双面芯片及其封装形式的构想.doc

双面芯片及其封装形式的构想蒋黎剑（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）摘要: 随着市场的需要以及新技术的推动，电子元器件日趋小型化、系统化，更轻更薄的电子产品更加地迎合市场。这使得BGA、FC、CSP以及MCM等多芯片集中封装的技术孕育而生，进一步推动了电子产品的小型化进程。出于同样的目的，试想，我们能否在同一晶圆的两面都制作上微芯片，然后再进行相应的封装，如此便在原本只能封装一块芯片的基板面积上同时封装上两片芯片。这样，我们对基板的使用率提高了一倍，对晶圆的利用率也提高了一倍！这篇文章便对这个构想做简单的陈述。关键词：双面芯片；硅通孔技术（TSV）；多封装技术混使用中图分类号： 文献标识码：由于商业利益的驱动，加上更高精密高可靠性的制造设备的出现，如今的芯片设计和制造工艺已经达到了一个无法想象的地步。目前Intel已经实现30纳米的特征尺寸量产。这使得芯片的集成度越来越高，同时使得芯片在完成同样电路功能时的芯片尺寸越来越小。同时，由于后道封装技术的不断发展，与芯片制造技术相辅相成，最终不断推动电子产品的小型化和智能化。最新的封装技术主流趋于将多枚芯片同时封装在一个壳体中的多芯片封装技术（典型的如：MCM、WLP技术）。这样能够大大提升基板的利用率，减小整体封装尺寸。出于同样的目的，本文针对晶圆的充分利用以及后道封装工艺提出了另一个大胆构想。1、双面芯片的构想目前的主流芯片制造技术，只是在晶圆的一面进行芯片的形成加工，而晶圆的另一面则制作相应的保护物质。试想，我们能否在晶圆的另一面也制作出微芯片呢？能在晶圆的两面都制作出微芯片，这就意味着对晶圆的利用率提高了一倍!若这一技术得以实现，包括其后道的封装工序，将一起进一步促进芯片产品以及电子产品的小型化！针对这一设想，下面我们讨论为了实现双面芯片可能遇到的挑战。1.1成品率的问题由于需在晶圆的双面都得制造出微芯片，如何保证晶圆两面上芯片的成品率便成了一个很大的问题。以怎样的工艺流程去实现双面芯片构想也是一个问题。如果我们先制作好一面芯片后再去制造另一面的芯片，那如何保证在第二面芯片制作过程中不对已经制作好的第一面晶圆上的芯片构成结构上的伤害。若我们希望通过现有的工艺，同时在晶圆的两面制作出微芯片，我们也同样会遇到棘手的问题。首先，我们如何保证在各道CVD工序中双面的芯片都能得到很好的沉积。1.2封装的散热问题过去，我们的各种封装形式只是针对单面晶圆的芯片，而对于双面芯片如何进行良好的封装则是一个很大的挑战。单面晶圆的芯片在芯片焊盘区我们可以采用诸如引线键合、载带自动焊、倒装焊等技术，而另一面的晶圆则作为散热面通过散热通道散发热量以此来提升芯片的性能。而双面芯片的构想对此便引来了一个非常棘手的问题。相对与单面芯片，双面芯片意味着其功耗、发热量将提高近1倍，而散热能力则反而有所下降。我们如何保证在这样的情况下，双面芯片的可靠性，便成了一件非常重要的工作。2.双面芯片封装形式的设想2.1 TSV硅通孔工艺与倒装焊工艺结合目前，300mm晶圆的硅通孔技术TSV（Through Silicon Via）已经在图像传感器和存储产品中得到了应用。硅通孔技术是通过在晶圆上利用光刻和蚀刻的方法，形成较深的柱状孔，再经过对晶圆的打磨，形成通孔。通过对形成的孔道金属化，实现晶圆上下面的电气互联。（1）形成孔的掩膜板 （2）孔的蚀刻（3）去掩膜（4）填充金属（5）晶圆减薄（6）层叠晶圆图1TSV主要的工艺流程见图1。首先制作出蚀刻的掩膜。这包括光刻胶的涂覆、曝光和显影。然后便可以进行蚀刻，形成柱状空洞。孔的填充物可以选用很多材料，比如铜和钨金属。