王新潮，陳靈芝

(1.江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司，江蘇江陰214400；2.江陰芯智聯(lián)電子科技有限公司，江蘇江陰214400）

塑封互聯(lián)MIS高可靠性封裝及板級(jí)封裝新技術(shù)

王新潮1，陳靈芝2

(1.江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司，江蘇江陰214400；2.江陰芯智聯(lián)電子科技有限公司，江蘇江陰214400）

塑封互聯(lián)MIS技術(shù)是一種高性能、高可靠性封裝基板及板級(jí)嵌入式封裝技術(shù)，其靈活的布線及特有的材料結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，結(jié)合MIS基板中銅布線超粗化等表面處理工藝，在電、熱性能及可靠性方面相比現(xiàn)有BGA、QFN等封裝凸顯出顯著的優(yōu)勢(shì)?；贛IS工藝的靈活性，目前在封裝領(lǐng)域尤其在嵌入式封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝等方面表現(xiàn)優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、工業(yè)控制、IOT等電子產(chǎn)品的射頻類、電源管理類器件的封裝中。文章對(duì)MIS技術(shù)主要工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)、在各類封裝中的應(yīng)用、電熱性能等進(jìn)行了闡述。

MIS；嵌入式封裝；銅柱；半蝕刻

1 引言

隨著集成電路產(chǎn)品性能的進(jìn)一步提高及超薄的需求，芯片制造工藝中節(jié)點(diǎn)微縮的難度及成本越來越高，進(jìn)一步的功能集成及性能提升逐步轉(zhuǎn)向封裝技術(shù)的研發(fā)與整合，封裝在半導(dǎo)體產(chǎn)品中的相對(duì)價(jià)值越來越高，封裝行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和增長(zhǎng)逐步支撐集成電路產(chǎn)業(yè)的整體增長(zhǎng)，成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。為了滿足未來5G通信技術(shù)、無人駕駛、智能穿戴等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，以及隨之而來的高頻信號(hào)傳輸與高速數(shù)據(jù)交換，對(duì)產(chǎn)品的電熱性能及可靠性提出了更高的要求，同時(shí)要求支持高密度、多功能系統(tǒng)集成，使得芯片制造與封裝、封裝與基板制造、封裝與組裝等開始逐步相互滲透、相互融合，推動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上下整合。

Molded interconnect system（MIS）[1]技術(shù)作為一項(xiàng)新的封裝基板及板級(jí)（panel level）嵌入式封裝技術(shù)被提出，創(chuàng)新性地將封裝工藝與高密度基板制作技術(shù)相結(jié)合，導(dǎo)入高密度互聯(lián)布線設(shè)計(jì)，嵌入芯片或被動(dòng)元件等，極大地提高了封裝的靈活性，可滿足當(dāng)今電子產(chǎn)品高頻、高速、多功能以及更輕、更小和更薄的需求，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。

2 MIS封裝技術(shù)流程及主要特點(diǎn)

MIS封裝技術(shù)是在金屬載板上圖形電鍍及實(shí)心銅柱電鍍成形工藝的基礎(chǔ)上，借助封裝技術(shù)中的包封工藝、芯片貼裝工藝（FC或WB）、元件貼裝工藝等來實(shí)現(xiàn)更高的布線密度、更優(yōu)的電傳輸性能，以完成多功能集成的一項(xiàng)新型封裝技術(shù)。

MIS板級(jí)封裝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法為：在覆銅金屬板上通過光刻(lithography)、電鍍成形來完成內(nèi)層線路的布線及導(dǎo)通銅柱的制作；然后通過預(yù)包封工藝，實(shí)現(xiàn)線路的嵌入式結(jié)構(gòu)與線路間的絕緣；再通過芯片貼裝或被動(dòng)元件貼裝來完成芯片或被動(dòng)元件的嵌入，最后通過窗口蝕刻完成外引腳的露出等。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 MIS板級(jí)封裝技術(shù)典型工藝流程

從以上簡(jiǎn)要流程中可以看出：MIS基板封裝工藝技術(shù)在增層工藝（build-up）的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品需求，可以對(duì)布線、壓膜、芯片貼裝及SMT等工藝進(jìn)行組合運(yùn)用，是一種全新的封裝與基板融合技術(shù)，給設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成帶來了很大的靈活性。另外，由于在工藝過程中，層間布線連接采用的是實(shí)心銅柱電鍍工藝，絕緣材料選用的是塑封樹脂材料，如圖2（a），該材料結(jié)構(gòu)給所封裝產(chǎn)品帶來了優(yōu)異的電性能、熱性能；同時(shí)，在金屬層表面及側(cè)壁運(yùn)用粗化處理工藝，如圖2（b），加大了金屬與絕緣材料、金屬表面與芯片結(jié)合處等的結(jié)合力，降低了分層風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升了封裝的可靠性。

