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第二章IC封裝製程IC封裝•IC封裝乃是將IC前段製程加工完成後所提供之晶圓做切割分離成一顆顆晶粒，並外接信號線以傳遞電路訊號，及做IC封膠來保護IC元件。IC封裝製程•IC封裝製程主要包括–晶圓切割；–晶片黏結；–連線技術；–封膠；–剪切成型；–印字；–檢測；IC塑膠封裝的流程晶圓切割•在晶圓背面貼上膠帶(BlueTape)•晶圓黏片(WaferMount)•晶圓切割機Close-upofanoperatingsaw,withcoolingwatersprayingatthetopoftherotatingbladeandthewafer.PhotocourtesyofDisco.Portionofadicedwafer,stillonthedicingtape.Thedarkcrossisthetapebelowthewafer,visiblethroughthesawnstreets.晶圓切割晶圓黏結•將IC晶片固定於封裝基板或導線架中晶片座(diepaddle)上並利用環氧樹脂(銀膠)將之黏結的製程步驟導線架(leadframe)晶片黏結製程黏結法•黏結法–金-矽共晶黏結法：陶瓷封裝(主要)–玻璃膠黏結法–高分子膠黏結法：塑膠封裝–焊接黏結法金-矽共晶黏結法•利用金-矽合金在3wt％，363℃時產生的共晶(Eutectic)反應特性進行。–處理方法：•IC晶片置於已鍍有金膜的基板晶片座上，加熱至約425℃，藉金-矽的交互擴散而完成接合。–環境：熱氮氣環境•防矽高溫氧化－金-矽共晶黏結法–反應前前處理：基板/晶片交互磨擦•除氧化表層、增加反應液面濕潤性•潤濕不良接合之結果:–導致孔洞的產生而使接合強度與熱導性降低–造成應力分佈不均金-矽共晶黏結法•預型片彌補基板孔洞平整度不佳時所造成接合不完全的缺點–厚度約25mm，其面積約為晶片的三分之一材質為金2-wt%係合金薄片–植於基板之晶片座上；•不能使用過量，否則易造成材料溢流而造成封裝的可靠度降低玻璃膠黏結法•方法–以戳印(Stamping)、網印(ScreenPrinting)或點膠(SyringeTransfer)的方法將含有銀的玻璃膠塗於基板的晶片座上，置妥IC晶片後再加熱除去膠中有機成份並使玻璃熔融接合•優點–無孔洞優良的熱穩定性–低殘餘應力與低溼度含量的結合玻璃膠黏結法•注意：–膠中有機物必須完全除去，以免影響穩定性及可靠度；–冷卻需防接合破裂高分子黏結法•常用於塑膠封裝－高分子材料與銅引腳的熱膨脹係數相近•圖膠方式與玻璃膠黏結法方式類似–所用之塗膠為環氧樹酯或聚亞醯胺•優點–低成本且能配合自動化生產製程•缺點－熱穩定性較差，易導致有機成份洩漏而影響封裝的可靠度焊接黏結法•利用合金反應進行晶片黏結•優點：能形成熱傳導性優良的黏結•熱氮氣環境：防止銲錫氧化及孔洞的形成•硬質焊料：金-矽、金-錫、金-鍺–優點：可以獲得良好抗疲勞與抗潛變–缺點：一產生熱膨脹係數差異引起的應力破壞•軟質焊料：鉛–錫、鉛–銀–銦–可改善硬焊的缺點聯線技術•目的:–IC晶片必須與封裝基板或導線架聯結，以達到電子訊號傳遞的功能聯線技術•打線接合(WireBonding)•卷帶自動接合(TapeAutomatedbonding)•覆晶接合(FlipChip)Wire-bonding()WireBondingWIREBONDINGONICCHIP()打線接合(WireBonding)•適用於低密度聯線(300個I/O點以下)–受末端成球大小、接合工具形狀、接墊之幾何排列與封裝基板結構淨空之影響•超音波接合(UltrasonicBonding)•熱壓接合(ThermocompressionBonding)•熱超音波接合(ThermosonicBonding)•打線接合為周列式接合(PeripheralArray)超音波接合(UltrasonicBonding，U/S)•利用音波弱化(AcousticWeakening)之效應–促進接合介面動態回復與再結晶而接合。•超音波接合係以接合楔頭(Wedge)引導金屬線使其加壓於接墊上，再輸入頻率20至60kHz，振幅20至200mm的超音波，藉音波震動與加壓產生冷焊效應而完成接合。•楔形接點超音波接合•優點–接合溫度低、接點尺寸較小且迴繞輪廓較低。–適用於接墊間距小的電路聯線。•缺點導線迴繞的方向必須平行於兩接點連線的方向。