第12章 集成电路的测试与封装

第12章集成电路的测试与封装12.1集成电路在芯片测试技术12.2集成电路封装形式与工艺流程12.3芯片键合12.4高速芯片封装12.5混合集成与微组装技术12.6数字集成电路测试方法设计错误测试设计错误测试的主要目的是发现并定位设计错误，从而达到修改设计，最终消除设计错误的目的。设计错误的主要特点是同一设计在制造后的所有芯片中都存在同样的错误，这是区分设计错误与制造缺陷的主要依据。12.1集成电路在芯片测试技术功能测试测试目的功能测试是针对制造过程中可能引起电路功能不正确而进行的测试，与设计错误相比，这种错误的出现具有随机性，测试的主要目的不是定位和分析错误．而是判断芯片上是否存在错误，即区分合格的芯片与不合格的芯片。功能测试的困难源于以下两个方面：一个集成电路具有复杂的功能，含有大量的晶体管电路中的内部信号不可能引出到芯片的外面，而测试信号和测试结果只能从外部的少数管脚施加并从外部管脚进行观测。测试的过程就是用测试仪器将测试向量(1和0组成的序列)，通过探针施加到输入管脚，同时在输出管脚上通过探针进行检测，并与预期的结果进行比较。高速的测试仪器是非常昂贵的设备，测试每个芯片所用的时间必须尽可能地缩短，以降低测试成本。集成电路测试所要做的工作，一是要将芯片与测试系统的各种联接线正确联接；二是要对芯片施加各种信号，通过分析芯片的输出信号，来得到芯片的功能和性能指标。芯片与测试系统的联接分为两种：•芯片在晶圆测试的联接方法•芯片成品测试的联接方法集成电路测试信号联接方法（1）芯片在晶圆测试的联接方法一种10探针头的实物照片GSG组合150um间距微波探头照片两种芯片在晶圆测试用探针：集成电路测试信号联接方法（2）芯片成品测试的联接方法测试机与被测电路板的联接照片MT9308分选机12.2集成电路封装形式与工艺流程封装的作用(1)对芯片起到保护作用。封装后使芯片不受外界因素的影响而损坏，不因外部条件变化而影响芯片的正常工作；(2)封装后芯片通过外引出线(或称引脚)与外部系统有方便相可靠的电连接；(3)将芯片在工作中产生的热能通过封装外壳散播出去，从研保证芯片温度保持在最高额度之下；(4)能使芯片与外部系统实现可靠的信号传输，保持信号的完整性。封装的内容(1)通过一定的结构设计、工艺设计、电设计、热设计和可靠性设计制造出合格的外壳或引线框架等主要零部件；(2)改进封装结构、确定外形尺寸，使之达到通用化、标准化，并向多层次、窄节距、多引线、小外形和高密度方向发展；(3)保证自硅晶圆的减薄、划片和分片开始，直到芯片粘接、引线键合和封盖等一系列封装所需工艺的正确实施，达到一定的规模化和自动化；(4)在原有的材料基础上，提供低介电系数、高导热、高机械强度等性能优越的新型有机、无机和金属材料；(5)提供准确的检验测试数据，为提高集成电路封装的性能和可靠性提供有力的保证。封装的形式Package--封装体指芯片（Die）和不同类型的框架（L/F）和塑封料（EMC）形成的不同外形的封装体。ICPackage的种类•按封装材料划分为：金属封装、陶瓷封装、塑料封装•按照和PCB板连接方式分为：PTH封装和SMT封装•按照封装外型可分为：SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等；按封装材料划分为：金属封装陶瓷封装塑料封装金属封装主要用于军工或航天技术，无商业化产品；陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产品，占少量商业化市场；塑料封装用于消费电子，因为其成本低，工艺简单，可靠性高而占有绝大部分的市场份额；按与PCB板的连接方式划分为：PTHSMTPTH-PinThroughHole,通孔式；SMT-SurfaceMountTechnology，表面贴装式。目前市面上大部分IC均采为SMT式的SMT按封装外型可分为：SOT、QFN、SOIC、TSSOP、QFP、BGA、CSP等；决定封装形式的两个关键因素:•封装效率。