封装工艺及设备

1封装工艺培训黄宏娟李晓伟纳米加工公共平台2主要内容划片/裂片原理及设备引线键合/倒装键合/纳米压印扫描电镜原理及设备3封装流程以GaNLED封装为例：划片、裂片分捡倒装键合管芯粘贴（烘烤/回流）引线键合封帽测试4第一部分划片和裂片工艺5划片简介划片：将做好器件结构的晶圆切割成一定大小的管芯或形成解理腔面，一般不切穿晶圆。裂片：将切割一定深度后的晶圆，用裂片机（裂片刀）从切割道处裂开。6划片方式机械式（钻石刀、砂轮等）用途（砂轮）：适于硅片、玻璃材料的切割用途（钻石刀）：蓝宝石、GaN、GaAs、InP等激光（烧蚀加工）用途：1）适于金属材料、易碎材料切割2）机械切割损伤较大材料3）适于蓝宝石等较硬材料切割（钻石工具损耗大）7实验室现有划片设备GaAs解理机钻石刀划片机激光划片机砂轮划片机8GaAs解理机工作原理划切+滚轮9激光划片机设备原理是将激光能量于极短的时间内集中在微小区域，使固体升华、蒸发来完成切割，不同的激光波长适于不同的材料，即只有材料对这种波长的光有吸收，才能切割，我们这台激光划片机的波长为355nm，脉宽45ns。蓝宝石吸收系数10激光划片机性能精度高，±1.5μm（50mm行程内）；重复精度1μm切割线宽窄,标准线宽5μm速度快，5片/小时（基于350μm×350μm的晶粒，2inchWafer）有光学寻边功能，可防止划切样品台带背面对准功能（适于背镀铝和粗化工艺的GaN片）11划片机性能比较设备性能样品要求分辨率μm精度μm线宽μm切深μm样品材料样品大小样品厚度μmGaAs解理机较高较高较窄浅GaAs、InP≤4inch≤100钻石刀划片机一般一般较窄浅Sapphire、GaN≤3inch≤100激光划片机高高窄较深Sapphire、GaN≤3inch≤100砂轮划片机一般一般一般深Si、Glass≤8inch一般均可12划片机使用注意事项钻石刀划片机：放片取片时请勿撞击金刚刀头激光划片机：激光最大功率控制在0.44W左右，即相对功率86%；待机时间较长请关闭激光；布线时不要超出样品，最好样品边缘留30um左右不切；对准时若工作台旋转较大角度，完成划切后请复位，防止Top镜头上软管缠绕镜头；划切时请勿打开样品室门；对于表面均刀性较差的样品，不建议使用光学寻边。工艺上：对准要细致认真13OBM-90TP裂片机裂片刀晶圆大小：≤3inch芯片规格：≥0.25mm分辨率：1μm刀切入量：0.01～0.3mmF14裂片机使用注意事项裂片机：除放片外严禁将手伸入设备内部裂片时请关上设备门工艺上：对准要细致认真，尽量平行根据管芯大小，改变裂片槽的宽度根据样品厚度，调整好切入量15划片、裂片范例样品情况划片条件裂片条件材料/厚度：蓝宝石/80μm管芯尺寸：320μm×280μm激光功率：0.44W速度：24mm/sDownAddress：32800CutAddress：33010GapAddress:284616划片、裂片范例扩片后的示例：17第二部分引线/倒装键合/纳米压印18常用微互联方式引线键合倒装芯片键合19引线键合（WireBonding）引线键合技术是将芯片电极面朝上粘贴在封装基座或基板上，再用金丝或铝丝将芯片电极与引线框架或布线板电路上对应的电极键合连接的相关技术。20引线键合分类根据自动化程度分：手动半自动全自动根据键合工艺特点分：超声键合（楔焊）－铝丝和铝合金丝热超声键合（球焊）－金丝热超声键合可降低热压温度、提高键合强度，有利于器件可靠性，成为引线键合的主流键合方式。目前，生产线上的键合机90％都是采用热超声键合工艺的全自动金丝球焊机。21常用引线键合方式——楔焊楔焊过程劈刀移至一焊处一焊焊接（加压加超声）劈刀抬起劈刀移到二焊处二焊焊接（加压加超声）形成二焊22常用引线键合方式——球焊球焊过程金丝成球（高压电火花）焊区活性化（加热加压加超声）接触形成球焊劈刀移到二焊处二焊焊接（加热加压加超声）形成二焊23倒装焊（FlipChipBonding）定义：在裸片电极上形成连接用凸点，将芯片电极面朝下经钎焊、热压等工艺将凸点和封装基板互连的方法。