超音波接合•最常用的導線材料：鋁•鋁－1％矽合金；鋁－0.5-1％鎂合金超音波接合過程超音波接合楔形接點熱壓接合(ThermocompressionBonding,T/C)•壓縮的目的:增加接合面積、減低界面粗造度對接合品質的影響•採接合工具與基板接墊同時加溫的方式：–接合工具：300~400℃–基板接墊：150~250℃•最常用的導線材料：–金（抗氧化性佳）、鋁•毛細管：高溫耐火材料–氧化鋁(Alumina,Al2O3)、碳化鎢熱壓接合過程金屬線形成融熔金屬球(電弧氫焰)接合墊片接合墊片接合墊片壓緊使之連結接合墊片打線頭退返線夾氧化鋁、碳化鎢高溫耐火材料熱壓接合過程(cont.)引線接合墊片接合墊片引線施壓及加熱使金屬線連結引線線夾閉合加熱以截斷金屬線打線接合步驟的溫度不可超過晶片接合的焊接熔點熱超音波接合(ThermosonicBonding，T/S)•為超音波接合和熱壓接合的混合技術–先在金屬末端成球，再以超音波進行導線與接墊間的接合。•接合工具不加熱，基板維持在150~250℃之間。•接合溫度低，可抑制接合介面的介金屬化合物(IntermetallicComponents)成長及減少基板發生高溫劣化的機會•最常用的導線材料：金（抗氧化性佳）卷帶自動接合(TapeAutomatedbonding)卷帶自動接合(TapeAutomatedbonding)•1968通用電氣(GE)之Minimond封裝模組技術•利用搭載有蜘蛛式引腳的捲帶軟片以內引腳接合製程（InnerLeadBonding，ILB）完成與IC晶片的聯線，再以外引腳接合製程（OuterLeadBonding，ILB）完成與封裝基板的接合。•聯線密度高於打線接合。•為周列式接合(PeripheralArray)卷帶自動接合•Theinterconnectionsarepatternedonamultilayerpolymertape.•Thetapeispositionedabovethe`baredie'sothatthemetaltracks(onthepolymertape)correspondtothebondingsitesonthedie卷帶自動接合卷帶自動接合卷帶自動接合覆晶接合(FlipChip)•1960IBM•C4(ControlledCollapseChipConnection)–能控制接點高度•在I/OPad上沉積錫鉛球，而後將晶片翻轉加熱使錫鉛球軟化再與陶瓷基板相結合•屬於平列式(AreaArray)覆晶接合優點•在IC的焊墊和接點上幾乎沒有限制，易達到高腳數的IC；•有故障或瑕疵可以再次加工；•界面接合的路徑短，故阻抗較低。覆晶接合ChipwithBumpsBumpsFlipChipPackagingChipBumpsSocketPinsBumpContactChipBumpsSocketPinsBumpContactChipBumpsSocketPinsHeatingandBumpsMeltChipBumpsSocketPinsFlipChipPackagingChipSocketPins封膠(Molding)•將晶片與外界隔絕；•避免上面的晶片被破壞；•防止濕氣進入產生腐蝕；•避免不必要的訊號被破壞；•有效的將晶片產生之熱排出到外面；•提供能夠手持之形體。封膠製程•將焊線完成之導線架或基板置放於框架上並先行預熱；•置於壓模機之封裝模上；•壓模機壓下封閉上下模；•灌入半融化的樹脂；•硬化；•開模完成。封膠製程模具示意圖封膠製程•右圖上封膠製程填充示意圖•右圖下完成封膠的IC成品封裝材料－陶瓷•優良的熱傳導與電絕緣性質；•可改變其化學組成調整其性質；•緻密性高，對水分子滲透有優良的阻絕能力；•脆性較高易，受應力破壞；•製程溫度高、成本亦高，僅見於可靠度需求高的IC封裝中。陶磁封裝陶磁護蓋層接合線引架線，第一層引線端護蓋層密封金屬化晶片接合金屬化第二層第二層封裝材料－金屬•優良的水分子阻絕能力熱傳導特性與電遮蔽性(ElectricalShielding)•用於分立式元件(DiscreteComponents)與高功率元件封膠材料－塑膠•散熱性、耐熱性、密封性與可靠度較差。•優點：能提供小型化封裝、低成本、製程簡單、適合自動化生產。•材料和製程技術的改善，其可靠度也大幅提高•一般性的消費性電子至精密的超高速電子計算機。•各製程皆有關聯，必須對所有製程及材料做一整體性考量。剪切/成型(Trim/Form)•去除殘膠、電鍍－增加外引腳之導電性及抗氧化性•剪切目的：獨立分開已完成封裝之封裝體•成型目的：將外引腳壓成各種預先設計好的形狀剪切/成型示意圖印字(Mark)•為了給予IC元件適當之辨識及提供可以追溯生產之記號•捺印式、轉印式及雷射刻印式。印字(Mark)檢測(Inspection)•確定經過封裝完畢之IC元件事否合於使用檢測示意圖