子封装技术在 2-D 的基础上进一步向高密度 3-D 封装技术发展。3-D 与 2-D 封装技术相比，在没有增加封装基板尺寸的情况下组装效率远大于 2-D 200%[1]，而且设计更加灵活、降低了封装成本、减小了芯片之间互连导线长度，使得器件的运行速度提高，系统的总功耗减低了 30%左右。高密度 3-D 封装最明显的特征是可使产品的尺寸和质量减小到原来的1/5~1/10[2]。这些特征优势已成为微电子产业和电子整机系统产业高度关注的技术焦点。本文阐述了不同时期高密度 3-D 封装技术的关键技术、应用状况以及发展前景，同时也介绍了一种新型的封装技术——SOP。

1 20 世纪 90 年代 3-D 封装技术的应用

20 世纪 90 年代，3-D 封装技术发展迅猛，主要应用在计算机、宇航、军事领域，其产品集中在存储器和一些专用集成电路方面。这一时期的 3-D 封装技术大致分为两类：芯片叠层和封装(或 MCM 模块)堆叠[3]。芯片叠层型互连 3-D 封装分为两种类型：一种是采用芯片的周边互连形式，这是把芯片的 I/O端口布置在芯片的边缘，然后通过金丝焊等方法从边缘引出导线，实现叠层芯片互连；另一种是芯片采用面互连形式叠层得到的 3-D 封装形式，它是在芯片上腐蚀出直径为 1~2 µm 的孔洞，对孔洞进行金属化处理后，实现该芯片电路和相邻芯片电路的互连，从原理上讲这种互连可以布置在芯片上的任意位置，只要这个位置没有电路存在，因此它没有固定的焊区。以下对芯片叠层的应用进行简单介绍。

1.1 面互连在并行处理器方面的应用

采用弹性体实现垂直导通：采用弹性互连体和过孔柱体实现垂直互连。首先基板上用激光刻出孔洞，过孔柱体就埋入该孔洞中，整个模块如图 1 所示。该技术用于生产高速并行计算机——“阿拉丁（Aladdin）并行处理器”，同时该技术具有高的互连密度和可操作性，是一个可靠的发展方向。

1.2 周边互连在存储器方面的应用

从图 2 可以看出，做好的 2-D MCM 分别进行封装后放在托架上，托架上有互连导带。2-D MCM 以倒扣的形式焊接在托架上，再通过垂直互连的导带与托架实现电导通，从而与其他 2-D MCM 实现互连，这样就得到 3-D MCM。垂直互连导带总线的另一端作为引出脚焊接到 PCB 板上。这种方法也称为“叠层 MCM 的 QFP 封装模式”，因为从外观上看类似四侧引脚扁平封装。该工艺实现起来比较复杂，且性价比低，但在某些场合应用具有优势，例如，采用该方法对 2~8 层的 2-D MCM 进行叠层，可制造高密度的 SRAM 和 DRAM。

2 当前 3-D 封装技术的应用

20 世纪 90 年代的 3-D 封装技术处于孵化阶段，大多数封装仅限于相同芯片或基板的形式，功能单一，集成度偏低。但是，它却为以后的 3-D 封装技术奠定了一个坚实的基础，指明了有利的发展方向。随着无线、通讯便携式产品对小型化和多功能化的持续不断的要求，出现了一种新型的技术——SIP（System-in-Package），该技术得到了越来越多的关注和推广。SIP 技术得到广泛推广的原因有二：一是继承了传统 3-D 封装的形式，并使之多样化；二是相对 SOC（System-on-Chip）而言，SIP 综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的优势，降低了成本，缩短上市时间，同时克服了 SOC 中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰等困难[4]。由于上述优点，这一时期 SIP 的产品主要集中在高性能、低成本、便于携带的通讯系统。

2.1 芯片互连技术

芯片的互连方式一般有引线键合、倒装芯片以及载带自动焊(TAB)等，引线键合与倒装芯片是目前半导体封装内部两种代表性的连接方式。目前芯片堆叠封装中多数也是采用引线键合来实现芯片到基板或者引线框架的互连，其工艺相对成熟，如图 3所示是采用引线键合连接方式实现 8 层芯片堆叠。

