微電子材料與制程

第十章

電子封裝技術(shù)

10-1引言在制造工藝完成時，通過電測試的硅片準(zhǔn)備進(jìn)行單個芯片的裝配和封裝。這些在最終裝配和封裝中進(jìn)行，被稱為集成電路制造過程的后道工序。最終裝配和封裝在集成電路后道工序是兩個截然不同過程，每個都有它特殊的工藝和工具。在傳統(tǒng)工藝中，集成電路最終裝配從硅片上分離出每個好的芯片并將芯片粘貼在金屬引線框架或管殼上，用細(xì)線將芯片表面的金屬壓點(diǎn)和提供芯片電通路的引線框架內(nèi)端互連起來，最終裝配后，集成電路是將芯片封裝在一個保護(hù)管殼內(nèi)。現(xiàn)在最常用的封裝是塑料包封芯片，這種塑料包封提供環(huán)境保護(hù)并形成更高級裝配連接的管腳。另外還有陶瓷封裝等傳統(tǒng)裝配與封裝

硅片測試和揀選引線鍵合分片塑料封裝最終封裝與測試貼片F(xiàn)igure20.1

10-1-1集成電路封裝的目的1. 保護(hù)芯片以免由環(huán)境和傳遞引起損壞；2. 為芯片的信號輸入和輸出提供互連；3. 芯片的物理支撐；4. 散熱10-1-2集成電路封裝層次第二級封裝

印刷電路板裝配第一級封裝：

IC封裝最終產(chǎn)品裝配：

電路板裝到系統(tǒng)中的最終裝配

為在印刷電路板上固定的金屬管腳管腳管腳插入孔中然后在PCB背面焊接表面貼裝芯片被焊在PCB的銅焊點(diǎn)上.邊緣連接電極插入主系統(tǒng)PCB組件主電子組件板電極10-1-3封裝的分類單芯片封裝多芯片封裝(多芯片模塊封裝)塑料封裝陶瓷封裝按照封裝中組合的IC芯片數(shù)目密封的材料區(qū)分引腳插入型(PTH)表面粘著型(SMT)按照器件與電路板接合方式以引腳分布形態(tài)區(qū)分:典型IC封裝形式四邊形扁平封裝(QFP)無管腳芯片載體(LCC)塑料電極芯片載體(PLCC)雙列直插封裝(DIP)薄小型封裝(TSOP)單列直插封裝(SIP)Figure20.2

關(guān)于集成電路封裝形式

10-1-4封裝技術(shù)簡介最終裝配由要求粘貼芯片到集成電路底座上的操作構(gòu)成。由于制造的大部分成本已經(jīng)花在芯片上。因此在最終裝配過程中成品率是至關(guān)重要的。在20世紀(jì)90年代后期，所有集成電路裝配中估計(jì)有95％采用了傳統(tǒng)的最終裝配，并由下面4步構(gòu)成：背面減薄分片裝架引線鍵合

背面減薄最終裝配的第一步操作是背面減薄。在前端制造過程中，為了使破損降到最小，大直徑硅片相應(yīng)厚些（300mm的硅片是775μm厚）。然而硅片在裝配開始前必須減薄。通常被減薄到200～500μm的厚度。較薄的硅片更容易劃成小芯片并改善散熱，也有益于在裝配中減少熱應(yīng)力。使用全自動化機(jī)械進(jìn)行背面減薄（見下圖）。背面減薄被精細(xì)的控制，使引入到硅片的應(yīng)力降到最低。在某些情況下，背面減薄后，在背面在淀積金屬，用于改善到底座的導(dǎo)電率以及芯片共晶焊。背面減薄示意圖轉(zhuǎn)動和擺動稈轉(zhuǎn)動卡盤上的硅片向下施加力板僅在硅片轉(zhuǎn)換角度過程中轉(zhuǎn)動Figure20.4

硅片鋸和被劃硅片硅片臺鋸刃Figure20.5

裝片用的典型的引線框架芯片引線引線框架塑料DIPFigure20.6

傳統(tǒng)裝配與封裝

硅片測試和揀選引線鍵合分片塑料封裝最終封裝與測試貼片F(xiàn)igure20.1

10-2芯片粘結(jié)10-2-1共晶焊粘貼10-2-2玻璃焊料粘貼10-2-3高分子膠粘結(jié)法(環(huán)氧樹脂粘貼)

