1.1.4 微组装技术概述

微组装技术是微电子组装技术的简称，是电子封装与组装技术发展到现阶段的代表技术，也被称为第五代组装技术。与传统的电子组装技术相比，其特点是在“微”字上。“微”字有两个含义：一是微型化，二是针对微电子领域。本小节将简要介绍微组装技术的定义与内涵、工艺及可靠性、发展趋势及挑战。

1.微组装技术的定义与内涵

微组装是通过微焊互连和微封装工艺，将高集成度的IC器件及其他微型元件组装在高密度多层基板上，构成高密度、高可靠、高性能、多功能的立体结构微电子产品的综合性高技术，是一种高级的混合微电子技术。微电子组装技术是电子组装技术最新发展的产物，是新一代高级（先进）的电子组装技术，属于第五代电子组装技术。

微组装技术这一名词提出的初期，特指组装工艺技术的高级发展阶段，即指元器件引脚间距小于0.3mm间隙的表面组装技术，如图1.13所示。随着技术的发展，现在也用于泛指电路引线间距或元器件引脚间距微小，或者所形成的组件、系统微小的各种形式封装和组装技术。

在电子产品制造中，传统的概念将封装（Packaging）技术分为0级、1级、2级、3级共4个级别，如图1.14所示。0级封装指芯片级封装技术，1级封装指用封装外壳将芯片（含多芯片）封装成元器件的元器件级封装技术，2级封装指将1级封装和其他元器件组装到印制板上的印制板级封装技术，3级封装指将2级封装插装到母板上的整机或整机级封装技术。这种“封装”的表示方法源于国外有关专业组织给出的定义及其“Packaging”的广义性。国内一般将0级芯片级和1级元器件级“Packaging”技术称为“封装技术”，而将2级印制板级和3级整机级“Packaging”技术称为组装技术，并且常用“Assembly Technology”表示。

微组装技术是电子封装与组装技术发展到现阶段的代表技术。微组装技术应用对象的主要特征为：微型元器件、微细间距、微小结构、微连接，其主要应用场合包括：元器件级组装、电路模块级组装、微组件或微系统级组装。正是由于微组装技术的出现，如内引线键合和芯片倒装焊的芯片互连、系统级封装等工艺的大量引入，1级、2级、3级封装技术之间的界限已逐渐模糊。

2.微组装技术的工艺及可靠性

微组装技术的工艺是电路模块微间距组装互连、微组件/微系统组装互连的主要技术手段，它涉及传统芯片互连技术、器件封装技术与表面组装技术、立体组装技术、系统级封装技术等结合而发展起来的一项新兴跨学科综合工艺技术（见图1.15），最终实现了电子产品的电气互连。

微组装技术的工艺主要包含三个方面的内容：①多层布线基板工艺技术；②元器件及基板组装工艺技术；③组件封装工艺技术。其中多层布线基板工艺技术包含高密度多层印制板工艺技术、厚膜多层布线工艺技术、薄膜多层布线工艺技术、高温共烧多层陶瓷工艺技术、低温共烧多层陶瓷工艺技术、混合多层布线工艺技术等；元器件及基板组装工艺技术包含焊接工艺技术、粘接工艺技术、芯片互连工艺技术（如丝键合、芯片凸点互连、芯片TSV等）、清洗工艺技术等；组件封装工艺技术指组件外部保护性封装技术，如模塑封装、陶瓷气密封装、金属气密封装等。微组装技术的基本工艺流程如图1.16所示。

相比传统的组装工艺，新型微组装技术的工艺更为复杂，涉及的互连结构及其对应的失效模式和机理更加多样化，因此微组装技术的工艺可靠性设计更为复杂，目的重在消除影响产品可靠性的主要互连失效模式，使产品达到预期可靠性与环境适应性要求。微组装技术的失效模式和退化机理，与微组装的载荷应力类别和水平有关，需重点关注温度应力、机械应力和潮湿应力的影响，如长期稳态温度应力可导致微电子器件性能退化，长期温变应力可导致表贴焊点低周疲劳开裂，振动应力可导致BGA焊点高周疲劳、水汽渗入可导致内装芯片腐蚀等[4，5]。表1.4～表1.6分别给出了温度应力、机械应力、潮湿应力下微组装技术的典型可靠性问题。