芯片面积/封装面积，尽量接近1:1；•引脚数。引脚数越多，越高级，但是工艺难度也相应增加；封装形式和工艺逐步高级和复杂其中,CSP由于采用了FlipChip技术和裸片封装，达到了芯片面积/封装面积=1:1，为目前最高级的技术；（IC的封装形式）•QFN—QuadFlatNo-leadPackage四方无引脚扁平封装•SOIC—SmallOutlineIC小外形IC封装•TSSOP—ThinSmallShrinkOutlinePackage薄小外形封装•QFP—QuadFlatPackage四方引脚扁平式封装•BGA—BallGridArrayPackage球栅阵列式封装•CSP—ChipScalePackage芯片尺寸级封装常用集成电路封装形式（1）DIP(DualIn-linePackage)双列直插式封装2.54×3=7.620.52.541.53.43.35876512346.39.2P型8引线封装正视图顶视图常用集成电路封装形式（2）SOP(SmallOutlinePackage)小外形封装SOP实际上是DIP的变形，即将DIP的直插式引脚向外弯曲成90度，就成了适于表面贴装SMT（SurfaceMountTechnology）的封装了，只是外形尺寸和重量比DIP小得多。SOP封装外形图常用集成电路封装形式（3）QFP(QuadFlatPackage)四边引脚扁平封装QFP封装结构QFP的分类：塑（Plastic）封QFP(PQFP)薄型QFP(TQFP)窄（Fine）节距QFP(FQFP)（IC结构图）TOPVIEWSIDEVIEWLeadFrame引线框架GoldWire金线DiePad芯片焊盘Epoxy银浆MoldCompound环氧树脂集成电路封装工艺流程划片分类管芯键合引线绑定密封管壳焊封型模测试工序晶圆加工好的焊料聚合物粘结剂Al丝Au丝保形的涂敷材料加工好的金属聚合物密封剂塑模化合物引线框架陶瓷管壳管帽部件材料引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框架上的电极内端（有时称为柱）进行电连接最常用的方法（见下图）。引线键合放置精度通常是＋5µm。键合线或是金或是铝，因为它在芯片压点和引线框架内端压点都形成良好键合，通常引线直径是25～75µm之间。12.3芯片键合引线键合传统装配与封装硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.1引线焊接EFO打火杆在磁嘴前烧球Cap下降到芯片的Pad上，加Force和Power形成第一焊点Cap牵引金线上升Cap运动轨迹形成良好的WireLoopCap下降到LeadFrame形成焊接Cap侧向划开，将金线切断，形成鱼尾Cap上提，完成一次动作从芯片压点到引线框架的引线键合压模混合物引线框架压点芯片键合的引线管脚尖集成电路封装示意图芯片绑定时，应给出载体型号和芯片焊盘与载体上的引脚关系示意图，如图所示，芯片方向用向上箭头表示，QFP24载体引脚从左下角第二引脚开始，逆时针方向连续标号，按图连接明确无误。卷带式自动键合TAB技术聚合物条带铜引线倒装芯片将芯片的有源面（具有表面键合压点）面向基座的粘贴封装技术。倒装技术优点：•寄生电感远小于传统键合技术的寄生值•焊接盘可遍布芯片，不仅限于芯片周边•衬底均可被IC覆盖，封装密度高•可靠性高•焊接时，连接柱的表面张力会自我校正倒装芯片封装压点上的焊料凸点硅芯片基座连接管座金属互连通孔硅片压点上的C4焊料凸点回流工艺金属淀积和刻蚀第二层金属淀积SnPb(3)在回流过程中焊球形成(4)Oxide氮化硅Al压点(1)第三层复合金属Cu-SnCr+CuCr(2)倒装芯片的环氧树脂填充术关于倒装芯片可靠性的一个重要问题是硅片和基座之间热膨胀系数（CTE）失配。严重的CTE失配将应力引入C4焊接点并由于焊接裂缝引起早期失效。通过在芯片和基座之间用流动环氧树脂填充术使问题得以解决。