圖2 MIS實(shí)心銅柱結(jié)構(gòu)

3 MIS封裝技術(shù)的典型應(yīng)用

MIS封裝技術(shù)因其在材料結(jié)構(gòu)及工藝上特有的優(yōu)勢(shì)，在多功能系統(tǒng)集成及高散熱、低功耗及高可靠性上具有優(yōu)勢(shì)。

3.1 高可靠性MIS封裝應(yīng)用

一直以來，陶瓷封裝是封裝領(lǐng)域中高可靠性封裝的代表，在一些可靠性要求較高的領(lǐng)域，由于常規(guī)引線框架或有機(jī)基板模塑封裝很難達(dá)到這一要求，使得很多情況下使用者只能選擇氣密性陶瓷封裝來實(shí)現(xiàn)，但是隨著產(chǎn)品小型化、多功能集成以及陶瓷基板在高密度布線上的困難，促使部分陶瓷封裝產(chǎn)品有轉(zhuǎn)用塑封封裝的需求。然而在這些封裝產(chǎn)品領(lǐng)域中，分析其可靠性要求，首先最基本的是必須達(dá)到在封裝器件層面上要通過高加速溫濕度及偏壓測(cè)試HAST500（Highly Accelerated Stress Test，HAST）試驗(yàn)考核，而這一試驗(yàn)考核是在130℃、相對(duì)濕度85%同時(shí)加負(fù)載的條件下進(jìn)行的，對(duì)目前常規(guī)有機(jī)基板類封裝及引線框架類封裝來講，該可靠性試驗(yàn)通過的可能性較低。但是MIS封裝利用電鍍銅柱技術(shù)及粗化處理，以及對(duì)絕緣材料的選型，在多個(gè)產(chǎn)品上做到了可通過HAST500的試驗(yàn)考核，表明MIS封裝相比常規(guī)塑封封裝，具備低吸潮性及低滲水性，為部分陶瓷封裝轉(zhuǎn)用塑封封裝或高可靠性封裝產(chǎn)品提供了新的選擇，如圖3（a）、圖3（b）。

3.2 側(cè)壁上錫的MIS封裝技術(shù)

為了提高汽車器件焊接的可靠性，器件會(huì)要求其貼裝到PCB板上時(shí)引出端具備側(cè)壁爬錫的要求，以直觀地檢查焊接質(zhì)量及確保可靠的焊接性。目前多數(shù)QFN引線框都是通過在管腳上蝕刻出一個(gè)凹槽的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)側(cè)壁上錫，典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，封裝側(cè)壁的引出端部位有露銅問題。

圖3 通過HAST500考核的部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)

圖4 典型QFN引線框凹槽結(jié)構(gòu)及爬錫圖

圖5 可側(cè)壁爬錫俯視結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖6 可側(cè)壁爬錫的MIS結(jié)構(gòu)

圖5是可側(cè)壁爬錫俯視圖QFN與MIS結(jié)構(gòu)對(duì)比，圖6是通過半蝕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可側(cè)壁爬錫的MIS產(chǎn)品剖面結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖，比只有凹槽的QFN引出端具有全側(cè)壁可爬錫，在焊接焊點(diǎn)外觀及焊接可靠性上表現(xiàn)更優(yōu)。加上MIS靈活的布線及MSL1的可靠性，為可靠性要求高的汽車產(chǎn)品封裝提供了新的解決方案。

3.3 MIS板級(jí)fan out及3D封裝技術(shù)

為了進(jìn)一步縮小封裝尺寸及適應(yīng)高頻、高速信號(hào)傳輸?shù)囊螅瑫r(shí)進(jìn)一步提升封裝產(chǎn)品的電、熱特性及機(jī)械性能等，新興的板級(jí)fan out技術(shù)及3D封裝技術(shù)越來越成為未來又一主要的先進(jìn)封裝技術(shù)。MIS技術(shù)整體以Build-up工藝為基礎(chǔ)，為其從基板制造進(jìn)一步延伸到板級(jí)封裝或3D集成封裝賦予了優(yōu)勢(shì)，同時(shí)MIS技術(shù)采用特有的超高銅柱電鍍技術(shù)、研磨技術(shù)等，也在板級(jí)fanout及3D封裝中凸顯出其特有的性能優(yōu)勢(shì)。

