疊層式3D封裝技術及其應用

李振華+加海+孫成思

摘要：隨著科學技術的發展，電子設備的發展越來越傾向于追求便攜化、精密化和低功耗化，在這一趨勢下，疊層式3D封裝技術應運而生。疊層式3D封裝技術是在2D平面封裝的基礎上，將芯片、硅、圓片等組件堆疊互連，形成三維封裝。疊層式3D封裝具有集成度高、尺寸小、生產成本低等特點，因此它在市場中擁有廣闊的應用前景。以下我將總結疊層式3D封裝的類型、性能以及應用現狀。

關鍵詞：疊層式3D封裝；特點；應用

3D封裝技術發展迅速的原因，首先是順應便攜式電子產品的發展趨勢，提高芯片的運行速度，同時在有限的空間內實現功能的多樣化和存儲容量的擴大化，原來的傳統技術已經無法滿足要求；其次，連接芯片的引線過長，數據傳輸速度也隨之變慢，目前芯片工作的最高頻率已經超過了PCB的信號傳輸速度標準，因此，只能通過3D封裝技術，大大縮短引線長度，減小芯片尺寸，提高芯片性能。

1 疊層式3D封裝的分類

1.1芯片疊層

芯片疊層包括三種形式，一是兩個及以上芯片互相堆疊，芯片在原先的X-Y二維平面上沿著Z方向堆疊，并采用引線鍵合的方式進行互連和封裝；二是芯片與圓片堆疊，芯片與圓片堆疊以后采用倒裝方式和置球鍵合方式來進行互連；三是圓片與圓片堆疊，即將完成擴散的晶圓研磨成薄片后逐層堆疊，并通過微小的通孔而實現互連，[1]這一種形式能夠使芯片立體堆疊的密度更大，并縮小了整體尺寸，降低了功耗，提高了芯片的速度。

1.2封裝疊層

封裝疊層主要分為兩種種形式，一是封裝內封裝（PIP），即把多個芯片立體堆疊在同一個封裝腔體內；二是封裝外封裝（POP），把兩個相匹配的封裝件通過引線或者基板互連一個封裝體內，[2]這種封裝方式能保證各組裝器件的獨立和自由，便于檢修。

2 疊層式3D封裝的性能

2.1疊層式3D封裝的優勢

體積重量小，硅片利用效率高。疊層式3D封裝是多層芯片或者圓片朝著立體的Z方向堆疊而成，這種技術縮小了芯片在PCB上所占的面積，使設備在原來的基礎上縮小10倍以上的體積，減輕6倍以上的重量，具有高密度的特點。MCM中由于使用了裸芯片使芯片所占面積減小，而三維封裝更加有效地利用了硅電路板，與其它二維封裝技術相比，三疊層式3D封裝技術的硅片效率超過100%。[3]

信號延遲短，噪聲小。疊層式3D封裝是把芯片垂直堆疊在一起，縮短了芯片間的互連長度。在電子設備中，信號要通過互連導線進行輸送，互連長度越大，信號的傳輸時間越長，在這個過程中可能受到的干擾也越多。因此，疊層式3D封裝通過縮短互連長度，提高了信號傳輸的速度，同時也降低了電容和電感的干擾，減小了運行時產生的噪聲，[4]降低了功耗。

運行速度快。在計算機和通信系統中，互連的帶寬，特別是存儲器的帶寬，關系著整個設備的運行速度。3D疊層封裝技術可把系統CPU和存儲器芯片進行集成封裝，增加帶寬，提高系統的運行速度。

2.2疊層式3D封裝的劣勢

散熱不穩定。疊層式3D封裝是把多層芯片垂直堆疊并封裝在一個較小的空間內，相比于傳統的平面封裝方式，3D封裝中芯片內部的熱量不易分散。若芯片在工作時產生的熱量沒有及時釋放，將過度增加封裝體內的溫度，影響芯片運行的穩定性，嚴重情況下甚至會燒壞芯片。疊層式3D封裝技術不能僅僅在芯片表層設置散熱裝備，更應研究出能幫助內部芯片及時散熱的方法。

制造難度大。疊層式3D封裝是高密度集成式的，封裝體內部空間有限，多種材料、多條電路全部分布在這個空間里，使得封裝體內的電磁場十分復雜，易引發嚴重的隔離度、信號波形畸變等問題。這對疊層式3D封裝的技術要求高，需要技術型的專業人才去進行設計，制造成本也大。