10-2-1共晶焊粘貼共晶定義使它的熔點(diǎn)降至最低的熔態(tài)混合。然后用合金方法將金粘接到基座上，基座通常是引線框架或是陶瓷基座（90％以上的Al2O3）。典型地，基座有一個金或銀的金屬化表面。當(dāng)加熱到420℃約6秒鐘時芯片和框架之間形成共晶合金互連。共晶貼片提供了良好的熱通路和機(jī)械強(qiáng)渡。對于雙極集成電路共晶焊粘貼技術(shù)更普遍。Au-Si共晶貼片SiliconGoldfilm金/硅共晶合金Al2O3Figure20.8

10-2-2玻璃焊料粘貼玻璃膠粘法是僅適用于陶瓷封裝的低成本芯片粘結(jié)技術(shù),是以蓋印﹑網(wǎng)印﹑或點(diǎn)膠的方法將填有銀的玻璃膠涂于基板的芯片座上,放置妥當(dāng)IC芯片后再加熱除去膠中的有機(jī)成分,并使玻璃熔融接合.玻璃膠粘結(jié)法可以得到無孔洞

﹑熱穩(wěn)定性優(yōu)良,低殘余應(yīng)力與低濕氣含量的接合,但在粘結(jié)熱處理過程中,冷卻溫度需謹(jǐn)慎控制以防接合破裂;膠中的有機(jī)成分也需完全除去,否則將有害封裝的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與可靠度10-2-3環(huán)氧樹脂粘貼芯片環(huán)氧樹脂引線框架環(huán)氧樹脂粘貼是將芯片粘貼到引線框架或基座上最常用的方法。環(huán)氧樹脂被滴在引線框架或基座的中心，芯片貼片工具將芯片背面放在環(huán)氧樹脂上（見下圖）。接下來是加熱循環(huán)以固化環(huán)氧樹脂。10-2-4焊接粘結(jié)法焊接粘結(jié)法式另一種利用合金反應(yīng)進(jìn)行芯片粘結(jié)的方法，能形成熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良的粘結(jié)為其主要群毆點(diǎn)。焊接粘結(jié)法必須在熱氮?dú)庹谧o(hù)的環(huán)境中進(jìn)行以防止焊錫氧化及空洞的形成。常見的焊料有金-硅、金-錫、金-鍺等硬質(zhì)合金與鉛-錫等軟質(zhì)合金。傳統(tǒng)裝配與封裝

硅片測試和揀選引線鍵合分片塑料封裝最終封裝與測試貼片F(xiàn)igure20.1

10-3互連技術(shù)引線鍵合是將芯片表面的鋁壓點(diǎn)和引線框架上的電極內(nèi)端（有時稱為柱）進(jìn)行電連接最常用的方法（見下圖）。引線鍵合放置精度通常是＋5μm。鍵合線或是金或是鋁，因?yàn)樗谛酒瑝狐c(diǎn)和引線框架內(nèi)端壓點(diǎn)都形成良好鍵合，通常引線直徑是25～75μm之間。三種基本引線鍵合的叫法各取自在引線端點(diǎn)工藝中使用的能量類型。三種引線鍵合方法是：熱壓鍵合超聲鍵合熱超聲球鍵合引線鍵合卷帶自動鍵合(TAB)倒裝芯片連接主要的電路互連方法從芯片壓點(diǎn)到引線框架的引線鍵合壓模混合物引線框架壓點(diǎn)芯片鍵合的引線管腳尖Figure20.9

