半导体封装工艺介绍

IntroductionofICAssemblyProcessIC封装工艺简介艾ICProcessFlowCustomer客户ICDesignIC设计WaferFab晶圆制造WaferProbe晶圆测试Assembly&TestIC封装测试SMTIC组装ICPackage（IC的封装形式）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种类很多，可以按以下标准分类：•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；ICPackage（IC的封装形式）•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；ICPackage（IC的封装形式）•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SMTICPackage（IC的封装形式）•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；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；封装形式和工艺逐步高级和复杂ICPackage（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ICPackageStructure（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RawMaterialinAssembly(封装原材料)【Wafer】晶圆……RawMaterialinAssembly(封装原材料)【LeadFrame】引线框架提供电路连接和Die的固定作用；主要材料为铜，会在上面进行镀银、NiPdAu等材料；L/F的制程有Etch和Stamp两种；易氧化，存放于氮气柜中，湿度小于40%RH;除了BGA和CSP外，其他Package都会采用LeadFrame，BGA采用的是Substrate；RawMaterialinAssembly(封装原材料)【GoldWire】焊接金线实现芯片和外部引线框架的电性和物理连接；金线采用的是99.99%的高纯度金；同时，出于成本考虑，目前有采用铜线和铝线工艺的。优点是成本降低，同时工艺难度加大，良率降低；线径决定可传导的电流；0.8mil，1.0mil，1.3mils，1.5mils和2.0mils；RawMaterialinAssembly(封装原材料)【MoldCompound】塑封料/环氧树脂主要成分为：环氧树脂及各种添加剂（固化剂，改性剂，脱模剂，染色剂，阻燃剂等）；主要功能为：在熔融状态下将Die和LeadFrame包裹起来，提供物理和电气保护，防止外界干扰；存放条件：零下5°保存，常温下需回温24小时；RawMaterialinAssembly(封装原材料)成分为环氧树脂填充金属粉末（Ag）；有三个作用：将Die固定在DiePad上；散热作用，导电作用；-50°以下存放，使用之前回温24小时；【Epoxy】银浆TypicalAssemblyProcessFlowFOL/前段EOL/中段Plating/电镀EOL/后段FinalTest/测试FOL–FrontofLine前段工艺BackGrinding磨片WaferWaferMount晶圆安装WaferSaw晶圆切割WaferWash晶圆清洗DieAttach芯片粘接EpoxyCure银浆固化WireBond引线焊接2ndOptical第二道光检3rdOptical第三道光检EOLFOL–BackGrinding背面减薄Taping粘胶带BackGrinding磨片De-Taping去胶带将从晶圆厂出来的Wafer进行背面研磨，来减薄晶圆达到封装需要的厚度（8mils~10mils）；磨片时，需要在正面（ActiveArea）贴胶带保护电路区域同时研磨背面。研磨之后，去除胶带，测量厚度；FOL–WaferSaw晶圆切割WaferMount晶圆安装WaferSaw晶圆切割WaferWash清洗将晶圆粘贴在蓝膜（Mylar）上，使得即使被切割开后，不会散落；通过SawBlade将整片Wafer切割成一个个独立的Dice，方便后面的DieAttach等工序；WaferWash主要清洗Saw时候产生的各种粉尘，清洁Wafer；FOL–WaferSaw晶圆切割WaferSawMachineSawBlade(切割刀片)：LifeTime：900~1500M；SpindlierSpeed：30~50Krpm：FeedSpeed：30~50/s;FOL–2ndOpticalInspection二光检查主要是针对WaferSaw之后在显微镜下进行Wafer的外观检查，是否有出现废品。