芯片互联技术的研究现状与发展趋势

芯片互联技术的研究现状与发展趋势许健华（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林）摘要：概述了芯片级互联技术中的引线键合、载带自动键合、倒装芯片，其中倒装芯片技术是目前半导体封装的主流技术，从微电子封装技术的发展历程可以看出，IC芯片与微电子封装互联技术是相互促进、协调发展、密不可分的，微电子封装技术将向小型化、高性能并满足环保要求的方向发展。将介绍芯片互联一些技术与未来发展趋势。关键词：微电子封装；芯片互联；倒装焊；微组装技术；发展现状ChipinterconnectiontechnologyresearchstatusanddevelopmenttrendXuJian-hua(Gulinuniversityofelectronictechnologyinstituteofelectricalandmechanicalengineering,Guilin,China)Abstract:Summarizesthewirebondingofchip-levelinterconnectiontechnology,loadedwithautomaticbonding,flip-chip,includingflip-chiptechnologyisthemainstreamofthesemiconductorpackagingtechnology.Canbeseenfromthedevelopmentofmicroelectronicspackagingtechnology;ICchipandmicroelectronicpackageinterconnectiontechnologyismutualpromotion,coordinateddevelopment,inseparable,microelectronicspackagingtechnologytothedirectionofminiaturization,highperformanceandmeettherequirementsofenvironmentalprotection.Keywords:Microelectronicspackaging;Chipinterconnection;Flip-chipbonded;Microassemblytechnology;Developmentsituation前言：从上世纪九十年代以来，以计算机（computer）、通信（comunication）和家用电器等消费类电子产品（consumerelectronics）为代表的IT产业得到迅猛发展。微电子产业已成为当今世界第一大产业，也是我国国民经济的支柱产业。现代微电子产业逐渐演变为设计、制造和封装三个独立产业。微电子封装技术是支持IT产业发展的关键技术，作为微电子产业的一部分，近年来发展迅速：微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件（即集成电路芯片）组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源，并与外界进行信息交流。微电子封装可以保证IC在处理过程中芯片免受机械应力：环境应力例如潮气和污染以及静电破坏。封装必须满足器件的各种性能要求，例如在电学（电感、电容、串扰）、热学（功率耗散、结温、质量）、可靠性以及成本控制方面的各项性能指标要求。现代电子产品高性能的普遍要求，计算机技术的高速发展和LSI，VLSI，ULSI的普及应用，对PCB的依赖性越来越大，要求越来越高。PCB制作工艺中的高密度、多层化、细线路等技术的应用越来越广。其中集成电路IC封装设备的发展与芯片技术的发展是相辅相成的。新一代IC的出现常常要求有新的封装形式，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。它已经历了三个发展阶段：第一阶段为上世纪80年代以前，封装的主体技术是针脚插装；第二阶段是从上世纪80年代中期开始，表面贴装技术成为最热门的组装技术，改变了传统PTH插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴装到基板上，大大提高了集成电路的特性，而且自动化程度也得到了很大的提高；第三阶段为上世纪90年代，随着器件封装尺寸的进一步小型化，出现了许多新的封装技术和封装形式，其中最具有代表性的技术引线键合、载带自动焊、有球栅阵列、倒装芯片和多芯片组件等，这些新技术大多采用了面阵引脚，封装密度大为提高，在此基础上，还出现了芯片规模封装和芯片直接倒装贴装技术，因此芯片互联技术得到大力发展。1芯片互联技术目前的研究现状电子封装有4种基础技术，即成膜技术、微互联技术、基板技术、封装与密封技术。微互联技术起着承上启下的作用，无论是芯片装连在载体上还是封装在基板上，都要用到微互联技术，微互联技术可以说是电子制造的基础技术和专有技术。微互联技术包括引线键合技术（WB）、载带自动焊技术（TAB）、倒装芯片技术（FC）等气连接)是两种相辅相成、密切难分的组装工艺过程。IC芯片的安装技术常见的有环氧粘接和。芯片安互连技术是IC的关键封装制造技术，IC芯片的安装(与基板的物理连接)与互连(与基板的电共晶(或装合金)粘接。互连技术常见的有：引线键合、载带自动键合和倒装焊接。面阵型芯片（如BGA）键合可以通过焊料焊凸键合和倒装焊接进行；周边型芯片键合（如QFP）可以通过引线键合和载带自动键合技术进行。1.1引线键合技术介绍引线键合互连是芯片和载体间常用的互连方法，引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上技术布线用金属细丝连接起来的工艺技术，焊区金属一般为Al或Au金属丝多是数十微米至数百微米直径的Al丝或Au丝和Si-Al丝。焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球焊。图1为引线键合在BGA类器件的封装示意图。图1热压键合是利用加热和加压力，使金属丝与Al或Au的金属焊区压焊在一起。