当 SIP 面向更复杂的系统设计时，倒装芯片[5]技术比引线键合更具优势，倒装芯片是在芯片表面预先放置焊球，翻转后，面对面和封装焊接在一起。倒装芯片与引线键合相比，避免了多余的封装工艺、实现了更高的互连密度、更短的信号传输路线和低的耦合电感以及优良的噪音控制，同时易于实现薄外形的封装。

正在开发中的穿透硅片的互连(TEMI) [6-7]技术，即通过在硅芯片或者硅圆片上适当的位置形成小的穿孔并实现孔内金属化，形成芯片两面的电连接。这样的电连接通过类似于倒装芯片凸点的技术可以完成堆叠芯片直接连接。由于芯片间互连线更短，更有效地减小系统的互连线延迟和串扰、降低容抗，从而满足器件的高频特性，可更多地集成 RF 芯片，存储器芯片以及逻辑芯片等。例如，在 4.7 GHz 频率下，引线键合引入的电感量通常都在 nH 量级，而倒装芯片和 TEMI 引入的电感量仅为几十 pH，两者之间存在着数量级的差异。

2.2 在 RF 无线电方面的应用

目前 3-D 研究和应用比较普遍的是在无线通信中的物理层电路，主要是由于商用射频芯片很难用硅工艺实现，使得 SOC 技术能实现的集成度相对较低，性能难以满足要求，于是 SIP 可以充分显示其技术优势。

全部功能的单芯片或多芯片 SIP 将 RF 基带功能线路及快闪式存储器芯片都封装在一个模块内[3]。集成的基带模块包括基带引擎、SRAM、闪存和一些无源器件，如图 4 所示是采用 SIP 封装的双频段RFPA，其封装内包括 2 个 GaAs 芯片和其他无源元件，衬底为多层线路板。将芯片堆叠主要是为了减少面积，可以根据散热与布线的情况，将 2~3 个芯片相堆叠，这种方法将大多数系统的布线转移到基带 SIP 中去了。因此，SIP 可以采用节距为 1.00 或 l.27mm 的较大的 BGA 封装，以取代为单个独立器件提供的节距为 0.5~0.8 mm 的 BGA 封装。例如，采用SIP 技术的一种即插即用的全功能蓝牙组件，即将 1个基带芯片(含 224 kbyte ROM)、1 个 RF 收发芯片以及平衡-非平衡变换器、开关、滤波器等若干外围元件集成于一体，组件尺寸仅为 7.0 mm × 8.0 mm × 1.4mm。该蓝牙组件的典型输出功率(天线端)为 4 dBm，典型灵敏度为–84 dBm，工作温度范围为–30 ~ +85℃，在全球通信的 ISM 频段(2 400~2 480 MHz)下，为手机等便携式电子产品提供了灵巧轻便及低功耗的短距离无线通信解决方案。

2.3 在网络和计算机技术方面的应用

在网络和计算机技术等应用中，往往要求将ASIC（专用集成电路）或微控制器和存储器集成在一起。在互联网路由器中的分组交换应用装置中，通常 有 一 个 引 出 端 很 多 的 ASIC 需要 多 达 8 个SDRAM 器件进行通信。如图 5 所示是采用 SIP 技术的互连网络路由器，此技术使 ASIC 采用通常的翻转芯片方法安装在 SIP 衬底上，存储器采用 FBGA 封装，封装好之后，在安置在 SIP 之前进行测试和动态老化，然后采用常规 SMT 技术将它们安置在 ASIC周围的 SIP 衬底上，使其与 ASIC 安置在同一侧。同时去耦电容器和其他无源器件也都安置在 SIP 衬底上。这样可以避免由于采用传统 MCM 设计所导致的芯片成品率损失。因此，SIP 减少了母板布线的层数和复杂性，同时提高了母板的空间利用率，可在有限空间中集成更多的功能块。

2.4 MEMS 传感器的应用

以硅为基础的 MEMS（微电子机械系统）传感器技术发展迅速，应用范围甚广，例如 MEMS 惯性传感器[8]、热电 MEMS 传感器[9]、生物测量传感器、MEMS 传感器流量监控器等。在这些应用中，采用SIP 技术实现各种元件和混合信号集成，具有系统体积小、适应性强、成本低、开发周期短等特点。