芯片到引線框架的引線鍵合

Photo20.1

熱壓鍵合柱器件壓點(diǎn)Figure20.10

在熱壓鍵合中,熱能和壓力被分別作用到芯片壓點(diǎn)和引線框內(nèi)端電極以形成金錢鍵合.一種被稱為毛細(xì)管劈刀的鍵合機(jī)械裝置,將引線定位在被加熱的芯片壓點(diǎn)并施加壓力.力和熱結(jié)合促成金引線和鋁壓點(diǎn)形成鍵合,稱為楔壓鍵合.然后劈刀移動到引線框架內(nèi)端電極,同時輸送附加的引線,在那里用同樣方法形成另一個楔壓鍵合點(diǎn).這種引線鍵合工藝重復(fù)進(jìn)行,直到所有芯片壓點(diǎn)都被鍵合到它們相應(yīng)的引線框架內(nèi)端電極柱上.超聲線鍵合順序引線楔壓劈刀(1)劈刀向上移動導(dǎo)給劈刀更長的引線(3)超聲能壓力引線框架(4)劈刀向上移動在壓點(diǎn)旁將引線折斷(5)(2)Al壓點(diǎn)

超聲能壓力芯片F(xiàn)igure20.11

超聲鍵合以超聲能和壓力作為構(gòu)成引線和壓點(diǎn)間鍥壓的方式為基礎(chǔ).它能在相同和不同的金屬間形成鍵合.通過在毛細(xì)管劈刀底部的孔輸送引線并定位到芯片壓點(diǎn)上方.鈿管針尖施加壓力并快速機(jī)械振動摩擦,通常超聲頻率是60KHZ,以形成冶金鍵合.在這種技術(shù)中不加熱基座.一旦鍵合形成,工具移動到引線框架內(nèi)端電極壓點(diǎn),形成鍵合,并將引線扯斷.這種過程重復(fù)進(jìn)行熱超聲球鍵合(2)H2火焰球(1)金絲毛細(xì)管劈刀(5)壓力和加熱形成壓點(diǎn)引線框架(6)劈刀向上移動在壓點(diǎn)旁將引線折斷在壓點(diǎn)上的焊球壓力和超聲能芯片(3)劈刀向上移動并導(dǎo)入更長的引線Die(4)Figure20.12

熱超聲球鍵合是一種結(jié)合超聲振動,熱和壓力形成鍵合的技術(shù),被稱為球鍵合.基座維持在約150度.熱超聲球鍵合也有一個毛細(xì)管劈刀,由碳化鎢或陶瓷材料制成,它通過中心的孔豎直輸送細(xì)金絲.伸出的細(xì)絲用小火焰或電容放電火花加熱,引起線熔化并在針尖形成一個球.在鍵合過程中,超聲能和壓力引起在金絲球和鋁壓點(diǎn)間冶金鍵合的形成.球鍵合完成后,鍵合機(jī)移動到基座內(nèi)端電極壓點(diǎn)并形成熱壓的楔壓鍵合.將引線拉斷,工具繼續(xù)到下一個芯片壓點(diǎn).引線鍵合拉力試驗(yàn)柱器件測試中的芯片鉤樣品卡Figure20.13

卷帶式自動鍵合TAB技術(shù)卷帶式自動鍵合(TAB)聚合物條帶銅引線Figure20.26

10-3-3倒裝芯片倒裝芯片是將芯片的有源面（具有表面鍵合壓點(diǎn)）面向基座的粘貼封裝技術(shù)。這是目前從芯片器件到基座之間最短路徑的一種封裝設(shè)計(jì)，為高速信號提供了良好的電連接。由于它不使用引線框架或塑料管殼，所以重量和外形尺寸也有所減小。倒裝芯片技術(shù)使用的凸點(diǎn)－－通常有5％Sn和95％pb組成的錫/鉛焊料，以互連基座和芯片鍵合壓點(diǎn)（見下圖）。通常用的焊料凸點(diǎn)工藝被稱為C4（可調(diào)整芯片支撐的工藝）。倒裝芯片封裝壓點(diǎn)上的焊料凸點(diǎn)硅芯片基座連接管座金屬互連通孔Figure20.20

硅片壓點(diǎn)上的C4焊料凸點(diǎn)回流工藝金屬淀積和刻蝕第二層金屬淀積SnPb(3)在回流過程中焊球形成(4)Oxide氮化硅Al壓點(diǎn)(1)第三層復(fù)合金屬Cu-SnCr+CuCr(2)Figure20.21

