微电子学概论第六章封装与测试技术

IntroductiontoMicroelectronics第六章封装与测试技术第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类§6.2传统的装配与封装§63先进的装配与封装§6.3先进的装配与封装§6.4集成电路电学测试§6.5在线参数测试§66硅片拣选测试§6.6硅片拣选测试第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装技术简介¦一旦所有制造与测试完成，芯片被从硅片上分离出来并装配到最终集成电路管壳中装配和封装过程是取出电性能良好的器件将它们放入管壳用引线管壳中。装配和封装过程是取出电性能良好的器件，将它们放入管壳，用引线将器件上的压点与管壳上的电极互相连接起来。封装技术为芯片提供一种保护并将它粘贴到装配板上的措施。¦微电子封装在满足器件的电、热、光、机械性能的基础上解决了芯片与外围电路的互连问题，对电子系统的小型化、可靠性和性价比的提高起到了关键作用。¦在半导体制造的早期，芯片与包围在其周围的金属笨重的互连是手工过程。现在，集成电路装配与封装已变得高度自动化并且是增长着的生产价格和性能的重要部分，占集成电路产业生产总值的50%以上。¦块集成电路制造出来就包含了所设计的定功能但要在电子系统中有效¦一块集成电路制造出来，就包含了所设计的一定功能，但要在电子系统中有效地发挥其功能，还必须对其进行适宜的封装。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装的作用¦使用经封装的集成电路有诸多好处，如可对脆弱、敏感的集成电路芯片加以保护易进行测试易传送易返修引脚实行标准化利装配还以护，易于进行测试，易于传送，易于返修，引脚实行标准化而利于装配，还可以改善集成电路的热失配等。¦微电子封装通常有种作用电源分配信号分配散热通道机械支撑¦微电子封装通常有五种作用：电源分配，信号分配，散热通道，机械支撑，环境保护。Œ电源分配微电子封装首先要接通电源使芯片与电路的电流流通其次微电Œ电源分配：微电子封装首先要接通电源，使芯片与电路的电流流通；其次微电子封装的不同部位所需的电源有所不同，要能将不同部位的电源分配恰当，以减少电源的不必要损耗，这在多层布线基板上尤为重要；同时，还要考虑接地线的分配问题。Œ信号分配：为使信号延迟尽可能小，在布线时应使信号线与芯片的互连路径及信号分为使信号延迟尽可能小在布线时应使信号线与片的连路径及通过封装的I/O引出的路径到最短。对于高频信号，还应考虑信号间的串扰，以进行合理的信号分配和接地线的分配。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装的作用Œ散热通道：各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散发出去的问题不同封装结构和材料具有不同的散热效果对于功耗大的微电散发出去的问题。不同封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的微电子封装，还应考虑附加热沉或使用强制风冷、水冷方式，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。Œ机械支撑：微电子封装可为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。应各种工作环境和条件的变化。Œ环境保护：半导体器件和电路的许多参数，如击穿电压、反向电流、电流放大系数噪声等以器件的稳定性可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关系数、噪声等，以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体器件和电路制造过程中的许多工艺措施也是针对半导体表面问题的。半导体芯片制造出来后在没有封装之前，始终处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件恶劣，所以微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型DIP:双列直插式封装SOP:小外型封装QFP:四方扁平封装PLCC:无引线塑料封装载体BGA:球栅阵列封装CSP:芯片级封装第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型微电子封装的三个层次第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型Œ芯片级互连（零级封装）Æ芯片粘接技术：如果只需将集成电路芯片固定安装在基板上，一般有以下几种方法，①Au-Si合金共融法；②焊料合金片焊接法；③导电粘接法；④有机物树脂粘接法法。