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            2021-08-11

            先进封装芯片堆叠焊接残留清洗剂合明科技分享:电子集成技术全面解析

            发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:225

            先进封装芯片堆叠焊接残留清洗剂合明科技分享:电子集成技术全面解析

            合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多.新一代芯片尺寸封装清洗剂,倒芯封装,晶圆级芯片尺寸封装,三维集成电路封装,系统级封装,细间距封装芯片清洗剂


            文章来源:Suny Li SiP与先进封装技术


            集成电路属于电子集成技术的一种,那么,现在的电子集成技术发展到了什么程度呢?

            先进的电子集成技术可以在不到芝麻粒大小的1平方毫米内集成1亿只以上的晶体管,一个指甲盖大小的芯片上集成的晶体管数量可轻松超过100亿甚至更多,而目前地球上的总人口才不到80亿。

            电子集成 (5+2) 分类法,2D集成,2D+集成,2.5D集成,3D集成,4D集成,Cavity集成,Planar集成,共七种集成方式。

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            电子集成 (5+2) 分类法


            电子集成技术分为三个层次,芯片上的集成,封装内的集成,PCB板级集成,其代表技术分别为SoC,SiP和PCB(也可以称为SoP或者SoB)。

            芯片上的集成主要以2D为主,晶体管以平铺的形式集成于晶圆平面;同样,PCB上的集成也是以2D为主,电子元器件平铺安装在PCB表面,因此,二者都属于2D集成。

            而针对于封装内的集成,情况就要复杂的多,并且业界目前对电子集成的分类还没有形成统一的共识,这也是我写这篇文章的原因之一。

            理解集成的时候,人们通常通过物理结构来判断,今天,我们提出电子集成技术分类的两个重要判据:1.物理结构,2.电气连接(电气互连)。

            通过这两个判据,我们将电子集成分为7类:2D集成,2D+集成,2.5D集成,3D集成,4D集成,Cavity集成,Planar集成。其中前面5类是位于基板之上,属于组装(Assembly)范畴,后面2类位于基板之内,属于基板制造(Fabrication)范畴。故此命名为(5+2)分类法。请参看下表:


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            2D 集成


            2D 集成是指在基板的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式。

            以基板 (Substrate) 上表面的左下角为原点,基板上表面所处的平面为XY平面,基板法线为Z轴,创建坐标系。

            物理结构:所有芯片和无源器件均安装在基板平面,芯片和无源器件和 XY 平面直接接触,基板上的布线和过孔均位于 XY 平面下方;电气连接:均需要通过基板(除了极少数通过键合线直接连接的键合点)。

            我们最常见的2D集成技术应用于MCM、部分SiP以及PCB。

            MCM(Multi Chip Module)多芯片??槭墙喔雎阈酒呙芏劝沧霸谕换迳瞎钩梢桓鐾暾牟考?。

            在传统的封装领域,所有的封装都是面向器件的,为芯片服务,起到?;ば酒?、尺度放大和电气连接的作用,是没有任何集成的概念的。随着MCM兴起,封装中才有了集成的概念,所以封装也发生了本质的变化,MCM将封装的概念由芯片转向???、部件或者系统。

            2D集成的SiP,其工艺路线和MCM非常相似,和MCM主要的区别在于2D集成的SiP规模比MCM大,并且能够形成独立的系统。首先制作有机基板或者高密度陶瓷基板,然后在此基础上进行封装和测试。


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            2D 集成示意图

            此外,基于FOWLP的集成,例如INFO,虽然没有基板,也可以归结为2D集成。


            2D+ 集成


            2D+集成是指的传统的通过键合线连接的芯片堆叠集成。也许会有人问,芯片堆叠不就是3D吗,为什么要定义为2D+集成呢?

