MEMS加速度计三维堆叠模块化封装及垂直互连

　　0　引言

　　三维堆叠封装包括裸芯片堆叠和封装体堆叠。将裸芯片堆叠封装在单一封装体以得到各种功能的子系统的技术广泛应用于Flash-SRAM和DSP/ ASIC-memory。其硅效率可达200% -300%,节约成本20-40%[1]。但裸芯片堆叠封装也存在堆叠芯片相对单一、成品率、封装成本和散热等问题[2]。封装体堆叠封装包括单个封装体堆叠和多芯片组件 (MCM)堆叠,单个封装体堆叠适用范围广,工艺相对简单,成品率高,但随着MEMS和无线传感技术的发展,单个封装体的堆叠已不能满足系统级封装 (SiP)更高密度、更大集成度的要求。多芯片组件堆叠模块化封装--三维堆叠模块化封装技术可以将电子、流体、光学等器件集成在一个模块里,实现了 MEMS/IC、数字/模拟器件的混合组装。目前,用 FR4作基板,使用标准的封装工艺,如SMT、COB或 FCOB等,可以实现三维堆叠模块化封装[3, 4],克服了过去使用低温共烧陶瓷(LTCC)所带来的基板制作困难,成本高,工艺复杂的缺点[5]。堆叠模块层间垂直互连使用植球回流[6, 7]来实现,工艺上易实现,但基板多次回流后焊接性能下降,影响垂直互连的可靠性,且增加了工艺步骤。而使用丝网印刷焊膏,回流焊接,可一次实现整个模块的焊接,避免了多次回流对基板焊接性能的影响,可与传统的封装工艺兼容。而印刷焊膏回流焊接的方法要使模块一次回流即完成整个模块的互连,需要有配套的定位装置和优良的回流曲线。许多高精度的对位设备价格高昂,通常仅能进行单个模块的定位,定位效率低下。使用机械定位,工艺简单,重复性好,可与整个堆叠模块一起回流,避免了定位后移动到回流设备过程中因振动等造成的误差。除此之外,机械定位没有光辅助定位真空吸头吸力大小和视野的限制, 因此将单层基板设计成拼版的形式,可同时对n×m 个模块定位,大大提高了定位效率。目前国内对使用丝网印刷、定位装置定位后回流无研究报道。本研究结合模块化封装的要求[8, 9],将一种加速度计及配套的调制解调电路按三层堆叠模块形式进行集成,其中各层的组装采用了基于FR4基板的COB工艺进行组装,即在FR4基板上进行芯片贴装、引线键合及芯片包封,以及无源器件的贴装,用特殊设计加工的垂直互连定位装置定位三层模块并回流,实现了加速度计调制解调电路的三维堆叠模块化封装结构。对模块进行了剪切力测试,并讨论了垂直互连的影响因素。

　　1　三维堆叠模块封装结构的设计

　　图1是实验选用的加速度计调制解调电路图。计数器产生方波,经反相器反相后,相位相差180° 两路方波信号作为载波信号被加速度计芯片调制, 被芯片调制的载波信号经三极管放大后,由一个运放和一个多路开关组成的相敏解调电路同步解调出调制信号,即加速度信号,经二次放大后输出,从而最终得到与加速度信号相一致的电压信号[10]。