焊料凸点芯片环氧树脂基座倒装芯片面阵焊接凸点与引线键合因为倒装芯片技术是面阵技术，它促进了对封装中更多输入/输出管脚的要求。这意味着C4焊料凸点被放在芯片表面的x-y格点上，对于更多管脚数有效利用了芯片表面积。压点周边阵列倒装芯片凸点面阵列Figure20.2312.4高速芯片封装在高频和高速系统设计时，不同封装形式的引脚的寄生参数必须加以考虑。封装类型电容/pF电感/nH68针塑料DIP43568针陶瓷DIP720256针PGA515金丝压焊11例装焊0.50.1几种封装形式下引脚的寄生电容和电感的典型值12.4高速芯片封装MCM技术的发展与进步由于多芯片模块(MCM)的出现、发展和进步，推动了微组装技术发展。由于信号传输高频化和高速数字化的要求以及裸芯片封装的需要，因而要求有比起SMT组装密度更高的基板和母板。12.5混合集成与微组装技术多芯片组件，它是在混合集成电路(HIC)基础上发展起来的高技术电子产品，是将多个LSI和VLSI芯片和其它元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一封装体内的高密度、高可靠性的电子产品，可以实现系统功能，达到电子产品的小型化、多功能、高性能。MCM基座单个芯片MCM(Mu1ti—ChipModule)基本概念MCM分类•MCM通常可分为五大类，•即MCM—L，其基板为多层布线PWB；•MCM—C，其基板为多层布线厚膜或多层布线共烧陶瓷；•MCM—D，其为薄膜多层布线基板；•MCM—C／D，其为厚、薄膜混合多层布线基板；•MCM—Si，其基板为Si。•以上这些基板上再安装各类Ic芯片及其它元器件，使用先进封装，就制作成各类MCM。三级基板（或PCB）•近似芯片尺寸的超小型封装•可容纳引脚的数最多，便于焊接、安装和修整更换•电、热性能优良•测试、筛选、老化操作容易实现•散热性能优良•封装内无需填料•制造工艺、设备的兼容性好MCM的优势一种六芯片MCM12.6数字集成电路测试方法概述•数字集成电路测试的意义在于可以直观地检查设计的集成电路是否能像设计者要求的那样正确地工作。•另一目的是希望通过测试，确定电路失效的原因以及失效所发生的具体部位，以便改进设计和修正错误。测试的难度为实现对芯片中的错误和缺陷定位，从测试技术的角度而言就是要解决测试的可控制性和可观测性。数字系统一般都是复杂系统，测试问题变得日益严重。12.6.1可测试性的重要性测试生成指产生验证电路的一组测试码，又称测试矢量测试验证指一个给定测试集合的有效性测度，这通常是通过故障模拟来估算的。测试设计目的是为了提高前两种工作的效率，也就是说，通过在逻辑和电路设计阶段考虑测试效率问题，加入适当的附加逻辑或电路以提高将来芯片的测试效率。数字集成电路可测性的3个方面集成电路芯片测试的基本形式完全测试对芯片进行全部状态和功能的测试，要考虑集成电路的所有状态和功能，即使在将来的实际应用中有些并不会出现。完全测试是完备集。在集成电路研制阶段，为分析电路可能存在的缺陷和隐含的问题，应对样品进行完全测试。功能测试只对集成电路设计之初所要求的运算功能或逻辑功能是否正确进行测试。功能测试是局部测试。在集成电路的生产阶段，通常采用功能测试以提高测试效率降低测试成本。2020/2/443完全测试的含义例如：N个输入端的逻辑，它有2N个状态。组合逻辑：在静态状态下，需要2N个顺序测试矢量。动态测试应考虑状态转换时的延迟配合问题，仅仅顺序测试是不够的。时序电路：由于记忆单元的存在，电路的状态不但与当前的输入有关，还与上一时刻的信号有关。它的测试矢量不仅仅是枚举问题，而是一个排列问题。最坏情况下它是2N个状态的全排列，它的测试矢量数目是一个天文数字。可测试性成为VLSI设计中的一个重要部分内部节点测试方法的基本思想由于电路制作完成后，各个内部节点将不可直接探测，只能通过输入/输出来观测。对内部节点测试思想是：假设在待测试节点存在一个故障状态，然后反映和传达这个故障到输出观察点。在测试中如果输出观察点测到该故障效应，则说明