李振华+加海+孙成思

摘要：随着科学技术的发展，电子设备的发展越来越倾向于追求便携化、精密化和低功耗化，在这一趋势下，叠层式3D封装技术应运而生。叠层式3D封装技术是在2D平面封装的基础上，将芯片、硅、圆片等组件堆叠互连，形成三维封装。叠层式3D封装具有集成度高、尺寸小、生产成本低等特点，因此它在市场中拥有广阔的应用前景。以下我将总结叠层式3D封装的类型、性能以及应用现状。

关键词：叠层式3D封装；特点；应用

3D封装技术发展迅速的原因，首先是顺应便携式电子产品的发展趋势，提高芯片的运行速度，同时在有限的空间内实现功能的多样化和存储容量的扩大化，原来的传统技术已经无法满足要求；其次，连接芯片的引线过长，数据传输速度也随之变慢，目前芯片工作的最高频率已经超过了PCB的信号传输速度标准，因此，只能通过3D封装技术，大大缩短引线长度，减小芯片尺寸，提高芯片性能。

1 叠层式3D封装的分类

1.1芯片叠层

芯片叠层包括三种形式，一是两个及以上芯片互相堆叠，芯片在原先的X-Y二维平面上沿着Z方向堆叠，并采用引线键合的方式进行互连和封装；二是芯片与圆片堆叠，芯片与圆片堆叠以后采用倒装方式和置球键合方式来进行互连；三是圆片与圆片堆叠，即将完成扩散的晶圆研磨成薄片后逐层堆叠，并通过微小的通孔而实现互连，[1]这一种形式能够使芯片立体堆叠的密度更大，并缩小了整体尺寸，降低了功耗，提高了芯片的速度。

1.2封装叠层

封装叠层主要分为两种种形式，一是封装内封装（PIP），即把多个芯片立体堆叠在同一个封装腔体内；二是封装外封装（POP），把两个相匹配的封装件通过引线或者基板互连一个封装体内，[2]这种封装方式能保证各组装器件的独立和自由，便于检修。

2 叠层式3D封装的性能

2.1叠层式3D封装的优势

体积重量小，硅片利用效率高。叠层式3D封装是多层芯片或者圆片朝着立体的Z方向堆叠而成，这种技术缩小了芯片在PCB上所占的面积，使设备在原来的基础上缩小10倍以上的体积，减轻6倍以上的重量，具有高密度的特点。MCM中由于使用了裸芯片使芯片所占面積减小，而三维封装更加有效地利用了硅电路板，与其它二维封装技术相比，三叠层式3D封装技术的硅片效率超过100%。[3]

信号延迟短，噪声小。叠层式3D封装是把芯片垂直堆叠在一起，缩短了芯片间的互连长度。在电子设备中，信号要通过互连导线进行输送，互连长度越大，信号的传输时间越长，在这个过程中可能受到的干扰也越多。因此，叠层式3D封装通过缩短互连长度，提高了信号传输的速度，同时也降低了电容和电感的干扰，减小了运行时产生的噪声，[4]降低了功耗。

运行速度快。在计算机和通信系统中，互连的带宽，特别是存储器的带宽，关系着整个设备的运行速度。3D叠层封装技术可把系统CPU和存储器芯片进行集成封装，增加带宽，提高系统的运行速度。

2.2叠层式3D封装的劣势

散热不稳定。叠层式3D封装是把多层芯片垂直堆叠并封装在一个较小的空间内，相比于传统的平面封装方式，3D封装中芯片内部的热量不易分散。若芯片在工作时产生的热量没有及时释放，将过度增加封装体内的温度，影响芯片运行的稳定性，严重情况下甚至会烧坏芯片。叠层式3D封装技术不能仅仅在芯片表层设置散热装备，更应研究出能帮助内部芯片及时散热的方法。

制造难度大。叠层式3D封装是高密度集成式的，封装体内部空间有限，多种材料、多条电路全部分布在这个空间里，使得封装体内的电磁场十分复杂，易引发严重的隔离度、信号波形畸变等问题。这对叠层式3D封装的技术要求高，需要技术型的专业人才去进行设计，制造成本也大。