过程：凸点制作和倒装装配SubstrateChipSolderBump24引线键合和倒装芯片键合比较倒装芯片技术引线键合技术优点精度高形成的混合集成芯片占用体积小I/O密度高互连线短引线寄生参数小技术成熟工艺简单成本低廉适用性强缺点晶片凸点的制作问题设备昂贵成本较大I/O数目的限制25常用焊料凸点的制作方法：电镀电镀焊料凸点工艺流程ChipPRopeningChipElectroplatedsolderbumpMushrooming2.金属层溅射3.涂敷光刻胶4.凸点光刻5.电镀焊料6.去除光刻胶1.钝化和金属化晶片ChipPassivationAlcontactpadChipUBMChipThickphotoresistfilmChip7.去除凸点外底金属Chip8.回流Chipsolderballafterreflow26PCB上不同尺寸倒装焊样品在软质底板上倒装焊电镀凸点工艺样品示例27实验室现有引线键合设备WEST·BOND747677E45度楔焊90度深腔楔焊金丝球焊金丝、铝丝楔焊1：8XYZ操纵杆，单手操作、灵活ESD防静电保护28引线键合实例Au表面金丝球焊封装的LED管芯29引线机使用注意事项确保输入电源为110V电压后打开温度控制器电源开关和高压放电控制器电源开关，否则会烧坏工件加热时，请勿触碰载物台，警防烫伤移动劈刀时，劈刀请勿触碰载物台等硬物30实验室现有倒装键合设备焊后精度：±1μm最大压力：100KG最高温度：450℃芯片尺寸：0.2-40mm衬底尺寸：1-150mm步进精度：ArmZ=0.5µmChuckXY=1µmΘ旋转范围：±7degrees激光自动找平和对准倒装焊回流纳米压印特点：应用：FC150倒装焊机31Fc150倒装焊机结构1.对准用X、Y衬底台2.光学系统3.控制系统4.基架和花岗岩结构5.冷却系统6.工具台7.衬底操作系统8.中间对准台9.芯片台32工作区域Armtoolchiptray&cassetteChucktoolsubstratetray&cassette33chiptray&cassettesubstratetray&cassetteArmtoolChucktool34FC150工作过程键合臂上的上器件对准标记或器件特征Chuck上的下器件上影像下影像双层影像Step1„用键合臂吸起上器件（正面朝下）„下器件置于下面chuck上„移动上显微镜观察(蓝色),将上器件的标记或图形移到视野内„移动下显微镜观察(红色),对准上下器件的标记或图形Step2„键合臂下降，使得上下器件接触，再根据已设好的键合程序键合35工作过程36fc150倒装焊机使用注意事项开机前确保Chiller处于工作状态开机Reset过程中严禁将手伸入设备内部工艺过程中，进程进入死锁状态需要Reset时一定要手动接住ArmTool，以免摔坏进行高温工艺时，一定要等温度降低到100度以下后方可进行取片操作37键合工艺检测手段引线键合：键合拉力测试键合剪切力测试倒装键合：芯片剪切力测试X-Ray检测仪38纳米压印技术简介39纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法，需要通过压模制备、压印过程和图形转移这三个过程。分类：热压印紫外压印优点：高分辨率高产量低成本什么是纳米压印缺点：印章制作成本高易产生孔隙脱模不完全（热压）压模机械损伤大（热压）40纳米压印过程——热压印PWaferT℃T℃对准接近加热晶圆和印章去除压力冷却印章脱模加压--印出图形若完成，冷却晶圆41纳米压印过程——紫外压印(UV-NIL)对准涂胶接近去除压力紫外固化脱模加压--印出图形PWafer42纳米压印过程——紫外压印（步进闪光）1.1.