第8章芯片封装与装配技术.

1一、封装工艺二、芯片互连三、封装材料四、封装类型第8章芯片封装与装配技术2封装是IC芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。封装主要有以下功能：功率分配（电源分配）、信号分配、散热通道、环境保护及机械支撑。3封装工艺IC封装步骤因产品而异，但其基本流程是不会有大的变化的。1．Laminater（贴膜）用辊轴采取适当力度在晶圆的正面贴上一层保护膜（通常为蓝色的紫外光贴膜）以防止具有在打磨时受到污染或磨损电路。42.Backlap/Grinding（背面打磨）对晶圆进行打磨，把晶圆的厚度磨至需求厚度，通常达到晶圆厚度为230µm、320µm、80µm，而电路本身基本为10µm的程度。563．Taperemove（去膜）给UVtape照射适当的紫外光以消除粘性，再利用removetape将其揭开。4．Tapemount（贴膜）为了防止在切割时晶圆发生分裂影响后续工艺，用胶膜和钢圈把晶圆固定起来。75．Sawing/Dicing（切割）沿晶圆上的street，用金刚石切刀切至wafer厚度的95%，使其分裂成独立的芯片。将切刀装在高速旋转的轴上，靠机械力量将wafer划开。86．Inspection（检测）用高倍显微镜检查出不良的die，目的是减少后续工序的次品。7．Dieattach（芯片粘贴）利用粘合剂把die和leadframe粘贴在一起，以保证两者之间电气、机械的可靠连接。在dieattach前须对切割好的wafer进行紫外光照射，目的是减小胶膜的粘性，以方便将die从胶膜上取走。9108．Ovencure（烘赔）采用高频加热方式，对粘贴上die的leadframe在烘培箱中进行分段加热，使粘合剂固化。119．Wirebonding（WB，金线键合）用高纯度的金线或铝线把die上的焊点和leadframe上的引线连接起来，使die同外部电路导通。在WB之前会先用等离子气体冲击die和leadframe表面，除去杂质。1210．Inspection（检测）用低倍显微镜检查出不良的W/B产品。1311．Molding（压模）为了防止周遭环境对die的影响，用EMC将W/B后的产品封装起来，完成后的产品即可称为package。EMC在常温下也会缓慢固化，且水分会影响EMC的成型质量，所以一般EMC需保存在低温干燥的环境中。141512．Moldcure（烘赔）加热以加速EMC的固化速度。13．Plating（电镀）为了保护lead不受外界环境影响，在其表面镀上一层保护膜。14．Marking/Laser（印字）在molding产品的正面用激光打印上代表产品名称、生产日期、商标、生产地之类的字样。其目的是防止不同产品的混乱、根据流水码在市场中查找不良品等。1615．Trim（引脚切割）和Form（引脚成型）trim是将dambar、epodxy切除。17form是将引脚弯曲成型并使各个package独立化。1816．Inspection（检验）通过外观检测，去除不良品。以上的流程适用于插装型产品及引脚型的表面贴装产品，而对于BGA类产品由于它们不需要Trim、Form，所以工艺也不同。一个简单的BGA产品的主要流程为19芯片互连芯片互连也称为引线键合工艺，其目的是使芯片与外部的封装框架间电气导通，以确保信号传递的畅通，这样才能发挥芯片既有的功能。1.Wirebonding（1）WB工艺流程W/B是将芯片上的焊点与leadframe或基板上的焊区用金属导线连接起来的技术。只有在die上通过保护层暴露出的金属接触孔才能进行bonding；这些区域称为contact或者pad。20金线键合示意图21WB完成剖面图22（2）WB的焊接方式焊接方式主要有热压焊、超声焊、金丝球焊三种。热压焊是利用加热、加压的方式使接触区的金属发生形变，同时破坏其上的氧化层，使金属丝和接触区的金属面之间产生原子间的吸引作用，达到互连的目的。