3 叠层式3D封装技术的应用

3.1在多媒体内存方面的应用

随着科学技术的发展，计算机和各种通讯设备的普及率越来越高在这个大数据、信息化的时代，各种电子设备的扩容问题亟待解决，叠层式3D封装技术的出现，为解决这一问题提供了新的思路。2006年初，ST微电子推出的内存封装使用POP技术，设计目的是支持分隔总线和共享总线架构；2006年闪存产品供应商SPANSION，推出了尺寸为12*12mm与 15*15mm的POP存贮器封装；2007年，Toshiba America Electronic Components Inc也在利用POP技术的条件下推出了一个新的大容量存贮器封装，它的尺寸只有14*14mm和15*15mm；近期KINGMAX公司采用独家PIPTM封装技术，推出CLASS10 MICROSDHC卡，具有传输超高速、兼容性高、存储容量大的特点。[5]3D封装允许设计师把POP内存封装和支持POP的逻辑芯片在短时间内堆叠在一起，使产品的合格率提高，从而也简化了产品检测的流程，提高了效率，缩短了上市时间；2013年闪存厂SPANSION联手无线厂商ATHEROS针对双模手机推出了闪存+无线局域网的POP包装。[]以上事例表明，三维封装技术在多媒体存储领域中占有重要地位。

3.2在系统封装（SIP）中的应用

在半导体技术的发展推动下，芯片集成的功能越来越多样化，工作性能也越来越优化，此时单一的封装体难以实现各种复杂的功能，而系统封装运用了3D技术后则可以达到这个标准。芯片之间的互连长度在3D封装技术的使用下明显缩短，几个不同的功能模块组合在一起成为一个单一的封装，具有更为丰富的功能，同时有效地降低了所占PCB面积的大小，红外或蓝牙芯片也可以集成在这个单一的封装体内，能够有效实现对外数据交换[6]。同时，3D封装减少了外围电路元件的数量，从而降低了电路的功耗。以博通公司为例，它通过3D封装技术，推出了BCM21982系统芯片，它支持20个频带，将WiFi蓝牙、电源管理和射频电路集成为一体，体积在原来的基础上减小了30%；2013年，RAMBUS公司首次推出了“R+ LPDDR3”，这个方案主要针对移动领域，内存将控制器和DRAM接口整合，支持1600-3200 Mbps的数据传输速率，带宽最大速率为12.8 GB / s；蓝魔W32是一款Android平板电脑，它是世界上第一个使用Intel Atom Z2460处理器的电子设备，[7]Intel Atom Z2460处理器就是一种系统级芯片，工作频率为400 MHz。显然，将叠层式封装技术与系统芯片的封装相结合，极大地提高了芯片的性能。

4 国内叠层式封装技术发展的局限

缺少专业技术人才。封装技术研发能力不足，生产工艺程序设计不周全，可操作性差，执行能力弱。

封装设备、封装材料不够先进。配套不全且质量不稳定，封装设备维护保养能力欠缺，缺少有经验的维修工程师，且可靠性实验设备不齐全，失效分析能力不足。

封装企业缺少技术和资金支持。除个别企业外，国内封装企业普遍规模较小，从事低端产品生产的居多，可持续发展能力低，缺乏向高档发展的技术和资金。

企业管理能力有待提高。流程整合不够，团队合作不强，缺少现代企业管理的机制和理念。

5 结语

集成电路封装技术正朝着高速率、多功能、低功耗、窄间距、小尺寸、低成本的方向，它逐渐成为关系着电子产业发展的一门重要技术，未来微系统是一种必然趋势，叠层式3D封装技术有利于帮助系统实现这一变化。目前叠层式封装技术主要应用于计算机、航空、卫星、军事、通讯、汽车电子等领域，在封装技术研究人员的不断探索中，叠层式3D封装技术将在更多的领域得到广泛应用。因此，国内应高度重视叠层式3D封装技术的发展，为其提供充足的资金和技术支持。

参考文献

[1]陆军.3D封装[J].集成电路通讯，2005，23（4）：41-42.

[2]顾勇，王莎鸥，赵建明，胡永达，杨邦朝.高密度3-D封装技术的应用与发展趋势[J].电子元件与材料，2010，29（7）.

[3]李秀清.高密度三维封装技术[J].半导体情报，1998，35（6）：26.

[4]郝旭丹，金娜，王明皓.三维封装叠层技术[J].微处理机，2011（4）：18.

[5]王彦桥，刘晓阳，朱敏.叠层式3D封装技术发展现状[J].行业资讯（封装专题），2013，32（10）：69.endprint