倒裝芯片的環(huán)氧樹脂填充術(shù)關(guān)于倒裝芯片可靠性的一個重要問題是硅片和基座之間熱膨脹系數(shù)（CTE）失配。嚴(yán)重的CTE失配將應(yīng)力引入C4焊接點(diǎn)并由于焊接裂縫引起早期失效。通過在芯片和基座之間用流動環(huán)氧樹脂填充術(shù)使問題得以解決（見下圖）。焊料凸點(diǎn)芯片環(huán)氧樹脂基座Figure20.22

倒裝芯片面陣焊接凸點(diǎn)與引線鍵合

因?yàn)榈寡b芯片技術(shù)是面陣技術(shù)，它促進(jìn)了對封裝中更多輸入/輸出管腳的要求。這意味著C4焊料凸點(diǎn)被放在芯片表面的x-y格點(diǎn)上，對于更多管腳數(shù)有效利用了芯片表面積。壓點(diǎn)周邊陣列倒裝芯片凸點(diǎn)面陣列Figure20.23

10-4引腳架10-5薄/厚膜技術(shù)傳統(tǒng)封裝IC有許多傳統(tǒng)封裝形式，封裝必須保護(hù)芯片免受環(huán)境中潮氣和沾污的影響及傳運(yùn)時的損壞。IC封裝形成了在引線框架上互連到芯片壓點(diǎn)的管腳，它們用于第二級裝配電路板。芯片壓點(diǎn)的間距范圍從60～115μm。引線框架電極從該壓點(diǎn)間距扇出到用在電路板上更大的壓點(diǎn)間距。在早期是普遍的金屬殼封裝，現(xiàn)在它仍然用于分立器件和SSI。芯片被粘貼在鍍金頭的中心，并用引線鍵合到管腳上。在管腳周圍形成玻璃密封，一個金屬蓋被焊到基座上以形成密封。例子是金屬TO型（晶體管外形）封裝，如圖所示。兩種最廣泛使用的傳統(tǒng)IC封裝材料是：10-6陶瓷封裝10-8塑料封裝

10-6陶瓷封裝陶瓷封裝被用于集成電路封裝，特別是目前應(yīng)用于要求具有氣密性好、高可靠性或者大功率的情況。陶瓷封裝有兩種方法：耐熔（高熔點(diǎn)）陶瓷；薄層陶瓷。

耐熔陶瓷基座是集成電路封裝常用的，它由氧化鋁粉和適當(dāng)?shù)牟ＡХ奂耙环N有機(jī)媒質(zhì)混合而構(gòu)成漿料，漿料被鑄成大約1密耳厚的薄片，干化，然后制作布線圖案以制成一個多層陶瓷基座（見下圖）。用戶連線電路被淀積在單層上，用金屬化通孔互連不同的層。分層耐熔陶瓷加工順序陶瓷互連層4層分層Figure20.17

陶瓷針柵陣列（PGA）CourtesyofAdvancedMicroDevices

Photo20.2

PGA被用于高性能集成電路,像高頻和具有高達(dá)600個管腳的快速微處理器.PGA管殼經(jīng)常需要一些散熱片或小風(fēng)扇排出管殼內(nèi)產(chǎn)生的熱薄層陶瓷CERDIP（陶瓷雙列直插）

封裝陶瓷蓋玻璃密封陶瓷基座金屬管腳環(huán)氧樹脂和引線框架上的芯片剖面標(biāo)志槽橫截平面Figure20.18

陶瓷封裝技術(shù)的一種低成本方式是將兩個陶瓷件壓在一起.引線框架被定位在它們之間.10-7-1TO-型金屬封裝Figure20.14

10-8塑料封裝

從引線框架上去除連接邊芯片引線框架連接邊連接邊去除線Figure20.15

塑料封裝種類:雙列直插封裝(DIP)Figure20.16A

典型有兩列插孔式管腳向下彎,穿過電路板上的孔.20世紀(jì)70年代和80年代,它的使用正減少塑料封裝種類:單列直插封裝(SIP)Figure20.16B

是DIP的替代品,用以減小集成電路組件本體所占據(jù)電路板的空間,如存儲器應(yīng)用塑料封裝種類:薄小型封裝(TSOP)