Æ芯片互连技术：芯片互连技术主要有引线键合（WB）、载带自动焊（TAB）和倒装焊（C）三种倒装焊（FCB）三种。¦WB可分为热压焊、超声焊和热压超声焊（又称金丝球焊）。通常所以的焊丝材料是经过退火的细金丝或掺少量Si的金丝材料是经过退火的细金丝或掺少量Si的金丝。¦TAB是连接芯片焊区和基板焊区的桥梁，包括芯片焊区凸点形成、载带引线制作、载带引线与芯片凸点焊接、基板粘接和外引线焊接等部分。作、载带引线与芯片凸点焊接、基板粘接和外引线焊接等部分。¦FCB是芯片面朝下、将芯片焊区与基板焊区直接互连的技术。一般先将芯片的焊区形成一定高度的金属凸点（Au、Cu、Ni、焊料等）后再倒装焊到基板焊区上，焊区形成定高度的金属凸点（Au、Cu、Ni、焊料等）后再倒装焊到基板焊区上，也可在基板焊区形成凸点。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型Œ一级封装技术¦级封装是将个或多个芯片用适宜的材料（金属陶瓷塑料）封装起来¦一级封装是将一个或多个IC芯片用适宜的材料（金属、陶瓷、塑料）封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚用芯片互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元件或组件。¦一级封装包括封装外壳制作在内的单芯片组件和多芯片组件两大类。20世纪70年代：双列直插封装（DIP）针栅阵列（PGA）封装20世纪70年代：双列直插封装（DIP）、针栅阵列（PGA）封装。20世纪80年代中期：表面安装技术（SMT）发展时期，开发了表面安装式封装（SMP）的陶瓷无引线载体（LCCC）、塑料无引线片式载体（PLCC）、小外形的陶瓷无线载体料无线片式载体小外形封装SOP（SOJ）等。20世纪80年代末期：表面安装技术（SMT）成熟期，四边引脚扁平封装（QFP）、更窄节距小外形封装（SSOP）、薄形小外形封装（TSOP）、超小外形封装（USOP）、薄形PQFP（TPQFP）。年代球栅阵装和芯片寸装20世纪90年代：球栅阵列（BGA）封装和芯片尺寸封装（CSP）。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型Œ二级封装技术¦这一级实际上是组装。将上一级各种微电子产品、各种类型的元器件及板上芯片（COB）一同安装到PWB或其它基板上。有时也会将功能部件或整机安装在统一的壳体中一的壳体中。¦这一级组装技术包括通孔安装技术（THT）、表面安装技术（SMT）和芯片直接安装（DCA）技术；还包括双层及以上层数印刷版、柔性电路板和各种基板的接安装（DCA）技术；还包括双层及以上层数印刷版、柔性电路板和各种基板的材料、设计和制作技术。Œ三级封装技术级封装技术¦这是一级密度更高、功能更全、更庞大复杂的组装技术，是由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，实际上是一种立体组装技术。第六章封装与测试技术§6.1封装的作用与分类X封装类型Œ三维（3D）封装技术Æ埋置型：将元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。电阻和电容可随多层布线用厚、薄膜法埋置于多层基板中，而IC芯片一般紧贴基板。还可以在基板上先开槽将集成电路芯片嵌入用环氧树脂固定后与基板平面齐平然后实基板上先开槽，将集成电路芯片嵌入，用环氧树脂固定后与基板平面齐平，然后实施多层布线，实现3D封装。Æ有源基板型：用硅片集成电路（WSI）作基板，先将WSI用一般半导体集成电路制作方法作一次元器件集成化，这就成了有源基板。然后再实施多层布线，顶层仍安装其他芯片或元器件，实现3D封装。安装其他芯片或元器件，实现3D封装。Æ叠层法：将两个或更多个裸芯片或封装芯片在垂直芯片方向上互连成为简单的3D封装。第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装传统装配与封装流程图第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X背面减薄¦硅片在开始装配前必须减薄。硅片通常被减薄到200微米到500微米的厚度。使用自动化机器进行背面减薄。