采用 3-D SIP 技术将 MEMS 光学血液流动传感器和 ICs 封装在一起（见图 6），传感器芯片由传感器探头和处理器组成，传感器探头包括激光二极管、光电二极管以及第一级放大器；处理器包括激光驱动器、显示器、数字信号处理以及蓝牙技术连接器。ICs 包括 2 个运算放大器、保护芯片、负反馈电压芯片等。这种微流量传感器包括一个波长为 650 nm 的VCSEL 或者一个波长为 1 310 nm 的分布反馈半导体激光器(DFL-LD)以及一个表面接收光电器(PD)[10]。

此微流量传感器通过微加工技术和 3-D SIP 封装技术将其尺寸减少了 9/10，体积仅为 4 mm3。

3-D MEMS 传感器运用微细加工技术和高密度封装 SIP 技术使其具有体积小、低成本、高性能、高可靠性等优势，目前 MEMS 传感技术开始向军事、工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。

3 SOP 技术

当 SOC 的特征尺寸达到亚微米后，将模拟、RF和数字功能整合在一起的难度亦随之加大，因此，出现了 一 种 新 型 的 、 更 先 进 的 封 装 技 术 SOP（System-on-Package），它克服了 SOC 和传统封装技术的缺点。SOP 与 SIP 的不同之处在于：SIP 以芯片为中心、无薄膜集成、有分离元件集成、需母板等；SOP 以系统为中心、集成薄膜器件、封装体积内系统集成等。SOP 将 IC 与微米量级的薄膜型分立元件结合，将各种元器件内埋在一种非常小的新型封装里，可以使小型手持系统成为具有更多功能的设备[11]。

SOP 可将多种系统功能集成在一个轻巧、低价格、高性能的封装系统内，它不像 SOC 为了集成分离的器件必须考虑性能折衷。SOP 的每个技术都是分离，然后再封装在一起。系统的预期设计时间也较短，预期的测试也较简单。利用 SOP 技术，芯片的尺寸能和高质量生产时需求的尺寸一样大小，它的布线长度能和需求的一样短，从而可以抑制全局信号延迟带来的高寄生阻抗。

过去 3-D 封装主要是用于计算机进行数据计算的分立电子系统、电信提供语音通信，在便携式消费产品中提供音频、视频及其他的功能，目前的焦点是在便携和无线系统中（如智能手机）应用，这种新兴趋势，被称为系统的发展趋势——汇聚系统，它的特点是融合计算机、通信、消费电子和生物医学产品功能在一个封装或产品中实现。汇聚系统带动了消费、基础设施、汽车、航空航天和生物医学产业。下一代汇聚系统包括个人数字手机助理、GPS、MEMS 传感器、网络辅助管理和智能医疗诊断仪等。

自从美国佐治亚理工学院提出 SOP 的概念后，他们与美国、日本、韩国和欧洲的 100 多家电子公司在这方面开展合作，包括 AMD、爱立信、福特、IBM、英特尔、诺基亚、三星和德州仪器等公司。此外，70 多位研究人员作为访问工程师来到他们的封装研究中心研究 SOP 技术，可望应用到未来的汽车、计算机、消费电子、军事电子和无线通讯领域。

4 结束语

高密度 3-D 封装技术是为适应军事、宇航、卫星、计算机、通讯以及消费类系统的迫切需求而近年来在国内外得到迅速发展的新型微电子封装与组装技术，是实现整机系统集成的必然趋势。高密度3-D 封装技术最大限度地灵活应用各种芯片资源和封装互连优势，将 Si-CMOSIC、GaAs-RFIC、光机电器件、MEMS 器件以及无源元件等封装在一起。3-D 封装技术正是以其轻薄短小、成本低、多功能以及高性能、高可靠性的竞争力，在未来微型电子整机系统集成中扮演重要的角色。但由于 3-D 封装技术包含学科与技术的复杂与多样性，决定了其设计难度大，不仅涉及材料、器件、电路、封装与测试，还要涉及机械设计，还要求专业的 EDA 公司及时提供更新的设计软件。因此，高密度 3-D 封装技术不仅面临着更大的机遇和挑战，而且也孕育着更为广阔的发展空间。我国的封装技术相对于发达国家还存在一定的差距，尤其在电子整机封装高端领域。毋庸置疑，加速高密度 3-D 封装技术的研究和应用，对于实现我国未来电子整机系统的集成具有更重要的现实意义和战略意义。