半导体封装流程

LogoIntroductionofICAssemblyProcessIC封装工艺简介LogoIntroductionofICAssemblyProcess一、概念半导体芯片封装是指利用膜技术及细微加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布局、粘贴固定及连接，引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。此概念为狭义的封装定义。更广义的封装是指封装工程，将封装体与基板连接固定，装配成完整的系统或电子设备，并确保整个系统综合性能的工程。将前面的两个定义结合起来构成广义的封装概念。Logo半导体封装的目的及作用第一，保护：半导体芯片的生产车间都有非常严格的生产条件控制，恒定的温度（230±3℃）、恒定的湿度（50±10%）、严格的空气尘埃颗粒度控制（一般介于1K到10K）及严格的静电保护措施，裸露的装芯片只有在这种严格的环境控制下才不会失效。但是，我们所生活的周围环境完全不可能具备这种条件，低温可能会有-40℃、高温可能会有60℃、湿度可能达到100%，如果是汽车产品，其工作温度可能高达120℃以上，为了要保护芯片，所以我们需要封装。第二，支撑：支撑有两个作用，一是支撑芯片，将芯片固定好便于电路的连接，二是封装完成以后，形成一定的外形以支撑整个器件、使得整个器件不易损坏。Logo半导体封装的目的及作用第三，连接：连接的作用是将芯片的电极和外界的电路连通。引脚用于和外界电路连通，金线则将引脚和芯片的电路连接起来。载片台用于承载芯片，环氧树脂粘合剂用于将芯片粘贴在载片台上，引脚用于支撑整个器件，而塑封体则起到固定及保护作用。第四，可靠性：任何封装都需要形成一定的可靠性，这是整个封装工艺中最重要的衡量指标。原始的芯片离开特定的生存环境后就会损毁，需要封装。芯片的工作寿命，主要决于对封装材料和封装工艺的选择。LogoICProcessFlowCustomer客户ICDesignIC设计WaferFab晶圆制造WaferProbe晶圆测试Assembly&TestIC封装测试SMTIC组装LogoICPackage（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；LogoICPackage（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；LogoICPackage（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SMTLogoICPackage（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LogoICPackage（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LogoICPackageStructure（IC结构图）TOPVIEWSIDEVIEWLeadFrame引线框架GoldWire金线DiePad芯片焊盘Epoxy银浆MoldCompound塑封料LogoRawMaterialinAssembly(封装原材料)【Wafer】晶圆晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。LogoRawMaterialinAssembly(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；LogoRawMaterialinAssembly(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；LogoRawMaterialinAssembly(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；LogoRawMaterialinAssembly(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---环氧树脂LogoTypicalAssemblyProcessFlowFOL/前段EOL/中段Plating/电镀EOL/后段FinalTest/测试LogoFOL–FrontofLine前段工艺BackGrinding磨片Wafer晶圆WaferMount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EOLLogoFOL–BackGrinding磨片Taping粘胶带BackGrinding磨片De-Taping去胶带将从晶圆厂出来的Wafer晶圆进行背面研磨，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；LogoFOL–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；LogoFOL–WaferSaw晶圆切割WaferSawMachineSawBlade(切割刀片)：LifeTime：900~1500M；SpindlierSpeed：30~50Krpm：FeedSpeed：30~50/s;LogoFOL–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LogoFOL–DieAttach芯片粘接WriteEpoxy点环氧树脂DieAttach芯片粘接EpoxyCure环氧树脂固化EpoxyStorage：零下50度存放；使用之前回温，除去气泡；EpoxyWriting：点银浆于L/F的Pad上，Pattern可选；Logo第一步：顶针从蓝膜下面将芯片往上顶、同时真空吸嘴将芯片往上吸，将芯片与膜蓝脱离。FOL–DieAttach芯片粘接Logo第二步：将液态环氧树脂涂到引线框架的台载片台上。FOL–DieAttach芯片粘接Logo第三步：将芯片粘贴到涂好环氧树脂的引线框架上。FOL–DieAttach芯片粘接LogoFOL–EpoxyCure环氧树脂固化环氧树脂固化：-175°C，1个小时；N2环境，防止氧化：DieAttach质量检查：DieShear（芯片剪切力）LogoFOL–WireBonding引线焊接※利用高纯度的金线（Au）、铜线（Cu）或铝线（Al）把Pad和引线通过焊接的方法连接起来。Pad是芯片上电路的外接点，引线是引线框架上的连接点。引线焊接是封装工艺中最为关键的一部工艺。LogoFOL–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和引线框架的引线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）；LogoFOL–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LogoFOL–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）SizeThicknessLogoFOL–3rdOpticalInspection三光检查检查DieAttach和WireBond之后有无各种废品LogoEOL–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LogoEOL–Molding（注塑）※为了防止外部环境的冲击，利用塑封料把引线键合完成后的产品封装起来的过程，并需要加热硬化。BeforeMoldingAfterMoldingLogoEOL–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/FLo