MIS基板封裝技術(shù)的推動者之一

翻譯：長電科技陳靈芝博士。陳博士多年從事MIS基板技術(shù)研究，是MIS基板封裝技術(shù)的推動者之一。

MIS在模擬、功率IC和數(shù)字貨幣等領(lǐng)域作為一種新型封裝方式而出現(xiàn)?；谝环N新興技術(shù)MIS的IC封裝正在積蓄動力。日月光（ASE）、嘉盛（Carsem）、長電科技（JCET）/星科金朋（STATS ChipTAC）、宇芯（Unisem）等都在開發(fā)基于MIS基板的IC封裝技術(shù)，目前在模擬、功率IC、及數(shù)字貨幣等市場領(lǐng)域迅速發(fā)展。

MIS封裝采用特有的基板材料，開始主要用在一些特定的IC封裝上。MIS基板目前有多家的供應(yīng)商在進(jìn)行開發(fā)及銷售，因此封裝廠可以從多家廠商采購，然后進(jìn)行IC封裝。有人認(rèn)為MIS基板是一種引線框。MIS與傳統(tǒng)的基板不同，包含一層或多層預(yù)包封結(jié)構(gòu)。每一層都通過電鍍銅來進(jìn)行互連，以提供在封裝過程中的電性連接。MIS支持單芯片或多芯片封裝，為超薄、高密度細(xì)節(jié)距封裝提供方案。它可以被用于開發(fā)先進(jìn)的引線框封裝、倒裝芯片封裝、模組封裝及系統(tǒng)級封裝。

圖1：預(yù)包封的MIS引線框架

圖2：基于MIS的IC封裝

表面上，MIS類似于扇出型（Fan-Out）晶圓級封裝。它們之間最大的區(qū)別是，MIS在I/O和密度方面稍加遜色。因此，在實(shí)際封裝使用中，MIS主要跟目前一些已經(jīng)比較成熟的中端封裝進(jìn)行競爭。

MIS已經(jīng)存在了近十年，但市場剛剛開始起來?！埃∕IS）由于其先進(jìn)的布線能力和可靠性，在高、低功率應(yīng)用上都很適用，” 日月光工程技術(shù)營銷總監(jiān)Mark Gerber說。

此外，MIS還為客戶提供了一種新的封裝選擇，以及現(xiàn)有封裝的一種潛在的替代方案?！俺鲐浟吭谶@幾年不斷上升，”Nokibul Islam說?！翱梢杂肕IS來替代一些傳統(tǒng)的如QFN封裝或基于引線框的封裝，因?yàn)镸IS具有更細(xì)的布線能力，更優(yōu)的電和熱性能，和更小的外形?！边€有， MIS封裝被鎖定用于數(shù)字貨幣芯片的封裝，進(jìn)入了數(shù)字貨幣服務(wù)器市場。這個市場的量是非常巨大的。當(dāng)然也有一些人開始考慮數(shù)字貨幣市場是否或者說何時可能結(jié)束。什么是MIS？MIS是在2010年左右開發(fā)的，長電科技是最早期的開發(fā)者之一，然后將這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給其兄弟公司芯智聯(lián)（MISpak）。MISpak開發(fā)和銷售MIS材料給封裝廠（OSAT），其他MIS基板供應(yīng)商還包括ASM、PPT、QDOS和SIMMTECH。因此，封裝廠購買MIS基板有更多的選擇。然后，在封裝過程中，把芯片放在MIS基板上進(jìn)行封裝，最后形成MIS封裝。

圖3：矽品的倒裝MIS BGA封裝（FC-MISBGA）

隨著時間的推移， MIS業(yè)務(wù)規(guī)模開始迅速成長。2017年，僅芯智聯(lián)（MISpak）一家就預(yù)計出貨25億顆，而在2010年，其出貨量僅2000萬顆。在MIS封裝領(lǐng)域，芯智聯(lián)（MISpak）宣稱其大約有30多家終端顧客。當(dāng)然這中間還沒包括其他MIS供應(yīng)商的出貨量。

圖4：芯智聯(lián)MIS基板出貨量

MIS與傳統(tǒng) IC封裝基板不同。傳統(tǒng)封裝采用的是有機(jī)基板，這是基于PCB類材料的多層基板技術(shù)。在封裝中，芯片置于基板之上?！癕IS技術(shù)的特點(diǎn)是，它是從包封技術(shù)引申發(fā)展出來的。在MIS基板中，銅布線是嵌入式的。因此，這種嵌入式結(jié)構(gòu)就可以做到更細(xì)的布線，” Nokibul Islam說。MIS還具有其他的一些特性?！八褂冒饬献鳛楦鲗又g的絕緣材料，”Mark Gerber說?！爱?dāng)你使用該類型的引線框，并在此上進(jìn)行封裝，那么封裝的包封料與引線框的材料特性就是相似的。因此，從吸潮性或功能的角度來看就非常好。”目前制作MIS基板的方法有多種。MIS最早是以尺寸250mmX70mm的長條形出現(xiàn) 。MIS制作需要經(jīng)過一系列的工藝步驟，如蝕刻、研磨、光刻、包封和電鍍。比如，單層MIS工藝流程，往往從載板開始。“在金屬載板上，通過電鍍銅來制作基板的布線，”NokibulIslam解釋道。“所以在完成電鍍銅后，下一步就是去除光阻膜工藝?！痹谌ツず??！熬烷_始進(jìn)行包封。然后研磨包封料進(jìn)行減薄，達(dá)到所要求的厚度。最后蝕刻載板，”NokibulIslam說。