23超声焊是利用超声波发生器产生的能量，经过换能器引起劈刀作机械振动，在劈刀上同时施加压力。在机械振动和压力共同作用下，铝丝和金属铝层间相互摩擦，破坏两者表面原有的极薄氧化层。在施加压力的作用下实现了两个纯净金属面间的紧密接触，达到键合的目的。24金丝球焊是具有代表性的焊接技术。底座加热到300℃以上，金丝穿过陶瓷或红宝石劈刀中毛细管，用氢气火焰将金丝端头烧成球后再用劈刀将金丝球压在金属电极上实现键合。25焊接方式压力（牛顿）温度超声能量线热压焊（T/C）0.5~1.5N/点300-500°C不需要Au超声焊(U/S)0.1N/点以上25°C需要Au、Al金丝球焊(T/S)0.07~0.09N/点100°C需要Au三种焊接方式的其他内容作了相应的比较26（3）引线材料金属导线的选择会影响到焊接质量、器件可靠性等方面。理想的材料应达到下面的要求：可与半导体材料间形成良好的欧姆接触；化学性能稳定；与半导体材料间有很强的结合力；导电性能良好；容易焊接；在键合过程中可保持一定的形状。Au、Al是键合时选择的两种材料。Au的化学稳定性、抗拉性、延展性好，容易加工成丝，因此成为热压焊、金丝球焊的首选材料。但因金与铝之间容易形成金属间化，27合物，所以在使用Au丝时要避免金铝系统。Al线具有良好的导电性，与半导体间也可形成和好的欧姆接触，成本也低，但因其材质太软不易拉丝和键合，一般不采用纯铝丝。标准的铝丝为加入1%硅的硅铝丝、加入0.5~1%镁的镁铝丝。但其机械强度远比金差，且表面易氧化。是超声波键合最常见的理想材料。28焊点的形状也因材料、焊接方式的不同而分为球形和楔形两种。球形楔形29楔形在键合时，将底座加热至300°C左右，劈刀加热至150°C左右，对准位置，劈刀加25~50g的压力即可完成键合。球形在键合时，将底座加热至300°C左右，对准位置，劈刀加50g左右的压力即可完成键合。方式工具线尺寸（线径的倍数）最高速度球形T/C,T/SCapillaryAu2.5-4~10条线/秒楔形T/S,U/SWedgeAu、Al1.1-2~5条线/秒两种焊点的适用范围及焊接情况302.倒装焊（FC，FlipChip）倒装焊是芯片与基板直接安装互连的一种方法。W/B互连法是芯片面朝上互连，而FC则是芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。31倒装芯片起源于可控塌陷芯片互连技术。该技术首先采用铜，然后在芯片与基板之间制作高铅焊球。铜或高铅焊球与基板之间的连接通过易熔焊料来实现。FC不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，在PGA，BGA和CSP中都得到了广泛的应用。由于FC的互连线非常短，而且I／O引出端分布于整个芯片表面，同时FC也适合使用SMT的技术手段来进行批量化的生产，因此FC将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。32（1）焊锡凸点焊料凸点不仅起到了IC和电路板机械互连的作用，还为两者提供了电和热的通道。凸点由UBM和焊料球两部分组成。UBM是焊盘和焊球之间的金属过渡层，位于圆片钝化层的上部。作为焊料球的基底，UBM与圆片上的金属化层有着非常好的粘附特性，与焊料球之间也有着良好的润湿特性。UBM在焊球与IC金属焊盘之间作为焊料的扩散层，UBM作为氧化阻挡层还起着保护芯片的作用。33常用的焊锡凸点制备方法有蒸发法和电镀法。选择蒸发法时，先用光刻工艺在圆片上形成UBM阻挡层，随后在其上蒸发Sn-Pb合金焊料球，通过回流焊工艺形成球形的焊料球。电镀法制备时，UBM溅射到整个晶圆的表面，随后涂覆光刻胶，通过后续的光刻在焊盘处形成开口。通过电镀法在开口处形成焊料，剥去光刻胶，腐蚀掉暴露在外的UBM，通过回流焊形成焊球。凸点高度的一致性对组装后的成品率有着很大的影响，可利用破坏性凸点剪切强度试验来控制制备凸点工艺。34（2）FC的填充技术对FC可靠性影响最大的是芯片和基座之间CTE匹配度，导致焊点出现裂缝。