10微电子工艺基础封装技术

微电子工艺基础第10章封装技术微电子工业基础第10章封装技术本章目标：1、熟悉封装的流程2、熟悉常见半导体的封装形式微电子工业基础第10章封装技术一、概述二、封装工艺三、封装设计微电子工业基础第10章封装技术一、概述1、简介2、影响封装的芯片特性3、封装的功能4、洁净度和静电控制5、封装的工艺流程6、封装体的构成7、封装与PCB板的连接微电子工业基础第10章封装技术一、概述1、简介微电子工业基础第10章封装技术一、概述1、简介将单个芯片从晶圆整体中分离出来后：（1）多数情况，被置入一个保护性的封装体中（2）作为多芯片模块的一部分（3）直接安装在印制电路板上（板上芯片COB）微电子工业基础第10章封装技术一、概述2、影响封装的芯片特性微电子工业基础第10章封装技术一、概述2、影响封装的芯片特性保护芯片所采取的措施：（1）临近晶圆制造工艺结尾处淀积钝化层（2）为芯片提供一个封装体（封装温度不高于450度）微电子工业基础第10章封装技术一、概述3、封装的功能（1）紧固的引脚系统将脆弱的芯片表面器件连线与外部世界连接起来。（2）物理性保护（防止芯片破碎或受外界损伤）（3）环境性保护（免受化学品、潮气等的影响）（4）散热（封装体的各种材料本身可带走一部分热量）微电子工业基础第10章封装技术一、概述4、洁净度和静电控制（1）洁净度虽然封装区域对洁净度水平的要求远不如晶片生产区域严格，但保持一定的洁净度仍是非常重要的。微电子工业基础第10章封装技术一、概述4、洁净度和静电控制（2）静电控制在封装区域内来自于外界环境的最致命危害是静电（尤其对于MOS栅结构的器件），因此每个生产高集成度芯片的封装区域应有一套切实有效的防静电方案。微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程晶圆加工的四个基本操作可以重复。封装是一条龙生产线，没有反复的工序。微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程①底部准备底部准备通常包括磨薄和镀金。②划片用划片法或锯片法将晶片分离成单个芯片微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程③取片和承载在挑选机上选出良品芯片，放于承载托盘中。微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程④粘片用金硅低熔点技术或银浆粘贴材料粘贴在封装体的芯片安装区域。微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程⑤打线A：芯片上的打线点与封装体引脚的内部端点之间用很细的线连接起来（线压焊）；B：在芯片的打线点上安装半球型的金属突起物（反面球形压焊）；C：TAB压焊技术；微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程⑥封装前检查有无污染物；芯片粘贴质量；金属连接点的好坏；微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程⑦电镀、切筋成型和印字电镀：为增强封装体的外部引脚在电路板上的可焊性，电镀上铅锡合金。切筋成型:在接近封装工序的结尾，需要将引脚与引脚之间的连筋切除。微电子工业基础第10章封装技术一、概述5、封装的工艺流程⑧最终测试包括电性测试及环境适应的可靠性测试。微电子工业基础第10章封装技术一、概述6、封装体的构成①芯片粘贴区域（要求平整）微电子工业基础第10章封装技术一、概述6、封装体的构成②内部引脚③外部引脚微电子工业基础第10章封装技术一、概述6、封装体的构成④芯片-封装体的连接（压焊线、压焊球）微电子工业基础第10章封装技术一、概述6、封装体的构成⑤封装外壳微电子工业基础第10章封装技术一、概述7、封装与PCB的连接①通孔法（pin-through-hole）②表面安装法（SMD）③载带自动焊法（TAB）微电子工业基础第10章封装技术一、概述二、封装工艺三、封装设计微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺1、封装前晶圆准备2、划片3、取放芯片和芯片检查4、粘片5、打线6、封装7、引脚电镀8、引脚切筋成型9、外部打磨10、封装体印字11、终测微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺1、封装前晶圆准备（非必需）①晶圆打磨原因：A：芯片越来越厚，薄片易划片B：厚芯片要求较深的粘片凹腔C：掺杂工艺中，如果晶圆背部没有被保护起来，掺杂体形成电子结合点，可打磨掉微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺1、封装前晶圆准备②背面镀金背面镀金增加粘附性。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺2、划片两种方法：划片分离和锯片分离①划片法还需圆柱滚轴加压才能得以分离。②锯片法完全锯开微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺3、取放芯片和芯片检查（P381）取放芯片两种模式：①手动模式②自动模式真空吸笔自动拣出良品芯片芯片检查（使用显微镜人工检查或光学成像系统自动检查）：检查芯片棱角的质量（不应有任何崩角和裂纹）；检查表面划痕和污染物。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺4、粘片粘片的目的：①在芯片与封装体之间产生很牢固的物理性连接②在芯片与封装体之间产生传导性或绝缘性的连接③作为介质把芯片上产生的热量传导到封装体上粘片技术：①低熔点融合技术②树脂粘贴技术微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺4、粘片粘片材料：（P382）①导电材料金／硅合金；含金属的树脂；导电的聚酰亚胺②非导电材料树脂；密封聚酰亚胺微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺4、粘片（1）低熔点融合技术原理：共熔现象①硅层②金膜③金－硅合金（粘合性强、散热性好、热稳定性好、含较少的杂质）低熔点粘片四步：①对封装体加热，直至金硅合金熔化②把芯片安放在粘片区③研磨挤压、加热形成金－硅合金④冷却系统三层结构：微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺4、粘片（2）树脂粘贴法（P383）方法：使用黏稠的液体树脂粘合剂。树脂粘贴法三步：①粘片区沉积上一层树脂粘合剂②向下挤压芯片以使下面的树脂平整③烘干液体树脂粘合剂可在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或在掺杂了金或银后称为电和热的良导体。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线打线是整个封装工序中最重要的一步。有三种技术：①线压焊（金线压焊和铝线压焊）②反面球压焊③TAB焊（载带自动焊系统）微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线（1）线压焊线压焊通常是金线和铝线，他们的导电性和延展性都很强。