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三維半導體堆疊技術,促進半導體封裝領域的變革性發展


近年來半導體封裝技術的六大發展趨勢。分析這些趨勢有助于我們了解封裝技術如何不斷演變并發揮作用。

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▲圖4:半導體封裝技術的發展趨勢

首先,由于散熱已經成為封裝工藝的一個重要因素,因此人們開發出了熱傳導【6】性能較好的材料和可有效散熱的封裝結構。

【6】熱傳導:指在不涉及物質轉移的情況下,熱量從溫度較高的部位傳遞到相鄰溫度較低部位的過程。

可支持高速電信號傳輸的封裝技術也成為了一種重要發展趨勢,因為封裝會限制半導體產品的速度。例如,將一個速度達每秒20千兆 (Gbps) 的半導體芯片或器件連接至僅支持每秒2千兆(Gbps) 的半導體封裝裝置時,系統感知到的半導體速度將為每秒2千兆 (Gbps)。由于連接至系統的電氣通路是在封裝中創建,因此無論芯片的速度有多快,半導體產品的速度都會極大地受到封裝的影響。這意味著,在提高芯片速度的同時,還需要提升半導體封裝技術,從而提高傳輸速度。這尤其適用于人工智能技術和5G無線通信技術。鑒于此,倒片封裝【7】和硅通孔(TSV)【8】等封裝技術應運而生,為高速電信號傳輸提供支持。

【7】倒片封裝(Flip Chip):一種通過將凸點朝下安裝于基板上,將芯片與基板連接的互連技術。

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【8】硅通孔(TSV):一種可完全穿過硅裸片或晶圓實現硅片堆疊的垂直互連通道。

另一個發展趨勢是三維半導體堆疊技術,它促進了半導體封裝領域的變革性發展。過去,一個封裝外殼內僅包含一個芯片,而如今可采用多芯片封裝(MCP)和系統級封裝(SiP)【9】等技術,在一個封裝外殼內堆疊多個芯片。


【9】系統級封裝(SiP):一種將多個器件整合在單個封裝體內構成一個系統的封裝技術。

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封裝技術還呈現半導體器件小型化的發展趨勢,即縮小產品尺寸。隨著半導體產品逐漸被用于移動甚至可穿戴產品,小型化成為客戶的一項重要需求。為了滿足這一需求,許多旨在減小封裝尺寸的技術隨之而誕生。


此外,半導體產品正越來越多地應用于各種環境中。除了健身房、辦公室或住宅等日常環境,熱帶雨林、極地地區、深海甚至太空等環境中也能見到半導體的身影。由于封裝的基本作用是保護半導體芯片和器件,因此需要開發高度可靠的封裝技術,確保半導體產品在此類極端環境下也能正常工作。


最后,由于半導體封裝是最終產品,封裝技術不僅要實現預期功能,還要具有較低的制造成本。


除了上述旨在推進封裝技術特定作用的發展趨勢,促使封裝技術發生演變的另一個驅動力是整個半導體行業的發展。在圖5中,紅色線條表示自20世紀70年代以來裝配過程中安裝的印刷電路板(PCB)【10】的特征尺寸變化情況,綠色線條則表示晶圓上CMOS晶體管的特征尺寸變化情況。縮小特征尺寸有助在印刷電路板和晶圓上繪制更小的圖案。


【10】印刷電路板(PCB):由電路組成的半導體板,且元件焊接在電路板表面。這些電路板通常用于電子設備中。

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▲圖5:隨著時間的推移,晶圓和 印刷電路板特征尺寸的變化情況


20世紀70年代,印刷電路板與晶圓的特征尺寸差異較小。如今,晶圓正在步入量產階段,同時特征尺寸小于10納米(nm)的CMOS晶體管也在開發中,而印刷電路板的特征尺寸依然在100微米(um)的范圍。兩者特征尺寸的差距在過去幾十年里顯著擴大。


由于主板以面板的形式制造,且受到成本節約策略等因素的影響,印刷電路板的特征尺寸變化不大。然而,隨著光刻技術的進步,CMOS晶體管的特征尺寸大幅縮小,這使得CMOS晶體管的尺寸與印刷電路板的尺寸差距逐漸拉大。但問題在于,半導體封裝技術需要對從晶圓上切割下來的芯片進行個性化定制,并將其安裝到印刷電路板上,因此就需要彌補印刷電路板和晶圓之間的尺寸差距。過去,兩者在特征尺寸上的差異并不明顯,因而可以使用雙列直插式封裝(DIP)【11】或鋸齒型單列式封裝(ZIP)【12】等通孔技術,將半導體封裝引線插入印刷電路板插座內。然而,隨著兩者特征尺寸差異不斷擴大,就需要使用薄型小尺寸封裝(TSOP)等表面貼裝技術(SMT)【13】將引線固定在主板表面。隨后,球柵陣列(BGA)、倒片封裝、扇出型晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)【14】及硅通孔(TSV)等封裝技術相繼問世,以彌補晶圓和主板之間不斷擴大的尺寸差異。


【11】雙列直插式封裝(DIP):一種電氣連接引腳排列成兩行的封裝技術。

【12】鋸齒型單列式封裝(ZIP):一種引腳排列成鋸齒型的封裝技術,是雙列直插式封裝的替代技術,可用于增加安裝密度。

【13】表面貼裝技術(SMT):一種通過焊接將芯片安裝到系統板表面的封裝方法。

【14】晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP):一種在晶圓級封裝集成電路的技術,是倒片封裝技術的一個變體。扇出型晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)的特點在于連接超出(“扇出”)芯片表面。

半導體堆疊技術芯片封裝清洗:

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要,一旦選定,就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種,可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣,通電后發生電化學遷移,形成樹枝狀結構體,造成低電阻通路,破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層,在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物,還有粒狀污染物,例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等,這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物,到底哪些才是最備受關注的呢?助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中,它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分,焊后必然存在熱改性生成物,這些物質在所有污染物中的占據主導,從產品失效情況來而言,焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素,離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降,松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大,嚴重者導致開路失效,因此焊后必須進行嚴格的清洗,才能保障電路板的質量。

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