常用的解决办法是在二者之间填充流动的环氧树脂来减小应力，可将应力减小10倍以上。35倒装芯片最基本的步骤包括：制作芯片封装凸点、切片、将芯片倒装在基板或载体上、芯片与基板再流焊、在芯片与基板之间进行底部填充、老化、制作BGA焊球、将最终的封装组装到另一块印制电路板上。当前仅有少数芯片是利用FC技术组装，但随着微电子及电子封装技术的快速发展，特别是与SMT工艺相互结合后，FC终将会得到为迅速的发展并最终成为一种成熟的工艺技术。363.卷带自动结合（TAB）卷带自动结合技术是先将裸体芯片以镀金或镀锡铅的突块反扣结合在卷带脚架的内脚上，经自动测试后，再以卷带架的外脚结合在电路板的焊垫上，这种以卷带式脚架为中间载体，而将裸体芯片直接组装在PCB上的技术，称为“TAB技术”。3738封装材料芯片封装需要使用的材料很多，mold材料、leadframe材料等。1.mold材料mold材料的主要功能是将键合好的芯片加以包装，避免外界环境对其造成影响。mold材料有塑料、陶瓷、金属，常用的是固态环氧树脂。39（1）金属封装金属封装的优点是坚固耐用、导热性好、扛机械损伤能力强。重要的是，有电磁屏蔽功能，可防止外界电磁波的干扰。因此，在军事及航空航天领域得到了广泛的应用。由于金属价格昂贵，可塑性差，不能满足多引线小型化封装的要求且工艺难度高。所以，除了小的晶体管外在民用器件方面用之甚少。传统金属封装材料包括Al、Cu、Mo、W、及Cu／W和Cu／Mo等。40（2）陶瓷封装陶瓷材料具有良好的热导性和绝缘性能。陶瓷致密性高，对水分子有很好的阻隔能力，成为气密性封装的主要材料。但因其脆性较高，易受到应力的破坏；工艺温度也很高，且成本较高，故仅用于那些对可靠性要求特别高的芯片，使用范围很窄。陶瓷封装的基本流程与金属封装相似。41封装对陶瓷材料的基本要求是致密性好、介电强度高、热阻小、与金属外引线及芯片的CTE匹配、电阻率高。陶瓷外壳是根据期间要求的封装形式，将陶瓷浆料压模成型，经过高温烧结而成的。为了方便DA和焊接，对其外壳还作了局部金属化处理，金属材料的选择对陶瓷外壳质量的影响很大。陶瓷封装的类型很多，总的来说有双列直插结构和扁平结构两种。42（3）塑料封装用一些树脂或特殊塑料来封装芯片的方法就是塑料封装。塑料封装的散热性、气密性都较陶瓷封装和金属封装差一些，但它价格低、重量轻、工艺简单、可满足小型化封装，且适合自动化量产，已成为封装技术的主流。43塑封材料必须具有以下特征：绝缘性好；温度适应能力强；吸水性和渗水性很低；抗辐射能力强；CTE很小；化学稳定性好；和基板材料之间粘附性良好；致密性好；成本低。用于塑封器件的材料有有机硅和树脂两大类，目前业界是以热固性环氧树脂类为主的。热固性环氧树脂，粘接性极好、电学性质优良、机械强度好、成型后收缩性小、耐化学腐蚀性好、有一定的抗辐射抗潮湿能力，承受温度可高达150℃。但与硅酮树脂相比，其高频性能和抗湿性都稍差一些。44有机硅酮树脂介电性能良好、化学性能稳定，尤其在高温、潮湿的恶劣环境下，上是以环氧树脂为主要材料，环氧树脂虽为主体材料，但仅占到EMC总量的25%~30%，为了满足整体的性能需求，还需再加入填充剂、硬化剂、加速剂、耐燃剂等多种添加剂。无机填充剂常常选二氧化硅，其作用是强化封装基底、降低CTE、提高散热能力和抗热应力的能力，无机填充剂一般占总量的65%~75%左右；耦合基常常选用硅甲烷环氧树脂或氨基硅甲烷，其作用是增加无机填充剂和树脂45材料间的粘结性；加速剂和硬化剂为含有胺基、酚基、酸基、酸酐基或硫醇基的高分子树脂，它的作用是加速mold过程中树脂材料的交联反应，改善EMC粘滞和流变特性；阻燃剂以前通常选用溴化环氧树脂或氧化锑，目前，含氮、磷类及金属氢氧化物的绿色环氧塑封材料、无阻燃剂型绿色环氧塑封料已经走入市场，并且已经逐步主导市场领域了，阻燃剂的作用就是阻止燃烧连锁反应的发生。46业界正在推行无铅化，采用无铅焊工艺将使EMC耐焊温度达到250-280℃，这对环氧塑封料的可靠性提出更高的要求。回流焊温度的