IC半導(dǎo)體封裝測試流程

1、ICIC半導(dǎo)體封裝測試流程修訂 日期修訂單號修訂內(nèi)容摘要頁次版次修訂審核批準(zhǔn)2011/03/30/系統(tǒng)文件新制定4A/0/更多免費資料下載請進：http:/好好學(xué)習(xí)社區(qū)批準(zhǔn)：審核：編制：ICIC半導(dǎo)體封裝測試流程第1 1章前言1.1半導(dǎo)體芯片封裝的目的半導(dǎo)體芯片封裝主要基于以下四個目的10, 13:防護支撐連接 可靠性載片臺環(huán)氧樹脂粘合劑塑封體（下模）圖1-1 TSOP封裝的剖面結(jié)構(gòu)圖Figure 1-1 TSOP Package Cross-section第一，保護：半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)車間都有非常嚴(yán)格的生產(chǎn)條件控制，恒定的溫度（230 3C）、恒定的濕度（50 10%）、嚴(yán)格的空氣塵埃顆粒度控

2、制（一般介于 1K到10K）及嚴(yán) 格的靜電保護措施，裸露的裝芯片只有在這種嚴(yán)格的環(huán)境控制下才不會失效。但是，我們所 生活的周圍環(huán)境完全不可能具備這種條件，低溫可能會有-40C、高溫可能會有60C、濕度可能達到100%，如果是汽車產(chǎn)品，其工作溫度可能高達120C以上，為了要保護芯片，所以我們需要封裝。第二，支撐：支撐有兩個作用，一是支撐芯片，將芯片固定好便于電路的連接，二是封 裝完成以后，形成一定的外形以支撐整個器件、使得整個器件不易損壞。第三，連接：連接的作用是將芯片的電極和外界的電路連通。引腳用于和外界電路連通，金線則將引腳和芯片的電路連接起來。 載片臺用于承載芯片， 環(huán)氧樹脂粘合劑用于將芯

3、片粘貼在載片臺上，引腳用于支撐整個器件，而塑封體則起到固定BGAFBGA/FLGAQFN1990s及保護作用第四，可靠性：任何封裝都需要形成一定的可靠性，這是整個封裝工藝中最重要的衡量 指標(biāo)。原始的芯片離開特定的生存環(huán)境后就會損毀，需要封裝。芯片的工作壽命，主要決于 對圭寸裝材料和圭寸裝工藝的選擇。1.2半導(dǎo)體芯片圭寸裝技術(shù)的發(fā)展趨勢封裝尺寸變得越來越小、越來越薄引腳數(shù)變得越來越多芯片制造與封裝工藝逐漸溶合焊盤大小、節(jié)距變得越來越小成本越來越低綠色、環(huán)保以下半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢圖2,3,4,11,12,13:八高效能fMCM/SIPPBGAPGA QFPLCCxSOPDIP1970s圖1-

4、2 半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展趨勢Figure 1-2 Assembly Tech no logy Developme nt Trend10010注OOO引腳數(shù)1000TSOP封裝技術(shù)出現(xiàn)于上個世紀(jì)80年代，一出現(xiàn)就得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可， 至今仍舊是主流圭寸裝技術(shù)之一。TSOP是“Thin Small Outline Packag啲縮”，意思是薄型小尺寸圭寸裝其封裝體總高度不得超過1.27mm、引腳之間的節(jié)距0.5mm。TSOP封裝具有成品率高、價格便宜等優(yōu)點，曾經(jīng)在DRAM存存儲器的封裝方面得到了廣泛的應(yīng)用14從本世紀(jì)初開始，國外主要的半導(dǎo)體封裝廠商都開始了疊層芯片 （3D）封裝工藝的研究,幾乎涉及

5、到所有流行的封裝類型，如 SIP、TSOP、BGA、CSP、QFP，等等2005年以后，疊層芯片（3D）封裝技術(shù)開始普及。2007年，我們將看到兩種全新的封裝類型，PiP (Package in Package 及 PoP (Package on Packag)，它們就是疊層芯片(3D)封裝技術(shù)廣泛應(yīng)用的結(jié)果。1.3疊層芯片圭寸裝技術(shù)概述疊層芯片封裝技術(shù)，簡稱 3D，是指在不改變封裝體的尺寸的前提下，在同一個封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個或兩個以上的芯片的封裝技術(shù)，它起源于快閃存儲器（NOR/NAND ）及SDRAM的疊層封裝。疊層芯片封裝技術(shù)對于無線通訊器件、便攜器件及存儲卡來講是最理想的系統(tǒng)解