3.微组装技术的发展趋势及挑战

随着微电子技术的飞速发展，半导体工艺发展的摩尔定律已经到了瓶颈，大大地促进了微组装技术的迅速发展。主要表现在小型轻型化、高密度三维互连结构、宽工作频带、高工作频率、具有较完整的分机/子系统功能和高可靠性等。微组装技术发展主要体现在：组装技术与芯片封装技术（甚至涉及芯片技术）的融合是发展方向；二维平面组装向三维系统级封装演变是微组装技术当前发展的主要方向；发展MEMS领域中的微组装技术势在必行等。下面结合典型微组装技术产品形式，以系统级封装和MEMS封装为例，简要介绍微组装技术的发展及挑战。

1）系统级封装

采用微封装技术实现电子整机系统的功能，通常有两种途径：一种是系统级芯片（System on Chip，SoC），即在单一的芯片上实现电子整机系统的功能；另一种是系统级封装（System in Package，SiP），即通过封装来实现整机系统功能。这是两条不同的工艺技术路线，与单片集成电路和混合集成电路一样，各有各的优势，各有各的应用市场，在技术上和应用上是相互补充的关系。

国际半导体技术路线图（ITRS）提出的系统级封装（SiP）原型图是一种多层次的系统集成，如图1.17所示，具体表现为：①可能包含子系统级封装；②包含WLP、有源与无源器件的三维堆叠（薄片）封装；③在功能上可能包括机械、光等非电功能；④埋置了各类元器件的完整系统或子系统；⑤可能含有裸芯片。作为一个“系统”，其内部包括数字、模拟、射频、宽带通信甚至微机电和光电器件，或者包括从传感器接收、控制到驱动输出执行的全过程。

2）MEMS封装

MEMS是微电子技术的延伸与拓宽，它不但具有信号处理能力，而且具有对外部世界的感知功能和执行功能，在此基础上开发出高度智能、高功能密度的新型系统。从单兵作战系统到各类武器装备，MEMS的应用几乎都可以遍及。目前已有应用的MEMS产品有加速/减速计、分光光度计、差压/压力传感器、流体传感器、惯性陀螺仪、医用微型泵和微型阀、轻型数字投影仪用微镜面模块、打印机墨盒用微型喷墨模块等。

MEMS封装之所以复杂的原因之一是几乎所有的微系统封装都包含了复杂而微小的三维结构，如图1.18所示，另外MEMS封装还要让精细的芯片或执行元器件与工作媒体直接接触，而这些媒体对芯片材料常常是有害的；还有许多MEMS的使用要求封装内是惰性或真空气体。目前，虽然单芯片陶瓷封装、模塑封装、芯片尺寸封装、晶圆级封装技术都已成功应用于MEMS，但技术尚不成熟，多芯片封装和三维封装MEMS技术尚在开发中，不少MEMS封装技术问题未能得到有效的解决。MEMS封装成本占MEMS制造成本的50%～80%，仍未能大量走出实验室，充分发挥其潜在价值，研究开发低成本的能批量生产MEMS封装技术极为迫切。

MEMS封装和SiP有许多共性之处，如MEMS封装也采用电子产品的微封装和微组装技术；但二者也有本质的区别，如MEMS封装更具有广义性，往往基于机械本体，需要采用纳米加工等制造工艺技术，实现的功能是机电系统的综合功能，而SiP以多电路芯片的集成为主，实现的功能主要为集成电路功能。MEMS封装与传统IC封装的根本区别还在于：传统IC封装的目的是提供IC芯片的物理支撑，保护其不受环境的干扰与破坏，同时实现与外界的信号、能源与接地的电气互连。MEMS封装器件或系统既要感知外部世界，又要依据感知结果做出与外部世界关联的动作反应。由于这种与外部环境的交互作用关系，以及自身的复杂结构，从而对MEMS封装技术的发展提出了严峻的挑战。

总之，微组装技术并不是一门独立的工程技术，它属于电子产品先进制造技术范畴，是电子产品制造中的电子互连技术发展到现阶段的新兴综合性技术，它将表面组装技术、立体组装技术、内埋元器件基板技术、系统芯片技术等新兴技术，与传统元器件互连与封装技术相融合，应用于微间距元器件或微组件、微系统的组装。因此，微组装工艺过程还涉及电气互连技术体系中的材料、工艺、设备技术等诸多挑战，另外，随着微组装技术从二维平面组装向三维系统级封装演变发展，在理论、工艺、测试、可靠性、应用等方面均存在巨大挑战，可靠性问题必然更加突出。