金的优点：最好的导体极好的热导体抗氧化和腐蚀金线压焊的方法：热挤压焊法（TC压焊法）（300度-350度）超声波加热法（温度更低）微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线（1）线压焊金线压焊所受限制：①金线的消耗②金铝形成紫色合金，影响电传导性微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线（1）线压焊铝线压焊优点：①低成本②它与铝材料的压焊点属同种材料，不容易受腐蚀③铝的压焊温度较金更低，这与使树脂粘合剂粘片的工艺相兼容微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线（2）反面球压焊技术线压焊不足：①连接点都有电阻②线太近的话容易短路③每个线压焊两个点解决方案：用沉积在每个压焊点上的金属突起物代替金属线。把芯片反转过来之后对金属突起物的焊接实现了封装体的电路连接。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺5、打线（2）反面球压焊技术微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺6、封装封装方法：密封型：焊接封装焊料封装（焊接盖封装）CERDIP封装非密封型：树脂压模顶部滴胶封装微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺6、封装比较早的封装方式，适合于分立器件或小规模集成电路。（1）金属罐（焊接封装）（2）预制的陶瓷封装体封装金属盖或者陶瓷盖。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺6、封装比较早的封装方式，适合于分立器件或小规模集成电路。（3）CERDIP封装（4）树脂塑封体塑料封装。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺7、引脚电镀封装体封装完毕的一个重要特征是完成对引脚的加工。大多数的封装体的引脚被镀上一层铅锡合金。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺8、引脚切筋成型将引脚与引脚之间多余的连筋去掉。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺9、外部打磨将塑料封体外壳的多余毛刺去掉，两种方法：①物理法②化学法微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺10、封装体印字两种方法：①墨印法（适合所有封装材料且粘附性好）②激光印字法（特别适合于塑料封装体的印字方法）微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺11、终测在器件封装的结尾，加工完毕的封装器件要经过一系列的环境、电性和可靠性测试，有时可能只是抽样测试。（1）环境测试环境测试的目的：清除出有缺陷的（芯片松动、污染物和粘片凹腔内的尘埃）或者密封不严的封装器件环境测试的准备工作：稳定性烧烤一段时间（150度、连续24个小时），将封装器件中所有可挥发性的物质去除掉。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺11、终测（1）环境测试（教材P390）①温度循环受测器件被载入测试室内，在高低两个极端的温度下循环，缺陷恶化以便在电性测试中发现。②持续加速测试载入离心机中加速。③密封测试总体检漏法。微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺11、终测（2）电性测试（教材P391）动机：验证经过晶圆电测过的良品芯片没有被以后的封装工序搞坏。①参数测试（输入输出电压、电容、电流）②功能性测试微电子工业基础第10章封装技术二、封装工艺11、终测（3）老化测试（教材P391）可选，高可靠性器件必须进行老化测试。方法：器件插入到插件座中，安装在有温度循环能力测试室内。在测试中器件电路在加电的情况下经受温度循环测试。目的：加剧芯片与封装体内部的电性连接的性能，驱使芯片体上所有污染物跑到正在运行的电路上，导致失效。微电子工业基础第10章封装技术一、概述二、封装工艺三、封装设计微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计1、前言2、金属罐法3、双列直插封装4、针形栅格阵列封装5、球形栅格阵列封装6、薄形封装7、四面引脚封装8、多芯片模块（MCM）封装9、板上芯片（COB）微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计1、前言70年代中期以前，大多数芯片封装不是金属罐就是DIP，随着芯片尺寸的缩小和集成度的提高，逐渐出现了新的封装技术。微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计2、金属罐法（教材P393）用于封装分立器件和小规模集成电路。微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计3、双列直插封装（教材P393）DIP是人们最熟悉的封装设计，有三种不同的技术构成。高可靠性的芯片会被封装到预制的陶瓷DIP体内。大多数DIP封装都是使用树脂塑封技术来完成的。微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计3、双列直插封装（教材P393）DIPSIP微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计4、针形栅格阵列封装（教材P394）DIP适合于做管脚数量比较少的封装。FC-PGA：FlipChipPinGridArray反转芯片针状栅格阵列微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计4、针形栅格阵列封装（教材P394）微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计5、球形栅格阵列封装（教材P394）与PGA封装体的外形相似，但BGA是用一系列的焊料突起物（焊球）用来完成封装体与PCB的电路连接。微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计5、球形栅格阵列封装（教材P394）微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计5、球形栅格阵列封装（教材P394）焊至此处微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计5、球形栅格阵列封装（教材P394）微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计6、薄形封装（教材P394）常见的薄形封装有：扁平封装（FPFlatPackage）薄小轮廓封装封装（TSOPThinSmallOutlinePackage）小轮廓集成电路封装（SOICSmallOutlineIC）微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计6、薄形封装（教材P394）或TSSOPThinShrinkSmallOutlinePackageTSOP微电子工业基础第10章封装技术三、封装设计6、薄形封装（教材P394）注：QFP(QuadFlatP