圖5：MIS基板制造工藝流程

對于MIS封裝，該技術(shù)最有優(yōu)勢的是薄型、I / O在150?200之間的封裝。但該技術(shù)受限于25μm左右的線寬線距，這意味著它主要面向中端應(yīng)用。線寬線距是指封裝中的金屬布線。

對比來看，主要用于高端應(yīng)用的扇出型封裝（Fan-Out），其標(biāo)準(zhǔn)密度是： I / O小于500的封裝，其線寬線距在8μm以上；而高密度扇出型封裝，其I / O大于500，線寬線距小于8μm。同時，MIS材料本身相對較薄。該類基板在封裝過程中容易出現(xiàn)翹曲及均勻性問題。產(chǎn)量和成本問題則另論?！安煌膽?yīng)用需求在設(shè)計靈活性和封裝厚度方面需要特殊的封裝材料，” ASM材料業(yè)務(wù)部市場副總裁Ho Kwok Kuen說?！跋啾纫€框架，ABiT-MIS有能力可以生產(chǎn)出要求高、線路復(fù)雜的預(yù)包封基板。但是，為了達(dá)到設(shè)計的解析度需要更多的工藝步驟，因此為了達(dá)到最終產(chǎn)品的良率目標(biāo)，我們需要高度關(guān)注在每一個工藝過程中如何實(shí)現(xiàn)更高的良率。

”除了設(shè)備，ASM也提供引線框架和MIS封裝材料。這里是指ASM加層互連技術(shù)（ABiT，ASM Buildup Interconnect Technology ）。盡管面臨種種挑戰(zhàn)，但是MIS市場還是迅速成長?！霸谶^去的兩年里，我們已經(jīng)看到了許多客戶希望使用MIS封裝來滿足數(shù)字貨幣挖礦應(yīng)用的需求?！盚o說，“MIS不僅在通訊領(lǐng)域射頻封裝的市場份額不斷增加，其實(shí)在電源管理和汽車應(yīng)用方面的需求也在不斷增加。”同時在市場上， MIS也是面臨著激烈的競爭。這里指“Fan-Out”技術(shù)，盡管MIS并不會與Fan-Out技術(shù)競爭。其實(shí)MIS主要是與引線框封裝和LGA封裝進(jìn)行競爭。“MIS的應(yīng)用領(lǐng)域主要是介于標(biāo)準(zhǔn)QFN封裝和簡單的雙層基板兩者之間的封裝。”宇芯北美區(qū)副總裁Gil Chiu說。引線框封裝包括若干封裝類型，諸如四面扁平無引線（QFN）和四面扁平封裝（QFP）。引線框是金屬框架，芯片粘貼在框架上，使用細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行連接。

圖6：QFN封裝

來源：維基百科

QFN是成熟、價格低廉且可靠的封裝方式，因此在模擬、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、RF等市場方面，QFN的需求巨大。通常來講，雖然QFN是一個I / O能力有限的單層技術(shù)，但是“如果你可以用QFN實(shí)現(xiàn)，你顯然會這么做，因?yàn)镼FN的成本比MIS更低，”Chiu說。“但是當(dāng)你使用QFN時，你要接受間距的限制?！盡IS還與LGA封裝技術(shù)競爭。LGA在封裝底部有用于連接的金屬焊盤陣列。LGA適用于模塊、處理器等產(chǎn)品。

圖7：電源模塊LGA封裝結(jié)構(gòu)

MIS相比LGA更便宜，但功能更少。然而，宇芯公司認(rèn)為LGA有時會受高昂的材料成本、連接孔（Via）成型成本等影響。因此，QFN和LGA都有一些缺點(diǎn)，這里就是MIS的用武之地。例如，IC設(shè)計公司可能會在給定的工藝節(jié)點(diǎn)有現(xiàn)成的芯片設(shè)計，且芯片封裝采用QFN封裝。在這個假設(shè)的例子中，供應(yīng)商會面臨一些挑戰(zhàn)?！翱蛻艋旧蠒f，我有一個現(xiàn)成的方案，我不想改變我的芯片，我不希望縮小我的芯片，但我想縮小我的封裝，我希望得到一個更薄、更小尺寸的封裝，”Chiu說。