通过加热和加压，使焊区金属发生塑性变形，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”的目的。热压键合焊过程中，由于受热容易使焊丝和焊区形成氧化层，同时芯片容易形成特殊的金属氧化物，从而影响焊点可靠性：因此，热压键合使用得越来越少。超声焊是利用超声波发生器产生能量，在超高频磁场的感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，使劈刀振动，同时在劈刀上施加压力，劈刀在二种力的作用下，带动Al丝在被焊焊区的金属化层表面迅速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性变形。这种形变破坏了Al层界面的氧化层，使二个纯净的金属面紧密接触，达到原子间的“键合”从而形成牢固的焊接。与热压键合相比，超声键合能充分去除焊接界面的金属氧化膜，焊接质量较高，不需加热，对芯片的损伤较小。热声键合具有可在较低温度下连接而不易氧化、对接触表面洁净度不敏感等很多优点，广泛用于各类集成电路中。在超声键合过程中，超声振动是决定键合强度的重要因素之一，超声功率的大小直接决定键合强度及其可靠性。金丝球焊使引线键合中最具代表性的焊接技术。它满足了90年代的封装工艺要求，在气密性封装集成电路生产中，通常采用铝丝作内引线，降低了生产成本。铝丝与IC芯片电极及外壳上的引线电极连接采用超声波楔形压焊技术，所用的设备称为铝丝超声压焊机。由于劈刀的超声振动破坏了铝丝和铝电极表面的氧化层，在常温下加压就能实现键合。它操作方便、灵活，焊点牢固，压点面积大，无方向性，可以在微机控制下实现高速自动化焊接。1.2载带自动焊技术介绍TAB技术是一种基于将芯片组装在金属化柔性高分子载带上的集成电路封装技术。它的工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的键合在一起，然后对芯片进行密封保护。载带既作为芯片的支撑体，又可以作为芯片同周围电路的连接引线。TAB技术主要包括：载带制造技术、凸点形成技术、引线压焊技术和密封技术。其中芯片引线框架的一种互联工艺，首先在高聚物上做好元件引脚的导体图样，然后将植有凸点的晶片按其键合区对应放在上面，通过热电极一次将所有的引线进行键合，从而实现芯片与基板间的互连，载带自动焊采用铜箔为连接导线，通过专用的焊接装置（键合机）同时完成电路芯片和载带的连接，以及载带和外围电路的连接。TAB技术是比较成熟，自动化程度较高的技术，是一种高生产效率的内引线键合技技术，主要优点是成本低，在印制板上的断面形状比较低，所用引线短，电感小，电气性能好。图2所示为载带自动焊键合基本结构：布线导体芯片载带引线薄膜基板图2与引线键合技术相比，载带自动焊技术是为了弥补引线键合的不足而发展起来的新型芯片互连技术，其具有结构轻、薄、短、小等特点，利于提高封装密度，引线电阻与电容较小，具有更优良的电性能，采用载带互连，可以对各类IC芯片进行筛选和测试，提高了电子组装的成品率，降低电子产品的成本。1.3倒装芯片技术(FC)介绍FC技术是目前半导体封装的主流技术，是将芯片倒置后直接装配在基片上，互连介质是芯片和基片上的焊区：FC技术的优点是焊区可以做在芯片的任何部位，所以芯片的利用率很高，由于消除了键合引线和封装，组装密度很高。具体的倒装芯片封装技术是把裸芯片通过焊球直接连接在有机基板上。同时还需要底部填充胶(Underfill)填充在芯片与基板之间由焊球连接形成的间隙，将芯片、焊球凸点和基板紧紧地黏附在一起，即底部填充技术，来降低因芯片与基板热膨胀系数(CoefficientofThermalExpansion，CTE)不匹配而在焊点上产生的应力，提高焊点的热疲劳寿命。底部填充胶对提高电子封装的可靠性有着不可忽视的作用。图3所示为倒装芯片基本结构：图31.4几种互联工艺的比较①引线键合WB(WireBonding)。虽因焊丝较长引起寄生电容与电感较大、芯片的测试与老化困难、生产速度慢、组装效率低，但由于其投资少、见效快、工艺兼容性好、易检查返工、技术成熟，而仍被绝大部分厂家采用。②载带自动焊TAB(TapeAutomaticBonding)。可通过带盘进行连续作业，自动化程度高，芯片可预先老化和测试，组装密度高，可安装互连器件的引脚多、间距细、引线短，但TAB设备投资高、工艺路线长、不易检查返工、技术难度大，仅一些大公司采用此种技术。③倒装焊接FCB（FlipChipBonding）。虽然有焊料凸点，芯片来源困难、不易检查几乎不能返工、芯片难测试与老化等不利因素，但因其信号路径最短、组装密度最高、电性能最好、散热性较好、可靠性很高而成为最理想、最有前途的组装技术，得到广泛的采用与研究。随着IC封装的互连技术的发展，倒装焊（FC）将给引线键合（WB）带来极大地挑战，同载带自动焊接与引线键合（WB）相比，倒装焊连接到封装的电源和地的连接电感极低，且高密度互连的能力最强，FC技术将成为半导体封装的主流技术。表1为三种键合互连技术的对比：表1WB、TAB、FCB三种键合互联技术的对比互连方式WBTABFCB焊盘分布区域芯片四周芯片四周芯片整个表面引线电阻R（m）～100～20＜3引线电容C（pF）～25～10＜1引线电感L（nH）～3～2～0.2焊点强度（g）5--1030--5030--50焊盘引出时的焊点数量211对器件冲击性较大小小焊点质量检查方法显微镜检查显微镜检查X射线检查最小电极直径（m）～45～20～5最小电极节距（m）～5050～10封装密度（单位面积I/O数）低中高可靠性一般好非常好2芯片互联技术未来的发展趋势由于IC飞速发展，促进微电子组装技术迅速发展起来，出现了IC器件封装和板级电路组装这两个电路组装阶层之间技术上的融合。使微电子组装技术呈现出日新月异、百花盛开，争奇斗艳的良好局面。2.1微组装技术其中微组装技术包括两种类型：倒装片（FC），多芯片模块（MCM）。①倒装片（FC）具有以下特点：高密度组装，不需要键合引脚和封装。采用类似SMT方法进行加工。I/O端子（表面有焊料凸点）是以面阵列式排列在芯片之上。焊接时，只要将芯片反置于PCB上，使凸点对淮PCB上的焊盘，加热后就能实现FC与PCB的互连。需增加专用设备。包括高精度的贴装系统、下填充滴涂系统和X光检测系统。②多芯片模块（MC