（用于存儲器和智能卡）Figure20.16C

具有鷗翼型表面貼裝技術(shù)的管腳沿兩邊粘貼在電路板上相應(yīng)的壓點(diǎn).塑料封裝種類:雙列存儲器模塊(SIMM)Figure20.16D

塑料封裝種類:四邊形扁平封裝(QFP)Figure20.16E

外殼四邊都有高密度頒布的管腳表面貼裝組件塑料封裝種類:具有J型管腳的塑料電極芯片載體(PLCC)Figure20.16F

如果不需要過多I/O數(shù),這種封裝被采用以替代QFP塑料封裝種類:無引線芯片載體(LCC)Figure20.16G

一種電極被管殼周圍邊緣包起來以保持低剖面的封閉形式.LCC或者插入插槽座或者被直接焊到電路板上.采用插槽座是為了容易現(xiàn)場取下升級或修理終測所有裝配和封裝芯片都要進(jìn)行最終電測試以確保集成電路質(zhì)量。測試與硅片分類時所做的功能測試相同。集成電路芯片處理器要在自動測試設(shè)備上進(jìn)行單個芯片測試。集成電路處理器迅速將每個集成電路插入測試儀的電接觸孔。小而有彈性的針，被稱為彈簧針，使管殼上管腳實(shí)現(xiàn)電接觸以便進(jìn)行電學(xué)測試。具有數(shù)量多的輸入/輸出管腳和管殼占面積小的先進(jìn)集成電路封裝對于終測造成挑戰(zhàn)。專用的測試固定裝置，通常稱為接觸件或管座，用于進(jìn)行集成電路管殼上管腳和自動測試儀上接觸針之間的電連接（見下圖）。為IC管殼準(zhǔn)備的測試管座Figure20.19

10-9印刷電路板電子封裝常用的電路板可區(qū)分為:硬式電路板,軟式電路板,金屬夾層電路板與射出成型電路板等四種10-9-1硬式印刷電路板10-9-2軟式電路板10-9-3金屬夾層電路板10-9-4射出成型電路板10-9-5綠漆10-11器件與電路板的接合10-10焊錫與錫膏10-12清潔與涂封10-13新型封裝技術(shù)先進(jìn)的集成電路封裝設(shè)計(jì)包括：多芯片模塊(MCM)球柵陣列(BGA)芯片尺寸封裝(CSP)園片級封裝

10-13-1多芯片模塊(MCM)封裝MCM(Mu1ti—ChipModule)即多芯片組件，它是在混合集成電路(HIC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高技術(shù)電子產(chǎn)品，是將多個LSI和VLSI芯片和其它元器件高密度組裝在多層互連基板上，然后封裝在同一封裝體內(nèi)的高密度、高可靠性的電子產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，達(dá)到電子產(chǎn)品的小型化、多功能、高性能。MCM基座單個芯片F(xiàn)igure20.27

MCM分類MCM通常可分為五大類，即MCM—L，其基板為多層布線PWB；MCM—C，其基板為多層布線厚膜或多層布線共燒陶瓷；MCM—D，其為薄膜多層布線基板；MCM—C／D，其為厚、薄膜混合多層布線基板；MCM—Si，其基板為Si。以上這些基板上再安裝各類Ic芯片及其它元器件，使用先進(jìn)封裝，就制作成各類MCM。10-13-2LOC封裝特征與優(yōu)點(diǎn):1.引線搭載于IC芯片之上,兩者之間再以聚酰亞胺膠帶粘結(jié),引腳架的設(shè)計(jì)較為容易2.舍棄傳統(tǒng)的芯片粘結(jié)方式,防止脫層,裂隙3.IC芯片接合點(diǎn)可設(shè)計(jì)在芯片中央或邊緣等10-13-3具有球柵陣列（BGA）的芯片

Photo20.3

球柵陣列蓋引線

基座金屬通孔焊球芯片壓點(diǎn)環(huán)氧樹脂熱通孔Figure20.2