一種有效的解決方案就是從QFN封裝轉(zhuǎn)向MIS封裝。通常，你可以采用與引線框封裝相同的芯片，用在MIS上進(jìn)行封裝。MIS封裝可以做到跟QFN封裝類似，但MIS可以有更多的I / O和更好的性能。采用MIS封裝，基本上可以和其他封裝類型一樣，例如：倒裝芯片、模塊和SiP?！癕IS技術(shù)是不同的。它本質(zhì)上是一種積層工藝。它可以讓你實(shí)現(xiàn)更密的金屬布線。因此，您可以縮小封裝，而同時保持相同的芯片尺寸，”Chiu說。“使用MIS，客戶不必花費(fèi)時間或資源來重新設(shè)計一個更小的芯片以及不必縮小芯片的外形。采用MIS，你可以讓產(chǎn)品獲得額外的。它可以讓你保持與現(xiàn)成方案的匹配。所以，MIS在相同的成本下可以為您提供更小的封裝?！薄按钌稀被颉板e過”？一段時間以來，一些OSAT廠已經(jīng)不斷出貨MIS封裝。但是每個供應(yīng)商都有不同的戰(zhàn)略。

長電科技/星科金朋已經(jīng)出貨了各類基于MIS技術(shù)的Chip-on-lead、FC、模組及SiP封裝產(chǎn)品?！癕IS具有其特定的優(yōu)勢。最優(yōu)的是低I / O數(shù)的高功率、高散熱的應(yīng)用?！?長電科技的Islam說。到目前為止，業(yè)內(nèi)主要出貨的是線寬線距在25/25μm的單層MIS封裝?！皩τ谖磥淼氖袌?，我們目前正在做更高的解析度，這意味著更細(xì)的線寬線距，以及更輕薄的外形，”Islam說。“兩年以后，它可以做到15/15μm的線寬線距?！贝送猓L電科技/星科金朋以及其他廠商都在全力致力于基于Ajinomoto的ABF（Ajinomoto Build-up Film）膜技術(shù)的更先進(jìn)的工藝。使用激光成型和直接電鍍銅，ABF可以使MIS做到線寬線距達(dá)12/12μm的多層基板，這樣可以實(shí)現(xiàn)二層、三層及四層的多層封裝。

圖8：Ajinomoto 的ABF膜

“使用ABF膜，MIS的工藝流程基本完全是一樣的。我們只是使用更厚的ABF膜來替代包封料，我們可以提供這種類型的多層MIS基板，”他說?！霸诮衲昴甑鬃笥椅覀兙蜁_始使用基于ABF膜的兩層或三層MIS基板?！比赵鹿獾腗IS封裝也正在成長中。日月光的MIS技術(shù)被稱為C2IM / MIS?！癕IS可以讓你做到型同QFN封裝而同時具備精細(xì)節(jié)距布線能力的封裝，” 日月光的Gerber說?！埃ㄓ行┛蛻簦┓浅?jiān)持使用QFN封裝，但是有布線能力的限制。當(dāng)你可以進(jìn)行20/20μm或30/30μm的布線，這就一下子為他們提供了一層布線金屬層的解決方案?！背薈2IM / MIS，日月光還提供另一個競爭性的技術(shù)叫“ChipLast扇出封裝”，這不同于現(xiàn)行的扇出型封裝?！八举|(zhì)上是一個芯片后置的工藝，這就意味著它是一個倒裝芯片工藝，”Gerber說?！癈hipLast扇出封裝是一個根據(jù)布線密度使用兩種不同絕緣材料，而只有一層金屬布線的無芯基板工藝方案”。

此外，相對于MIS基板，日月光還有另一個選擇方案叫做aS3 +?！癮S3 +是一個嵌入式線路（ET）的無芯有機(jī)基板，這個技術(shù)也可以提供與C2IM / MIS類似優(yōu)勢的方案。此外，aS3 + / ET基板可以做到三層或更多層布線，而在這方面C2IM / MIS相對比較欠缺，”他說?！癮S3 + / ET可以使用傳統(tǒng)絕緣材料或ABF絕緣材料。同時由于不需要芯板材料以及其制造工藝流程和它內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它可以帶來有利于更高速度連接的層間超低電感，同時不失成本競爭力及可靠性 ”。對宇芯來講，他們看到的是MIS封裝的三個應(yīng)用。這些封裝都可以做到整體厚度達(dá)到0.33毫米或更低。第一種應(yīng)用是該公司所謂的空腔，芯片封裝在這個封裝體的空腔里。

“我們正在利用MIS實(shí)現(xiàn)介于基板封裝與QFN封裝之間的細(xì)間距芯片倒裝封裝，在這方面可以一展身手，”宇芯的Chiu如是說?！拔覀兺瑯舆€在考慮使用MIS進(jìn)行系統(tǒng)級封裝，這對于LGA標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝來說，是一個成本更低的方案。”對于MIS來說，最大的市場是電源/功率IC。另一個驅(qū)動因素是數(shù)字貨幣IC封裝。展望未來，MIS可能會超出這些市場?！昂孟⑹牵覀兛吹皆絹碓蕉嗟某Ｒ?guī)產(chǎn)品也在考慮是否使用MIS封裝.”Chiu補(bǔ)充說。