本文轉發(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》上的“基于疊層組裝和雙腔體結構的高密度集成技術”，文中基于芯片堆疊和多層HTCC管殼開發(fā)了一款產品，在此予以介紹，供大家學習。

01雙腔產品結構設計

產品集成11顆芯片，58個無源元件，采用雙面陶瓷管殼作為載體，進行雙層芯片疊裝和組裝，實現(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傳輸速度。如下圖所示，腔體內部設計兩層深腔，留有多層芯片疊裝的立體組裝空間，設計兩層臺階鍵合區(qū)域，便于空間鍵合走線實現(xiàn)電氣連接。陶瓷基板上設計電路，通過金絲鍵合實現(xiàn)電氣互連。雙面組裝完成后進行雙面平行封焊，最后進行引腳成型。

02關鍵工藝技術

1）三維芯片堆疊技術

芯片堆疊結構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，本部分重點分析懸臂梁式芯片疊裝。

該技術難點主要有三個：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度又要具有緩沖結構應力的能力，以適應芯片疊裝的應用；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)，需要采用自動粘接設備；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?shù)臅r候使用等離子清洗避免洇膠影響鍵合質量。

2）一體化雙面腔體組裝技術

該技術可實現(xiàn)高密度模塊的組裝，雙面安裝元器件，實現(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)境應力可靠性高。該技術主要有兩個工藝難點：1）雙面腔體元器件的粘接、鍵合工藝；2）雙面腔體封焊技術。封焊技術目前有激光封焊、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。

3）后引腳成型技術

引腳作為電氣連接和結構支撐的用途，設計類似芯片小外形封裝，兩側出引腳數(shù)量34根，引腳材料采用柯伐合金材料。產品通過引腳與印制板實現(xiàn)電氣連接，整個大腔體依靠引腳支撐存在風險，設計增加背面腔體也起到結構支撐作用。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現(xiàn)。

03芯片疊層和雙腔體工藝設計

1）客戶使用工藝性設計

客戶使用的是采用貼裝的方式將轉換器組裝到印制板上，通過34根引腳與印制板實現(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183 ℃，側面點膠加固，背面蓋板和引腳同時起固定支撐作用。

模擬回流焊接曲線如下圖所示，經過回流焊接過程各重要器件溫度分布情況見下表。

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

2）可靠性預測分析

高密度集成封裝中，芯片疊層技術是封裝中的薄弱點，因為芯片、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，通過查閱相關文獻，選擇低應力粘接材料，匹配真實的產品數(shù)據(jù)進行了溫度沖擊、機械沖擊、恒定加速度模擬分析，可靠性試驗模擬結果見下表。通過預測模擬分析結果顯示：1）在經受-65~150 ℃溫度循環(huán)試驗時，每種材料由于收縮程度不一致，芯片疊裝結構內部會產生內應力，2層芯片堆疊結構的最大應力100MPa，硅的破壞強度較高，在5~10GPa，實際損壞強度遠低于理論強度，只有30%~70%,，按照30%的破壞強度，受到的應力依然是小于芯片材料的強度值，不會出現(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）機械沖擊條件1500g ，0.5ms的條件作用于模型結構，芯片受到最大等效應力5.83MPa小于Si芯片的損壞強度；恒定加速度5000g ，Y2方向時間1min，芯片受到的等效最大應力5.57MPa遠小于芯片的損壞強度，芯片間的絕緣膠在機械沖擊和恒定加速度條件下，對芯片有緩沖作用，芯片受到的應力遠小于芯片的破壞強度。

基于真實的產品數(shù)據(jù)進行了溫度沖擊、隨機振動、恒定加速度模擬分析，結果證明該產品的低應力粘接膠和結構能夠滿足產品的使用要求。