在某些情况下，在减薄的背面再淀积金属。背面减薄示意图第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X分片¦分片又称芯片单个化，是使用金刚石刀刃的划片锯把每个芯片从硅片上切下来。硅片锯刀刃25微米厚转速每分钟20000转硅片锯刀刃25微米厚，转速每分钟20000转。¦全自动设备具有对准系统、划片和硅片清洗一体化功能。硅片锯和被划硅片第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X装架¦分片后，硅片被移到装架操作。在装架时，每个好的芯片从粘附的背面被分别挑选出来粘贴到底座或引线架上挑选出来，粘贴到底座或引线架上。装片用的典型引线框架装片用的典型引线框架第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X芯片粘结¦使用下列技术之一将芯片粘结在引线框架或基座上：环氧树脂粘结、共晶焊粘结和玻璃焊料粘结结和玻璃焊料粘结。Au-Si共晶贴片环氧树脂粘贴环氧树脂粘贴第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X引线键合¦引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框架或基座上的电极内端（有时称为柱）进行电连接的方法进行电连接的方法。¦通常引线直径25至75微米，每秒钟压10个线点，引线键合放置精度5微米。从芯片压点到引线框架的引线键合第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装¦三种引线键合方法是：热压键合、超声键合和热超声球键合。X引线键合热压键合热压键合引线键合拉力试验第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X引线键合超声键合顺序第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X塑料封装¦塑料封装是使用环氧树脂聚合物将已完成引线键合的芯片和模块化工艺的引线框架完全包封。¦塑料封装的一个关键特征是致力于大批量生产技术。这种封装管脚灵活，或作为插孔式管脚，或作为表面贴封技术（SMT）管脚。¦塑料封装的交连后聚合物稳定不变形，加工温度高达250℃。环氧树脂吸潮少，可加入填充剂以减少膨胀系数。¦塑料封装的种类有双列直插封装（DIP）单列直插封装（SIP）薄小型封装¦塑料封装的种类有双列直插封装（DIP）、单列直插封装（SIP）、薄小型封装（TSOP）、四边形扁平封装（QFP）、无引线芯片载体（LCC）等。第六章封装与测试技术§6.2传统的装配与封装X陶瓷封装¦陶瓷封装被用于集成电路封装，特别是目前应用于要求具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况。陶瓷封装主要有两种方法：耐熔陶瓷技术和薄层陶瓷技术。分层耐熔陶瓷加工顺序薄层陶瓷双列直插封装第六章封装与测试技术§6.3先进的装配与封装X倒装芯片¦倒装芯片是将芯片的有源面（具有表面键合压点）面向基座的粘贴封装技术，这前从芯片件到基座之间最路径的种封装设为高速信提供良这是目前从芯片器件到基座之间最短路径的一种封装设计，为高速信号提供了良好的电连接。倒装芯片封装第六章封装与测试技术§6.3先进的装配与封装X球栅阵列封装¦球栅阵列（BGA）封装于20世纪90年代引入，并与针栅阵列（PGA）有类似的封装设由陶瓷或塑料的基座构成基座有连接基座与电路板的共封装设计。BGA由陶瓷或塑料的基座构成，基座具有用于连接基座与电路板的共晶Sn/Pb焊料球的面阵列。塑封BGA（PBGA）结构陶瓷BGA（CBGA）结构第六章封装与测试技术§6.3先进的装配与封装X球栅阵列封装陶瓷焊柱阵列（CCGA）结构载带BGA（TBGA）结构倒装芯片BGA（FCBGA）结构倒装芯片BGA（FCBGA）结构第六章封装与测试技术§6.3先进的装配与封装X板上芯片Æ20世纪80年代后期，板上芯片（COB）工艺被开发出来以将集成电路芯片直接固定具有其他SMT和PIH组件的基座上它又被称为直接芯片粘贴（DCA）使用标定具有其他SMT和PIH组件的基座上，它又被称为直接芯片粘贴（DCA）。使用标准粘贴工艺将芯片环氧树脂粘贴并用于引线键合到基座上，芯片周围没有管壳。板上芯片工艺结构板上芯片工艺结构第六章封装与测试技术§6.3先进的装配与封装X卷带式自动键合Æ卷带式自动键合（TAB）是一种I/O封装方式，它使用塑料带作为载体，这种塑料带具有夹在两层