            主要基于以下两点原因:1)3D集成目前在很大程度上特指通过3D TSV的集成,为了避免概念混淆,我们定义这种传统的芯片堆叠为2D+集成;2)虽然物理结构上是3D的,但其电气互连上均需要通过基板,即先通过键合线键合到基板,然后在基板上进行电气互连。这一点和2D集成相同,比2D集成改进的是结构上的堆叠,能够节省封装的空间,因此称之为2D+集成。

            物理结构:所有芯片和无源器件均地位于XY平面上方,部分芯片不直接接触基板,基板上的布线和过孔均位于XY平面下方;电气连接:均需要通过基板(除了极少数通过键合线直接连接的键合点)。

            下图所示几种集成均属于2D+集成。

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            2D+ 集成示意图

            此外,对于PoP (Package on Package) 类的集成方式,也可以根据其物理结构和电气连接,将其归结为2D+集成。


            2.5D 集成


            2.5D顾名思义是介于2D和3D之间,通常是指既有2D的特点,又有部分3D的特点的一种维度,现实中并不存在2.5D这种维度。

            物理结构:所有芯片和无源器件均XY平面上方,至少有部分芯片和无源器件安装在中介层上(Interposer),在XY平面的上方有中介层的布线和过孔,在XY平面的下方有基板的布线和过孔。电气连接:中介层(Interposer)可提供位于中介层上的芯片的电气连接。

            2.5D集成的关键在于中介层Interposer,一般会有几种情况,1)中介层是否采用硅转接板,2)中介层是否采用TSV,3)采用其他类型的材质的转接板;在硅转接板上,我们将穿越中介层的过孔称之为TSV,对于玻璃转接板,我们称之为TGV。

            硅中介层有TSV的集成是最常见的一种2.5D集成技术,芯片通常通过MicroBump和中介层相连接,作为中介层的硅基板采用Bump和基板相连,硅基板表面通过RDL布线,TSV作为硅基板上下表面电气连接的通道,这种2.5D集成适合芯片规模比较大,引脚密度高的情况,芯片一般以FlipChip形式安装在硅基板上。

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            有TSV的2.5D集成示意图

            硅中介层无TSV的2.5D集成的结构一般如下图所示,有一颗面积较大的裸芯片直接安装在基板上,该芯片和基板的连接可以采用Bond Wire或者Flip Chip两种方式,大芯片上方由于面积较大,可以安装多个较小的裸芯片,但小芯片无法直接连接到基板,所以需要插入一块中介层(Interposer),在中介层上方安装多个裸芯片,中介层上有RDL布线,可将芯片的信号引出到中介层的边沿,然后通过Bond Wire连接到基板。这类中介层通常不需要TSV,只需要通过Interposer上表面的布线进行电气互连,Interposer采用Bond Wire和封装基板连接。

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            无TSV的2.5D集成示意图

            现在,EDA工具对2.5D集成有了很好的支持,下图所示为Mentor (Siemens EDA) 中实现的2.5D集成设计。

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            Siemens EDA中实现的2.5D集成设计




            3D 集成


            3D集成和2.5D集成的主要区别在于:2.5D集成是在中介层Interposer上进行布线和打孔,而3D集成是直接在芯片上打孔(TSV)和布线(RDL),电气连接上下层芯片。

            物理结构:所有芯片和无源器件均位于XY平面上方,芯片堆叠在一起,在XY平面的上方有穿过芯片的TSV,在XY平面的下方有基板的布线和过孔。电气连接:通过TSV和RDL将芯片直接电气连接。

            3D集成大多数应用在同类芯片堆叠中,多个相同的芯片垂直堆叠在一起,通过穿过芯片堆叠的TSV互连,如下图所示。同类芯片集成大多应用在存储器集成中,例如DRAM Stack,FLASH Stack等。

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            同类芯片的3D集成示意图

            不同类芯片的3D集成中,一般是将两种不同的芯片垂直堆叠,并通过TSV电气连接在一起,并和下方的基板互连,有时候需要在芯片表面制作RDL来连接上下层的TSV。

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            不同类芯片的3D集成示意图

            现在,EDA工具对3D集成有了很好的支持,下图所示为Mentor (Siemens EDA) 中实现的3D集成设计。

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            Siemens EDA中实现的3D集成设计



            4D 集成


            前面介绍了2D,2D+,2.5D,3D集成,4D集成又是如何定义的呢?