ChippingDie崩边FOL–DieAttach芯片粘接WriteEpoxy点银浆DieAttach芯片粘接EpoxyCure银浆固化EpoxyStorage：零下50度存放；EpoxyAging：使用之前回温，除去气泡；EpoxyWriting：点银浆于L/F的Pad上，Pattern可选；FOL–DieAttach芯片粘接芯片拾取过程：1、EjectorPin从wafer下方的Mylar顶起芯片，使之便于脱离蓝膜；2、Collect/Pickuphead从上方吸起芯片，完成从Wafer到L/F的运输过程；3、Collect以一定的力将芯片Bond在点有银浆的L/F的Pad上，具体位置可控；4、BondHeadResolution：X-0.2um；Y-0.5um；Z-1.25um；5、BondHeadSpeed：1.3m/s；FOL–DieAttach芯片粘接EpoxyWrite：Coverage75%;DieAttach：Placement0.05mm;FOL–EpoxyCure银浆固化银浆固化：175°C，1个小时；N2环境，防止氧化：DieAttach质量检查：DieShear（芯片剪切力）FOL–WireBonding引线焊接※利用高纯度的金线（Au）、铜线（Cu）或铝线（Al）把Pad和Lead通过焊接的方法连接起来。Pad是芯片上电路的外接点，Lead是LeadFrame上的连接点。W/B是封装工艺中最为关键的一部工艺。FOL–WireBonding引线焊接KeyWords：Capillary：陶瓷劈刀。W/B工艺中最核心的一个BondingTool，内部为空心，中间穿上金线，并分别在芯片的Pad和LeadFrame的Lead上形成第一和第二焊点；EFO：打火杆。用于在形成第一焊点时的烧球。打火杆打火形成高温，将外露于Capillary前端的金线高温熔化成球形，以便在Pad上形成第一焊点（BondBall）；BondBall：第一焊点。指金线在Cap的作用下，在Pad上形成的焊接点，一般为一个球形；Wedge：第二焊点。指金线在Cap的作用下，在LeadFrame上形成的焊接点，一般为月牙形（或者鱼尾形）；W/B四要素：压力（Force）、超声（USGPower）、时间（Time）、温度（Temperature）；FOL–WireBonding引线焊接陶瓷的Capillary内穿金线，并且在EFO的作用下，高温烧球；金线在Cap施加的一定压力和超声的作用下，形成BondBall；金线在Cap施加的一定压力作用下，形成Wedge；FOL–WireBonding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FOL–WireBonding引线焊接WireBond的质量控制：WirePull、StitchPull（金线颈部和尾部拉力）BallShear（金球推力）WireLoop（金线弧高）BallThickness（金球厚度）CraterTest（弹坑测试）Intermetallic（金属间化合物测试）SizeThicknessFOL–3rdOpticalInspection三光检查检查DieAttach和WireBond之后有无各种废品EOL–EndofLine后段工艺Molding注塑EOLLaserMark激光打字PMC高温固化De-flash/Plating去溢料/电镀Trim/Form切筋/成型4thOptical第四道光检Annealing电镀退火Note：JustForTSSOP/SOIC/QFPpackageEOL–Molding（注塑）※为了防止外部环境的冲击，利用EMC把WireBonding完成后的产品封装起来的过程，并需要加热硬化。BeforeMoldingAfterMoldingEOL–Molding（注塑）MoldingTool（模具）EMC（塑封料）为黑色块状，低温存储，使用前需先回温。其特性为：在高温下先处于熔融状态，然后会逐渐硬化，最终成型。Molding参数：MoldingTemp：175~185°C；ClampPressure：3000~4000N；TransferPressure：1000~1500Psi；TransferTime：5~15s；CureTime：60~120s；CavityL/FL/FEOL–Molding（注塑）MoldingCycle-L/F置于模具中，每个Die位于Cavity中，模具合模。-块状EMC放入模具孔中-高温下，EMC开始熔化，顺着轨道流向Cavity中-从底部开始，逐渐覆盖芯片-完全覆盖包裹完毕，成型固化EOL–LaserMark（激光打字）在产品（Package）的正面或者背面激光刻字。内容有：产品名称，生产日期，生产批次等；BeforeAfterEOL–PostMoldCure（模后固化）用于Molding后塑封料的固化，保护IC内部结构，消除内部应力。CureTemp：175+/-5°C；CureTime：8HrsESPECOven4hrsEOL–De-flash（去溢料）BeforeAfter目的：De-flash的目的在于去除Molding后在管体周围Lead之间多余的溢料；方法：弱酸浸泡，高压水冲洗；EOL–Plating（电镀）BeforePlatingAfterPlating利用金属和化学的方法，在Leadframe的表面镀上一层镀层，以防止外界环境的影响（潮湿和热）。并且使元器件在PCB板上容易焊接及提高导电性。电镀一般有两种类型：Pb-Free：无铅电镀，采用的是99.95%的高纯度的锡（Tin），为目前普遍采用的技术，符合Rohs的要求；Tin-Lead：铅锡合金。Tin占85%，Lead占15%，由于不符合Rohs，目前基本被淘汰；EOL–PostAnn