本文轉(zhuǎn)發(fā)連云港杰瑞電子有限公司的臧艷麗等發(fā)表在《電子工藝技術(shù)》上的“基于疊層組裝和雙腔體結(jié)構(gòu)的高密度集成技術(shù)”，文中基于芯片堆疊和多層HTCC管殼開發(fā)了一款產(chǎn)品，在此予以介紹，供大家學(xué)習(xí)。

01雙腔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品集成11顆芯片，58個(gè)無源元件，采用雙面陶瓷管殼作為載體，進(jìn)行雙層芯片疊裝和組裝，實(shí)現(xiàn)高密度集成。殼體工藝采用高溫多層陶瓷共燒工藝，可以最大限度地增加布線密度和縮短互連線長度，從而提高組件密度和信號(hào)傳輸速度。如下圖所示，腔體內(nèi)部設(shè)計(jì)兩層深腔，留有多層芯片疊裝的立體組裝空間，設(shè)計(jì)兩層臺(tái)階鍵合區(qū)域，便于空間鍵合走線實(shí)現(xiàn)電氣連接。陶瓷基板上設(shè)計(jì)電路，通過金絲鍵合實(shí)現(xiàn)電氣互連。雙面組裝完成后進(jìn)行雙面平行封焊，最后進(jìn)行引腳成型。

02關(guān)鍵工藝技術(shù)

1）三維芯片堆疊技術(shù)

芯片堆疊結(jié)構(gòu)有三種典型的疊裝方式：1）小芯片疊裝大芯片的金字塔式；2）芯片兩側(cè)出鍵合線的十字交叉式；3）同尺寸的芯片通過墊片疊裝的懸臂梁式。前兩種芯片堆疊方式難度不大，本部分重點(diǎn)分析懸臂梁式芯片疊裝。

該技術(shù)難點(diǎn)主要有三個(gè)：1）芯片與墊片粘接、芯片與芯片粘接材料的選擇，既要具有較高粘接強(qiáng)度又要具有緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)力的能力，以適應(yīng)芯片疊裝的應(yīng)用；2）控制芯片與芯片間粘接膠量，避免溢出膠污染到鍵合區(qū)，需要采用自動(dòng)粘接設(shè)備；3）空間鍵合難度大，疊層芯片組裝的垂直空間極為有限，因此要求鍵合線必須具有盡可能低的弧高，采用反向鍵合的工藝方法，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使用等離子清洗避免洇膠影響鍵合質(zhì)量。

2）一體化雙面腔體組裝技術(shù)

該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高密度模塊的組裝，雙面安裝元器件，實(shí)現(xiàn)立體組裝，較單腔模塊體積可縮小1/3以上，雙面腔體密封，耐環(huán)境應(yīng)力可靠性高。該技術(shù)主要有兩個(gè)工藝難點(diǎn)：1）雙面腔體元器件的粘接、鍵合工藝；2）雙面腔體封焊技術(shù)。封焊技術(shù)目前有激光封焊、平行縫焊、真空熔焊等，根據(jù)所選擇的工藝和腔體材料的不同，選擇合適的封焊技術(shù)。

3）后引腳成型技術(shù)

引腳作為電氣連接和結(jié)構(gòu)支撐的用途，設(shè)計(jì)類似芯片小外形封裝，兩側(cè)出引腳數(shù)量34根，引腳材料采用柯伐合金材料。產(chǎn)品通過引腳與印制板實(shí)現(xiàn)電氣連接，整個(gè)大腔體依靠引腳支撐存在風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)增加背面腔體也起到結(jié)構(gòu)支撐作用。如果采用背面同步焊接的方式，引腳成型過程需要確保引腳底面與底層腔體蓋板面共平面，需要定制專門的工裝，背面腔與引腳的共面性要求高度差小于0.1 mm，這對引腳成型過程的控制要求更高。另一種方式采用側(cè)面打膠加固，此方法對引腳底面和底層腔體的共面性要求不高，引腳成型工藝更容易實(shí)現(xiàn)。

03芯片疊層和雙腔體工藝設(shè)計(jì)

1）客戶使用工藝性設(shè)計(jì)

客戶使用的是采用貼裝的方式將轉(zhuǎn)換器組裝到印制板上，通過34根引腳與印制板實(shí)現(xiàn)電氣連接，背面蓋板表面鍍鎳，通過Sn63Pb37與印制板表面焊接固定，焊料共晶溫度點(diǎn)183 ℃，側(cè)面點(diǎn)膠加固，背面蓋板和引腳同時(shí)起固定支撐作用。

模擬回流焊接曲線如下圖所示，經(jīng)過回流焊接過程各重要器件溫度分布情況見下表。

通過溫度分布結(jié)果顯示：芯片、元器件超過200 ℃的時(shí)間均控制在25 s以內(nèi)，雙腔體封裝后的產(chǎn)品經(jīng)過回流焊接，溫度分布對元器件影響不大，產(chǎn)品元件的可耐受峰值溫度和時(shí)間可控。

2）可靠性預(yù)測分析

高密度集成封裝中，芯片疊層技術(shù)是封裝中的薄弱點(diǎn)，因?yàn)樾酒?、墊片、陶瓷管殼三種材料熱膨脹系數(shù)存在差異，硅芯片又屬于脆性材料，粘接材料的選擇是提高芯片堆疊可靠性的基礎(chǔ)，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選擇低應(yīng)力粘接材料，匹配真實(shí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度沖擊、機(jī)械沖擊、恒定加速度模擬分析，可靠性試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果見下表。通過預(yù)測模擬分析結(jié)果顯示：1）在經(jīng)受-65~150 ℃溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，每種材料由于收縮程度不一致，芯片疊裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，2層芯片堆疊結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力100MPa，硅的破壞強(qiáng)度較高，在5~10GPa，實(shí)際損壞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度，只有30%~70%,，按照30%的破壞強(qiáng)度，受到的應(yīng)力依然是小于芯片材料的強(qiáng)度值，不會(huì)出現(xiàn)芯片開裂的問題，芯片翹曲變形最大是在最頂層，變形量最小是在最底層。

2）機(jī)械沖擊條件1500g ，0.5ms的條件作用于模型結(jié)構(gòu)，芯片受到最大等效應(yīng)力5.83MPa小于Si芯片的損壞強(qiáng)度；恒定加速度5000g ，Y2方向時(shí)間1min，芯片受到的等效最大應(yīng)力5.57MPa遠(yuǎn)小于芯片的損壞強(qiáng)度，芯片間的絕緣膠在機(jī)械沖擊和恒定加速度條件下，對芯片有緩沖作用，芯片受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于芯片的破壞強(qiáng)度。

基于真實(shí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、恒定加速度模擬分析，結(jié)果證明該產(chǎn)品的低應(yīng)力粘接膠和結(jié)構(gòu)能夠滿足產(chǎn)品的使用要求。