            在前面介绍的几种集成中,所有的芯片(Chip),中介板(interposer)和基板(Substrate),在三维坐标系中,其Z轴均是竖直向上,即所有的基板和芯片都是平行安装的。在4D集成中,这种情况则发生了改变。

            当不同基板所处的XY平面并不平行,即不同基板的Z轴方向有所偏移,我们则可定义此类集成方式为4D集成。物理结构:多块基板以非平行方式安装,每块基板上都安装有元器件,元器件安装方式多样化。电气连接:基板之间通过柔性电路或者焊接连接,基板上芯片电气连接多样化。

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            基于刚柔基板的4D集成示意图

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            气密性陶瓷4D集成示意图

            4D集成定义主要是关于多块基板的方位和相互连接方式,因此在4D集成也会包含有2D,2D+,2.5D,3D的集成方式。

            通过4D集成技术可以解决平行三维堆叠所无法解决的问题,提供更多、更灵活的芯片安装空间,解决大功率芯片的散热问题,以及航空航天、军工等领域应用中最主要的气密性问题。

            现在,EDA工具对4D集成也有了很好的支持,如下图所示为Mentor (Siemens EDA) 中实现的4D集成设计。

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            Siemens EDA中实现的4D集成设计

            4D集成技术提升了集成的灵活性和多样化,展望未来,在SiP的集成方式中,4D集成技术必定占有一席之地,并将成为继2D、2D+、2.5D、3D集成技术之后重要的集成技术。

            从严格物理意义上来说,以现有的人类认知出发,所有的物体都是三维的, 二向箔并不存在,四维空间更待考证。为了便于区分多种不同的集成方式,我们将其分为2D、2D+、2.5D、3D,4D这5种集成方式。


            Cavity 集成


            Cavity腔体是在基板上开的一个孔槽,通常不会穿越所有的板层。腔体可以是开放式的,也可以是密闭在内层空间的腔体,腔体可以是单级腔体也可以是多级腔体,所谓多级腔体就是在一个腔体的内部再挖腔体,逐级缩小,如同城市中的下沉广场一样。

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            多级腔体示意图

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            埋入式腔体示意图

            通过腔体结构可以提升键合线的稳定性,增强陶瓷封装的气密性,并且可以通过腔体结构双面安装元器件。


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            通过腔体结构提高键合线稳定性

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            通过腔体结构双面安装元器件


            Planar 集成


            Planar集成技术也称为平面埋置技术,是通过特殊的材料制作电阻、电容、电感等平面化无源器件,并印刷在基板表面或者嵌入到基板的板层之间的一种技术。

            将电阻、电容、电感等无源元件通过设计和工艺的结合,以蚀刻或印刷方法将无源元件做在基板表层或者内层,用来取代基板表面需要焊接的无源元件,从而提高有源芯片的布局空间及布线自由度,这种方法制作的电阻、电容、电感基本没有高度,不会影响基板的厚度。

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            7种集成技术汇总


            通过下面一个表格,我们将电子集成技术进行汇总,通过物理结构和电气连接两大指标对7种集成技术进行分类,并通过图例查看其典型的结构。


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            在下面一张图中,我们将7种集成技术汇聚到了一个设计中,让它们来一个大团圆。在基板的表面从左至右分别是2D, 2D+, 2.5D, 3D, 4D五种集成,在基板内部则包含了Cavity和Planar两种集成。

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            今天,我们从物理结构和电气连接两大判据,总结了七种电子集成技术。



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            针对电子制程精密焊后清洗的不同要求,合明科技在水基清洗方面有比较丰富的经验,对于有着低表面张力、低离子残留、配合不同清洗工艺使用的情况,自主开发了较为完整的水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多(测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分),清洗速度更快,离子残留低、干净度更好。

             

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            【阅读提示】

            以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

             

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