目前，在TSV技术中，铜是比较常用的填充材料，但是像钨和Cu3Sn一样也被使用。一旦硅通孔制作形成，我们可以将晶圆通过各种方法层叠起来，比如键合技术和微凸点技术1。如图2是已经制作好的硅通孔。在制作好硅通孔的晶圆上，再制作出双面芯片。2.1.1封装工艺流程简述（1）在底面芯片焊区上形成微凸点（2）在基板上印刷上焊膏（3）将底面芯片进行倒装焊，使得上下面的芯片一次性形成与基板的互联（4）进行外腔壳的封装在后道的封装工艺中，我们利用形成的金属填充的硅通孔作为上层芯片与基板的互联结构。而与基板接触的晶圆面采用倒装焊的工艺形成焊接。2.1.2可遇见的工艺挑战首先我们所遇到是如何在蚀刻大量通孔的晶圆双面都制作上微芯片，这是一个巨大的挑战。防止通孔造成机械损伤，造成晶圆微裂纹是必须考虑的。另外，在进行封装焊接的时候，我们如何能保证类似于PLCC（无引脚陶瓷封装）的双面芯片作为互联的通孔金属基板焊盘形成可靠焊点。这里需要考虑焊膏量，以及还需要考虑“吸芯”现象的出现。此外，在下层芯片采用倒装焊技术，利用微凸点和基板焊盘上的焊膏熔合形成焊接。6.0m12.12.08 13：41：21100x x=2.95m y=2.95m o=4.2m图3. 最终封装效果图2 已经制作好的直径3m的硅通孔图4. 硅通孔技术芯片俯视图2.2倒装焊与引线键合相结合的封装形式引线键合（WB）工艺是将半导体芯焊区月微电子封装的I/O引线或基板上的技术布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。它也是最早发展起来的已经非常成熟的一种封装焊接技术。倒装焊的技术是在芯片的焊区形成微凸点，直接倒放在基板上，与基板实现最小芯片尺寸的互联。这里我们采用芯片倒装焊工艺与引线键合工艺相结合的方法实现我们的双面芯片的封装构想。2.2.1流程简述（1）在底面芯片上制作出微凸点（2）在基板焊盘上印刷焊膏（3）对芯片进行第一次焊接，使得底面的芯片首先与基板形成互联（4）再对上层的芯片进行引线键合（5）进行外腔壳的封装最终形成的封装效果如图5所示 图5. 双面芯片倒装焊与引线键合结合封装形式2.2.2工艺延伸以BGA为封装模式的封装有很多中形式，常见的PBGA (塑封BGA)、CBGA（陶瓷BGA）、CCBGA（陶瓷焊柱阵列）、TBGA（载带BGA）、MBGA（金属BGA）、FCBGA（倒装芯片BGA）、EBGA（带散热器BGA）。双面芯片的BGA形式封装都可以结合已有的BGA封装技术，在改进的基础上，结合双面芯片的特点进行可靠性的封装。2.3 CSP封装形式芯片尺寸封装（CSP），是基于BGA基础上发展起来的，是接近LSI芯片尺寸的封装产品。这种封装形式具有体积小、可容纳引脚数多、电性能好以及散热性能优良等优点。目前已经发展成熟了多种CSP封装工艺技术。我们也可以基于已成熟的CSP封装设计，在此技术上，做好对上层芯片的封装设计工作，就能很好的提高芯片的封装效率。关于具体的封装设计构想在这里便不再详细说明了。3.总结本文提出了在晶圆的双面制作上芯片的构想，并且对双面芯片的封装设计提出了三个构思方案。双面芯片的构想，主要为能够提高晶圆利用率，以及封装效率，使器件小型化。这一构思只是简要的阐述，至于工艺技术上的实现，则需要长足的努力和研究。参考文献：1 Margarete Zoberbier, Stefan Lutter, Marc Hennemeyer, Dr.-Ing. Barbara Neubert, Ralph ZoberbierA, 300mm Lithography and Bonding Technologies for TSVApplications in Image Sensor