对准1.3.紫外压印1.4.脱模&步进1.2.涂胶OPTICSCCD2.1.对准OPTICSCCDSubstratePolymerUVExposureSeparationStep印章-晶圆对准涂胶紫外压印－印章的自身水平－紫外曝光期间的压力－加热衬底能减少工艺时间和提高低粘性材料的分辨率印章抬起并移到下一个位置重复步骤1-443两种压印方式比较44磁存储器存储密度400Gbits/in2交叉悬臂结构和功能纳米压印技术应用45第三部分扫描电镜（SEM）46SEM概念及用途电子被用作光源的显微镜称为扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope），简称SEM。用途◆观察样品表面形貌；◆配置附件，做样品分析。47SEM原理电子与物质的相互作用信号发生区域产生信号类型48SEM的特点光学显微镜扫描电镜放大倍数小（×1，000）大（×30万）分辨率低高（3nm）景深小大（大几百倍）用途形貌观察形貌观察样品分析49在显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离和电子束在试样上最大扫描距离L的比值，即通过调节扫描线圈上的电流来改变放大倍数。放大倍数与扫描面积的关系(若荧光屏画面面积为10×10cm2)：放大倍数扫描面积10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)2SEM性能参数LlM=l放大倍数50定义：把刚好能分辨屏幕上两个点光源像时的两个点光源之间的距离称为显微镜的分辨率。影响因素：△初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑△入射电子在样品中的散射效应△信噪比分辨率SEM性能参数51是指焦点前后的一个距离范围，该范围内所有物点所成的图像符合分辨率要求，可以成清晰的像，即景深是可以被看清的距离范围。αo一般为1mrad故：景深为最小可分辨的1000倍电子束入射半角临界分辨本领==c0tanαdD景深SEM性能参数52SEM分类热电子发射SEM（钨灯丝或六硼化镧）场发射SEM钨灯丝场发射尖端（钨单晶）六硼化镧单晶53JSM-6390结构JSM-6390：电子枪为钨灯丝的SEM电子枪电子束系统成像系统样品室真空柱真空泵（1）真空系统（真空柱+真空泵）（2）电子束系统（3）成像系统54先用RP将电子枪和试样室抽真空（预抽）（1）真空系统55a）电子枪：钨灯丝，用于产生电子b）磁透镜：用于聚焦电子束作用：将聚焦后的细小的电子束在样品表面扫描（2）电子束系统56主要用于收集电子束系统产生的各种信息：二次电子、背散射电子相应的接收器。（3）成像系统57最大放大倍数300，000×高真空分辨率加速电压分辨率30kV3.0nm15kV8.0nm1kV15nmJSM-6390性能参数58JSM-6390实拍示例59工作模式：△二次电子像模式△背散射电子像模式JSM-6390工作模式模式比较：二次电子像背散射电子像主要利用形貌衬度成分衬度分辨率高较差信噪比高信噪比低60SEM样品处理扫描电镜样品制备的主要要求是：无污染、无挥发性；样品干燥；导电性处理（JFC1600喷金仪）61SEM使用注意事项不能测生物类样品请勿调灯丝电流、枪偏压等参数，加速电压勿太高经过酸碱等化学品处理的样品，一定要确保样品的洁净与干燥；推拉腔室门时要轻缓；旋转载物台角度前要仔细阅读腔室门上的表格，以防角度过大碰到探头。注意墙上的总电源，工作时勿碰到，以防损坏分子泵。6263上机培训费（暂定）（1）SEM：200元（2）fc150倒装焊机：3000元（自带样品）（3）激光划片机、裂片机：300元（自带样品）（4）钻石刀划片机、裂片机：150元（自带样品）（5）引线键合机：150元（自带样品）