晶片級氣密性封裝能夠降低III-V族MMIC保護層的成本和重量，并能夠將不同類型的芯片集成在一個的單獨的緊湊型模塊上。

 作者：Patty Chang-Chien, Xianglin Zeng, Yun Chung和Jeff Yang       Northrop Grumman空間技術公司 

 惡劣的環境是用于空間和軍事應用的射頻電子器件所面對的問題。濕氣、機械振動和極端的氣溫都能讓器件性能退化。所以芯片需要進行非常嚴密的封裝來提高器件的壽命和可靠性。

傳統上使用的氣密性封裝工藝是從半導體芯片制造開始的，一道鈍化工序即可提供較少的保護，然后這些MMIC“裸片”被封裝到一個球形柵狀陳列（BGA）中（一種利用焊錫球以貼片形式的焊接方法)，再在集成微波組件（IMA）中進行亞模塊級的密閉封裝。在幾個MMIC貼裝到平板上之后對每一個單元都要進行密封，使用線壓焊法對平板實現電連通，或者使用BGA。較后，對器件實施一系列的封裝前和封裝后測試來評估它的電學、機械和密封氣密屬性。

不幸的是這種方法有一個主要的缺陷，就是如果任何一個器件沒有達到標準的要求或者任何一次IMA測試失敗，這個IMA就會被迫打開，所有受到關聯的部件都被替代。因此，這種氣密性封裝工藝成本高昂、勞動強度大并且花費時間長。

我們可以通過晶片級的氣密性封裝來替代IMA階段的封裝，可以實現真正的成本節約。利用成批生產工藝，在敏感性強、高性能的微電子器件的芯片成型后即刻對其進行晶片級的密封。這樣可以減少組裝步驟和測試，較為便宜；并且它還增加了對于便宜的、輕的、易于使用的非密封IMA材料的兼容性。失效的芯片也更容易處理，因為損壞的部件可以替換，同時還省略了在傳統封裝法中使用的幾個步驟，比如IMA模塊的再封裝和測試。接縫密封的去除也簡化了系統的診斷過程，相應地降低了模塊級的測試時間和成本。

在傳統模塊中為了滿足IMA的密封要求，像大體積、沉重的包裝和金屬填充物，它們在晶片級封裝（WLP）中也能被去除。這對于空間應用來說是一個主要的優勢，因為它降低了系統的重量并節約了發射成本，一個采用晶片級氣密封裝的收發器IC，其重量僅是使用BGA法封裝的同類產品的百分之一。 WLP技術目前已經使用在硅基系統中，比如汽車安全氣囊的加速器。在位于加州Redondo海灘的Northrop Grumman空間技術公司，我們將這種技術擴展到射頻MMIC器件上，這是采用III-V材料制備的高性能高頻率器件。WLP工藝具有新的晶片級壓焊技術。

我們將工藝研究集中在四個主要方面：工藝和器件兼容性、氣密性、封裝可靠性和成本。

熱會影響MMIC和模塊的性能，這點必須在封裝階段予以規避。高溫下晶片的壓焊將導致在不同類材料之間出現熱應力，而且如果MBE法制備的基于III-V材料的電路過熱的話，外延層中的熱擴散將危害到器件的可靠性。為了避免這些問題，我們開發了一種結合了低溫焊點焊接和熱動力學穩定的金屬合金焊接工藝，此時形貌不平整不是一個問題，而在180℃相對低溫下有可能實現電互連和壓焊。這種技術也是通用的，它能夠使用在標準的集成工藝中如焊球凸點和多晶片堆垛壓焊等，這使得它適用于MMIC的多晶片異質集成封裝。

高質量密封對于MMIC封裝來說很重要，因為它們將器件裝入了一個與濕氣和有機物相隔離的環境中。這對于需要放入液體中或者是暴露在高濕度環境下的封裝來說特別重要，由于濕度滲入性強，器件的有源區會凝聚液體而經常失效。排氣會損害密閉體中的空洞，使一些聚合體材料喪失作用。空洞中的氧也影響了MMIC性能。但也可使用某種惰性氣體如氮氣來填充這些空洞，避免出現上述問題。 封裝的可靠性對于長久保持器件性能很重要，所以密封必須在產品的壽命周期內在化學和物理上都是穩定的。晶片壓焊工藝會因為封裝和器件材料屬性不一致導致裂紋的產生乃至變形，MMIC的性能變得不穩定，而且還帶了噪音。為了解決這個問題，我們必須采用合理的封裝設計，并能兼容低溫工藝……

全文請參閱：“晶片級工藝簡化了氣密性封裝”