3 疊層式3D封裝技術的應用

3.1在多媒體內存方面的應用

隨著科學技術的發展，計算機和各種通訊設備的普及率越來越高在這個大數據、信息化的時代，各種電子設備的擴容問題亟待解決，疊層式3D封裝技術的出現，為解決這一問題提供了新的思路。2006年初，ST微電子推出的內存封裝使用POP技術，設計目的是支持分隔總線和共享總線架構；2006年閃存產品供應商SPANSION，推出了尺寸為12*12mm與 15*15mm的POP存貯器封裝；2007年，Toshiba America Electronic Components Inc也在利用POP技術的條件下推出了一個新的大容量存貯器封裝，它的尺寸只有14*14mm和15*15mm；近期KINGMAX公司采用獨家PIPTM封裝技術，推出CLASS10 MICROSDHC卡，具有傳輸超高速、兼容性高、存儲容量大的特點。[5]3D封裝允許設計師把POP內存封裝和支持POP的邏輯芯片在短時間內堆疊在一起，使產品的合格率提高，從而也簡化了產品檢測的流程，提高了效率，縮短了上市時間；2013年閃存廠SPANSION聯手無線廠商ATHEROS針對雙模手機推出了閃存+無線局域網的POP包裝。[]以上事例表明，三維封裝技術在多媒體存儲領域中占有重要地位。

3.2在系統封裝（SIP）中的應用

在半導體技術的發展推動下，芯片集成的功能越來越多樣化，工作性能也越來越優化，此時單一的封裝體難以實現各種復雜的功能，而系統封裝運用了3D技術后則可以達到這個標準。芯片之間的互連長度在3D封裝技術的使用下明顯縮短，幾個不同的功能模塊組合在一起成為一個單一的封裝，具有更為豐富的功能，同時有效地降低了所占PCB面積的大小，紅外或藍牙芯片也可以集成在這個單一的封裝體內，能夠有效實現對外數據交換[6]。同時，3D封裝減少了外圍電路元件的數量，從而降低了電路的功耗。以博通公司為例，它通過3D封裝技術，推出了BCM21982系統芯片，它支持20個頻帶，將WiFi藍牙、電源管理和射頻電路集成為一體，體積在原來的基礎上減小了30%；2013年，RAMBUS公司首次推出了“R+ LPDDR3”，這個方案主要針對移動領域，內存將控制器和DRAM接口整合，支持1600-3200 Mbps的數據傳輸速率，帶寬最大速率為12.8 GB / s；藍魔W32是一款Android平板電腦，它是世界上第一個使用Intel Atom Z2460處理器的電子設備，[7]Intel Atom Z2460處理器就是一種系統級芯片，工作頻率為400 MHz。顯然，將疊層式封裝技術與系統芯片的封裝相結合，極大地提高了芯片的性能。

4 國內疊層式封裝技術發展的局限

缺少專業技術人才。封裝技術研發能力不足，生產工藝程序設計不周全，可操作性差，執行能力弱。

封裝設備、封裝材料不夠先進。配套不全且質量不穩定，封裝設備維護保養能力欠缺，缺少有經驗的維修工程師，且可靠性實驗設備不齊全，失效分析能力不足。

封裝企業缺少技術和資金支持。除個別企業外，國內封裝企業普遍規模較小，從事低端產品生產的居多，可持續發展能力低，缺乏向高檔發展的技術和資金。

企業管理能力有待提高。流程整合不夠，團隊合作不強，缺少現代企業管理的機制和理念。

5 結語

集成電路封裝技術正朝著高速率、多功能、低功耗、窄間距、小尺寸、低成本的方向，它逐漸成為關系著電子產業發展的一門重要技術，未來微系統是一種必然趨勢，疊層式3D封裝技術有利于幫助系統實現這一變化。目前疊層式封裝技術主要應用于計算機、航空、衛星、軍事、通訊、汽車電子等領域，在封裝技術研究人員的不斷探索中，疊層式3D封裝技術將在更多的領域得到廣泛應用。因此，國內應高度重視疊層式3D封裝技術的發展，為其提供充足的資金和技術支持。

參考文獻

[1]陸軍.3D封裝[J].集成電路通訊，2005，23（4）：41-42.

[2]顧勇，王莎鷗，趙建明，胡永達，楊邦朝.高密度3-D封裝技術的應用與發展趨勢[J].電子元件與材料，2010，29（7）.

[3]李秀清.高密度三維封裝技術[J].半導體情報，1998，35（6）：26.

[4]郝旭丹，金娜，王明皓.三維封裝疊層技術[J].微處理機，2011（4）：18.

[5]王彥橋，劉曉陽，朱敏.疊層式3D封裝技術發展現狀[J].行業資訊（封裝專題），2013，32（10）：69.endprint