圖7 MIS板級(jí)fan out及3D封裝結(jié)構(gòu)圖

圖7（a）是一款封裝體內(nèi)集成天線的產(chǎn)品示意圖，為了匹配未來5G通信技術(shù)產(chǎn)品的需求，考慮到產(chǎn)品的高頻傳輸要求，在絕緣材料的選型上，特別針對(duì)不同高頻介電性能的絕緣材料進(jìn)行了對(duì)比選擇。由于5G通信技術(shù)平臺(tái)上信號(hào)傳輸頻率會(huì)達(dá)到幾十GHz，接收發(fā)送天線的尺寸顯著減小，使得天線集成在封裝體內(nèi)成為可能。圖7（b）為MIS-3D封裝，在芯片嵌入的基礎(chǔ)上，三維迭加電感、電阻等被動(dòng)組件，實(shí)現(xiàn)MIS 3D封裝，目前該MIS-3D封裝技術(shù)已被成功應(yīng)用到多款穿戴式電子產(chǎn)品的電源管理芯片中。

4 MIS封裝熱性能、電性能

4.1 熱性能仿真

為了評(píng)估MIS封裝與目前先進(jìn)封裝代表eWLB封裝的散熱性能，分別選用MIS封裝與eWLB封裝進(jìn)行了熱仿真分析，仿真產(chǎn)品具體封裝結(jié)構(gòu)、各材料熱導(dǎo)率及PCB板結(jié)構(gòu)如表1～3所示。

表1 兩種封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 各材料熱導(dǎo)率表

表3 PCB結(jié)構(gòu)參數(shù)

MIS封裝與eWLB封裝的仿真結(jié)果如表4和圖8所示(熱阻仿真根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD51-2進(jìn)行)。

表4 熱阻仿真分析結(jié)果

圖8 熱場(chǎng)分布圖

分析結(jié)果顯示，對(duì)于同一款設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，MIS封裝與eWLB封裝相比，在環(huán)境溫度25℃、功耗為0.3 W的條件下，其封裝體熱阻要低8%左右。

4.2 電性能仿真

針對(duì)MIS基板封裝產(chǎn)品與有機(jī)基板封裝產(chǎn)品進(jìn)行了電性能仿真分析對(duì)比，任意選取MIS基板及常規(guī)IC基板完全一致的6條金屬線路，對(duì)比分析金屬線路的寄生電感、寄生電阻及寄生電容，MIS基板結(jié)構(gòu)及有機(jī)基板結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 用于電性仿真分析的MIS基板及有機(jī)基板結(jié)構(gòu)圖

各材料電性參數(shù)如表5所示。

表5 材料電性參數(shù)

經(jīng)過仿真分析，結(jié)果如表6所示。

表6 MIS與有機(jī)基板電性仿真分析數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示MIS結(jié)構(gòu)金屬線路，不管是寄生電阻還是寄生電容、寄生電感總體上優(yōu)于有機(jī)基板金屬線路，較小的寄生電阻、電容及電感更加適用于未來高頻、高速信號(hào)傳輸產(chǎn)品電性能的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

MIS技術(shù)作為一項(xiàng)全新的封裝基板及板級(jí)封裝技術(shù)，展現(xiàn)了靈活的布線設(shè)計(jì)、更高的布線密度、得天獨(dú)厚的芯片嵌入及被動(dòng)元件嵌入的板級(jí)封裝能力，再加之其更優(yōu)的電熱性能及可靠性，順應(yīng)電子產(chǎn)品不斷向高性能、多功能、高頻傳輸方向發(fā)展的需求，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]Chew Hwee-Seng Jimmy.Semiconductor Package for Fine Pitch Miniaturization and Manufacturing Method There of [P].US patent No.7795071.

New MIS Technology for High Reliability and Panel-Level Packaging

WANG Xinchao,CHEN Lingzhi
(1.Jiangsu Changjiang Electronics Technology Co.,Ltd.,Jiangyin 214400,China; 2.MISpak Technology Co.,Ltd.,Jiangyin 214400,China)

MIS is an emerging electronic packaging technology developed for high reliability and panel level embedded packaging.Due to its flexible trace routing capability,unique material structure,process features and surface roughness treatment,MIS is of higher reliability,better electrical and thermal performance compared to standard BGA,QFN or other package types.MIS process's flexibility has distinguished it in embedded packaging or SiP packaging arena.At present,MIS has been widely applied to RF device and power management devices of cell phone,industrial control,IoT,etc.In the paper,technological features,packaging application and E&T performance of MIS technology are presented and the process flow is overviewed.

MIS;embedded packaging;copper pillar;half-etching

TN305.94

A

1681-1070（2017）07-0001-04

王新潮（1956—），男，江蘇江陰人，博士學(xué)歷，江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司董事長(zhǎng)，兼任國(guó)家集成電路封測(cè)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)，高密度集成電路封裝技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室理事長(zhǎng)，SEMI全球董事，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)，江蘇省半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)，江蘇制造強(qiáng)省建設(shè)專家咨詢委員會(huì)委員，南京大學(xué)產(chǎn)業(yè)教授，華中科技大學(xué)、東南大學(xué)兼職教授。

2017-6-5