第三章集成电路的制造过程2.

1集成电路的制造过程2一、封装基础知识定义、作用、分类、命名、发展趋势二、封装形式的发展三、封装工艺和控制流程、工艺、材料、优化和控制工具四、封装失效和可靠性失效模式、原因、防静电、可靠性评价五、封装设计和开发设计考虑因素、开发封装形式案例六、封装标准和客诉分析外观标准、投诉分析方法和案例七、环保和无铅工艺法规、绿色环保、无铅和测试、环保带来的可靠性问题八、FlipChip封装介绍工艺和特点3封装基础知识1、定义:封装指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。封装也叫组装，可以用封装的加工过程来定义封装。封装包括芯片的安装和器件的包封两个部分。42、封装的主要作用信号分配，包括布图和电磁性能考虑。电源分配，包括电磁、结构和材料方面的考虑，为器件提供合适的外引线。热耗散，包括结构和材料方面的考虑。元器件和互联的保护，包括机械、化学、电磁方面。封装基础知识5封装基础知识3、封装的分类按结构材料来分，可分为三大类：金属封装、陶瓷封装、塑料封装。特点：金属、陶瓷封装属于气密性封装，可靠性高、成本高，通用性低。塑料封装属于非气密性封装，防潮性能较差，成本低，通用性高。6封装基础知识按电路安装方式分类，可分为两大类：通孔插装式安装器件PTH（PIN-THROUGH-HOLE）和表面安装器件（SURFACE-MOUNT-TECHNOLOGY）。特点：插装式的结构便于自动化安装和高的可靠性焊接，体积大。表面安装式结构引线密度高，体积小，焊接要求高。7封装基础知识5、各种IC封装形式SIP、FSIP、DIP、SDIP、SKDIP、FZIP、HDIP、PGASOP、HSOP、SSOP、TSOP、QFP、LQFP、TQFP、PLCCBGA、CBGA、CSP、FLIP、CHIP8封装基础知识DIPDualIn-linePackage双列直插封装QFPQuadFlatPackage四边引出扁平封装PQFPPlasticQuadFlatPackage塑料四边引出扁平封装SQFPShortenQuadFlatPackage缩小型细引脚间距QFPBGABallGridArrayPackage球栅阵列封装PGAPinGridArrayPackage针栅阵列封装CPGACeramicPinGridArray陶瓷针栅阵列矩阵PLCCPlasticLeadedChipCarrier塑料有引线芯片载体9封装基础知识CLCCCeramicLeadedChipCarrier塑料无引线芯片载体SOPSmallOutlinePackage小尺寸封装TSOPThinSmallOutlinePackage薄小外形封装SOTSmallOutlineTransistor小外形晶体管SOJSmallOutlineJ-leadPackageJ形引线小外形封装SOICSmallOutlineIntegratedCircuitPackage小外形集成电路封装10封装基础知识DIPSOPFSIPQFP11封装基础知识封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。12封装基础知识封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁—芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。13封装基础知识在微电子器件的总体成本中，设计占了三分之一，芯片生产占了三分之一，而封装和测试也占了三分之一，真可谓三分天下有其一。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。14封装基础知识15封装基础知识16封装基础知识一、DIP封装70年代流行的是双列直插封装，简称DIP。DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.易于对PCB布线;3.操作方便。DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)。17封装基础知识衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。18封装形式的发展60年代DIP70年代LCC80年代QFP、-----SMT90年代BGP、CSP、MCM19封装形式的发展芯片载体封装80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC、塑料有引线芯片载体PLCC、小尺寸封装SOP、塑料四边引出扁平封装PQFP。以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。20封装形式的发展21封装形式的发展QFP的特点是:1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;3.操作方便;4.可靠性高。在这期间，Intel公司的CPU，如Intel80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。22封装形式的发展90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种——球栅阵列封装，简称BGA(BallGridArrayPackage)。23封装形式的发展24封装形式的发展BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有:1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能:3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上;4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;25封装形式的发展5.组装可用共面焊接，可靠性高;6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大;Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、PentiumPro、PentiumⅡ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。26封装形式的发展曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM。MCM的特点有:1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化;2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3;3.可靠性大大提高。27封装形式的发展28封装形式的发展随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(waferlevel)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC和电脑级芯片PCOC。29封装形式的发展封装大致经过了如下发展进程：结构方面：TO－DIP－LCC－QFP－BGA－CSP；材料方面：金属、陶瓷－陶瓷、塑料－塑料；引脚形状：长引线直插－短引线或无引线贴装－球状凸点；装配方式：通孔插装－表面组装－直接安装。30封装形式的发展DIP--双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。PLCC--封装方式，外形呈正方形，32脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比DIP封装小得多。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。31封装形式的发展PQFP--封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。SOP--1968～1969年菲为浦公司就开发出小外形封装（SOP）。以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。32封装形式的发展近年来，国内外集成电路(IC)市场的需求不断上升，产业规模发展迅速，IC产业已成为国民经济发展的关键。旺盛的封测市场需求给国内的封测企业带来了良好的发展机遇，中国封装测试产业目前正在逐步走向良性循环。但是，国内封测企业尤其是本土企业在技术水平和生产规模上与国际一流企业相比仍有很大差距，多数项目属于劳动密集型的中等适用封装技术，还处于以市场换技术的“初级阶段”。33封装形式的发展面对强劲的市场和IC封装产业的发展需求，开发具有自主知识产权的先进封装技术，形成具有自主创新能力和核心竞争力的产业链，实现本土企业的可持续发展，已成为中国IC封装业亟待解决的一项具有全局性和战略性意义的问题。国家重点扶持的高密度集成电路封装技术国家工程实验室正是顺应了这一需求。34二、封装工艺和控制1、工艺流程（传统封装）电镀35二、封装工艺和控制2、工艺过程和作用A、磨片(背面减薄)圆片的厚度与尺寸有关。原因：提高圆片的机械强度，减少翘曲和防止碎片。为便于划片和减少体硅电阻，并有利于散热和适合封装外形的需要，必须将圆片减薄到相应厚度。厚度一般为200um-350um,特殊封装在150um-180um。磨片方式有两种:一种是正面用白蜡粘在贴片盘上,另一种正面贴保护膜,用抽真空吸附在贴片盘上，现在采用后一种方式。36园片正面贴片后37园片背面磨片后38二、封装工艺和控制2、工艺过程和作用B、划片（分片）:划片将圆片分割才成许多单独的管芯,便于装片。划片有机械切割和激光分割两种，划片有两种形式,一种局部划片,圆片不划穿.另一种圆片划穿。39贴片膜园片环片盒贴片后40划片后41二、封装工艺和控制2、工艺过程和作用C、装片将芯片装到引线框的指定位置上。基本要求：达到一定的机械强度,具有良好的欧姆接触，散热性好，化学稳定性好。通常有共晶焊和聚合物沾接两种方式。材料有锡铅合金焊料和导电银胶。装片应注意表面擦伤,沾接材料的背面溢出情况等。42导电胶管滴胶头银浆引线框装片点胶和传送43装片机取芯片44二、封装工艺和控制2、工艺过程和作用D、键合用细金属丝将芯片上的电极引线和引线框内引线连接的过程称为键合。键合方法：目前主要有热压焊和热超声焊。键合引线材料主要有金、铝、铜。45键合机劈刀键合打线46键合金线键合后47二、封装工艺和控制2、工艺过程和作用E、塑封利用专用模具，在一定的压力和温度条