晶片级工艺简化了气密性封装

晶片级气密性封装能够降低III-V族MMIC保护层的成本和重量，并能够将不同类型的芯片集成在一个的单独的紧凑型模块上。

 作者：Patty Chang-Chien, Xianglin Zeng, Yun Chung和Jeff Yang       Northrop Grumman空间技术公司 

 恶劣的环境是用于空间和军事应用的射频电子器件所面对的问题。湿气、机械振动和极端的气温都能让器件性能退化。所以芯片需要进行非常严密的封装来提高器件的寿命和可靠性。

传统上使用的气密性封装工艺是从半导体芯片制造开始的，一道钝化工序即可提供较少的保护，然后这些MMIC“裸片”被封装到一个球形栅状陈列（BGA）中（一种利用焊锡球以贴片形式的焊接方法)，再在集成微波组件（IMA）中进行亚模块级的密闭封装。在几个MMIC贴装到平板上之后对每一个单元都要进行密封，使用线压焊法对平板实现电连通，或者使用BGA。较后，对器件实施一系列的封装前和封装后测试来评估它的电学、机械和密封气密属性。

不幸的是这种方法有一个主要的缺陷，就是如果任何一个器件没有达到标准的要求或者任何一次IMA测试失败，这个IMA就会被迫打开，所有受到关联的部件都被替代。因此，这种气密性封装工艺成本高昂、劳动强度大并且花费时间长。

我们可以通过晶片级的气密性封装来替代IMA阶段的封装，可以实现真正的成本节约。利用成批生产工艺，在敏感性强、高性能的微电子器件的芯片成型后即刻对其进行晶片级的密封。这样可以减少组装步骤和测试，较为便宜；并且它还增加了对于便宜的、轻的、易于使用的非密封IMA材料的兼容性。失效的芯片也更容易处理，因为损坏的部件可以替换，同时还省略了在传统封装法中使用的几个步骤，比如IMA模块的再封装和测试。接缝密封的去除也简化了系统的诊断过程，相应地降低了模块级的测试时间和成本。

在传统模块中为了满足IMA的密封要求，像大体积、沉重的包装和金属填充物，它们在晶片级封装（WLP）中也能被去除。这对于空间应用来说是一个主要的优势，因为它降低了系统的重量并节约了发射成本，一个采用晶片级气密封装的收发器IC，其重量仅是使用BGA法封装的同类产品的百分之一。 WLP技术目前已经使用在硅基系统中，比如汽车安全气囊的加速器。在位于加州Redondo海滩的Northrop Grumman空间技术公司，我们将这种技术扩展到射频MMIC器件上，这是采用III-V材料制备的高性能高频率器件。WLP工艺具有新的晶片级压焊技术。

我们将工艺研究集中在四个主要方面：工艺和器件兼容性、气密性、封装可靠性和成本。

热会影响MMIC和模块的性能，这点必须在封装阶段予以规避。高温下晶片的压焊将导致在不同类材料之间出现热应力，而且如果MBE法制备的基于III-V材料的电路过热的话，外延层中的热扩散将危害到器件的可靠性。为了避免这些问题，我们开发了一种结合了低温焊点焊接和热动力学稳定的金属合金焊接工艺，此时形貌不平整不是一个问题，而在180℃相对低温下有可能实现电互连和压焊。这种技术也是通用的，它能够使用在标准的集成工艺中如焊球凸点和多晶片堆垛压焊等，这使得它适用于MMIC的多晶片异质集成封装。

高质量密封对于MMIC封装来说很重要，因为它们将器件装入了一个与湿气和有机物相隔离的环境中。这对于需要放入液体中或者是暴露在高湿度环境下的封装来说特别重要，由于湿度渗入性强，器件的有源区会凝聚液体而经常失效。排气会损害密闭体中的空洞，使一些聚合体材料丧失作用。空洞中的氧也影响了MMIC性能。但也可使用某种惰性气体如氮气来填充这些空洞，避免出现上述问题。 封装的可靠性对于长久保持器件性能很重要，所以密封必须在产品的寿命周期内在化学和物理上都是稳定的。晶片压焊工艺会因为封装和器件材料属性不一致导致裂纹的产生乃至变形，MMIC的性能变得不稳定，而且还带了噪音。为了解决这个问题，我们必须采用合理的封装设计，并能兼容低温工艺……

全文请参阅：“晶片级工艺简化了气密性封装”

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