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使用嵌入式有源芯片克服性能瓶颈

作者:Jitesh Shah Tu Vu Integrated Device Technology San Jose www.idt.com   2008-07-08   点击:1188

  在基板的core中嵌入芯片可以将芯片上的引脚几乎扩展到电路板层次,可以帮助克服性能瓶颈,因为采用这种技术之后,从芯片到电路板的互连距离相对变得更短,可以提高信号质量以及电源噪声性能。

  倒装芯片技术,在二十世纪60年代早期由IBM公司(纽约州Yorktown Heights)发明,并不是一种具体的封装或者封装类型,而是一种将芯片和载体(基板或者引线框架)进行电连接的方法。对应载体充当芯片和外部系统(典型代表是PCB)间插接头的角色。在标准封装中,首先将芯片以正面朝上(有源电路朝上)的方式粘在载体上,然后使用引线将芯片外围的焊盘与载体连接起来。引线的典型长度为1-5 mm,典型直径为0.8-1.3 mil。对于需要多个GHz的速度以及需要从电源得到即时电流的应用来说,引线键合的高阻抗以及损耗特性将会限制系统的整体性能。对比而言,使用倒装芯片技术,芯片以正面朝下的方式组装在载体上。在倒装芯片应用中连接到载体的焊盘使用导电凸点,典型高度只有70-100μm,直径为100-125μm。

  倒装芯片球栅阵列封装

  普通的引脚数较少的倒装芯片球栅阵列(FCBGA)封装使用层压基板作为载体,而

且载体的整体结构与引线键合芯片的载体相似。基板一般有2到6层,由金属和介质交替叠加构成。采用机械方式钻出通孔实现基板中不同层的连接。通孔占据了载体上宝贵的布线空间,因而这种载体类型只适合于引脚数目较少的应用。

  对引脚更多、性能要求更高的应用来说,基板由内核与叠加的介质和金属层(6-14层金属)构成。典型的基板制造过程是首先使用2或4层铜包覆的内核,之后刻蚀对应铜层,获得所需的电连接图形。接着在厚内核上叠加一系列介质和金属层。在该载体的一面使用倒装芯片技术连接一个芯片,另一面上制作焊球形成载体与PCB的连接。为提高布线效率,使用盲孔和埋孔代替通孔。穿透内核的通孔通过机械钻孔完成,而穿透组合层的通孔则通过激光钻蚀技术获得。图1所示为典型的高性能FCBGA封装剖面示意图。

图1典型的FCBGA封装剖面图垂直互连由芯片上焊料凸点转为焊球


  FCBGA封装可以提供很多优势,包括:

  ■ 在更小芯片上实现更多功能—芯片上全部表面积都可用于放置芯片凸点,实现与载体的连接,解决了引线键合只能在芯片四周放置焊盘的缺点。

  ■ 提高电源噪声性能—由于芯片与载体间的互连长度有一个数量级的降低,因而环路寄生电感显著减小。而且电源可以直接供应到对应电路,不像引线键合封装那样首先将电源引到芯片边缘,而后再到达对应电路核或者I/O电路。

  ■ 更好的信号完整性—在高速开关应用中,引线键合的高阻抗特性会引起阻抗不连续,降低信号完整性;另外还存在很严重的信号串扰问题。而在倒装芯片互连中显著削弱了这些现象,获得可控的阻抗线和更小的信号串扰。

  ■ 更小的封装面积—与引线键合封装不同,FCBGA封装不需要保留与载体连接的外部面积,因而有潜力降低封装尺寸。

  每个信号和电源从芯片到PCB的连接,在互连路径上都有大的内核通孔。这种通孔用于连接上下层的内核(典型为两层内核),一般通过机械钻孔实现。内核的厚度范围在400到800μm。尽管FCBGA封装具有很多优点,但通过去除互连路径上的内核通孔,还可以进一步提高其电学性能。在基板内核中嵌入芯片,可以去除互连路径上较大的内核通孔,使芯片与PCB在电学上距离更近。这一技术将在后续部分详细讨论。

  嵌入有源芯片技术  

  与引线键合封装中将芯片粘在基板的顶部不同,这次芯片被嵌入到基板内核中,在内核的一面叠加介质和金属层(图2)。这种在一面进行加层的工艺,几乎将芯片的终端都转移到电路板级,且以理论上最短的路径将芯片连接到PCB。取消了每个信号和电源连接路径上的内核通孔,因此显著提高了电学性能。封装的总体厚度至少降低了400-800μm,这对那些需要更小Z向尺寸的应用来说非常重要。

图2将芯片嵌入到基板内核中消除了大尺寸的内核通孔互连使芯片与PCB的距离变短


  实现这一技术的工艺流程与一般高性能倒装芯片封装基本一致,只需一些地方有所修改。首先在介质内核上制作一个比倒装芯片约大50μm的空腔,接着将芯片及内核介质层粘结到铜固化剂上。固化剂的作用有两个,一是给整个封装提供机械稳定性,一是获得更好的散热性能。然后在芯片暴露的一面加介质材料,使用激光钻蚀技术制作通孔,实现与芯片焊盘的连接,消除了传统方式下制作焊接凸点的步骤。接下来,使用化学镀铜方法在介质层上完成所需的导电图形。重复这种导电层和介质层交替的步骤,直至完成所有需要的连接。

  性能提升

  相对FCBGA而言,这种嵌入有源芯片的封装可以提高信号完整性、散热性能,并降低电源噪声。

  信号集成(串扰)性能—本质上讲,从攻击(aggressor)引脚到受害(victim)引脚的串扰噪声是电感性的,主要由受害信号回路与攻击信号回路的交叠引起。回路交叠的面积越大,对应串扰噪声也越严重。与嵌入有源芯片型封

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