6、決方案。近年來，手機、 PDA、電腦、通訊、數(shù)碼等消費產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展非常快,這此行業(yè)的迅猛發(fā)展需要大容量、 多功能、小尺寸、低成本的存儲器、DSP、ASIC、RF、圖1-2 （續(xù)）半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展趨勢Figure 1-2(C ontinue) Assembly Tech no logy Developme nt Trend1. xSOP 是指 SOP 系列封裝類型，包括 SSOP/TSOP/TSSOP/MSOP/VSOP 等。2. 3D是目前用于簡稱疊層芯片封裝的最常見縮寫。1970s19驅(qū)19殛2盹2瞼時間MEMS等半導(dǎo)體器件，于是疊層芯片技術(shù)于近幾年得到了蓬勃發(fā)展1。3D封裝技術(shù)的有以下

7、幾個優(yōu)點：多供能、高效能大容量高密度，單位體積上的功能及應(yīng)用成倍提升低成本例如，DRAM/NAND，為了增大單個器件的存儲容量，一個通常的做法就是減小芯片的 線寬、采用集成度更高的工藝，使得單芯片的容量增長。不過，減小線寬，一是帶來晶圓帶 來生產(chǎn)成本的上升，二是技術(shù)難度也會相應(yīng)加大。如果提高封裝密度，即采用疊層芯片封裝 技術(shù)，同樣可以將單個器件的容量成倍提升，但是生產(chǎn)成本的上升、工藝難度都比前者低， 這就是為什么需要發(fā)展疊層芯片封裝工藝的根本原因。在一個封裝體內(nèi)放入兩個芯片就可以將單個器件的容量提高一倍，這種方法要比我們提高集成度要簡單得多。舉個例子，假如采 用57nm工藝的單芯片的容量是1G

8、,如果提升到2G則需要使用45nm的集成度，但是，目 前市場上有大量的2G SD卡出售并未采用45nm的工藝，這就是得益于疊層芯片封裝技術(shù)， 即在一個器件內(nèi)封裝入兩個芯片。當(dāng)然，如果將提高芯片的集成度結(jié)合疊層芯片技術(shù)，則就 能得到更高的單個器件容量。1.4 TSOP疊層芯片技術(shù)研究和重要性和意義TSOP封裝曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于早期的動態(tài)隨機存儲器（DRAM ）中。由于TSOP封裝的信 號傳輸長度較長、不利于速度提升，容積率只有 TinyBGA的50%，在DDR/DDRRII內(nèi)存封 裝中被TinyBGA所取代。但是，隨著NAND快閃存儲器的興起，它了重新煥發(fā)了生機。根據(jù)IC In sight所公布的報

9、告，2005年NAND快閃存儲器的增長率達64%,其增長率是 整個半導(dǎo)體市場4%的增長率的16倍。2006年NAND快閃存儲器的增長率雖然放緩，但仍 高達30%左右，是2006年整個半導(dǎo)體市場的增長率8%的3倍多。根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)DRAMeXchange的最新的2007年第三季NAND Flash營收市場占有率報告，NAND Flash品牌廠商在2007年第三季整體營收表現(xiàn)搶眼，逼近39億美元，比第二季成長36.8%。NAND 的市場增長率遠(yuǎn)大于整個半導(dǎo)體市場的增長率，所以與NAND相關(guān)的主要封裝類型TSOP及SiP的會繼續(xù)高速增長。正是基于強勁的市場需求，所以大力發(fā)展TSOP疊層芯片封裝就顯

10、得十分重要。對NAND而言，其兩大主流封裝形式是 SiP及TSOP。SiP的優(yōu)點是一次成形，封裝完 成即是成品，不需要SMD。和SiP相比，TSOP則更具有柔韌性，因為TSOP可能通過SMD 制作成SD卡、Mini SD卡、CF卡或是集成到 MP3/MP4、SDRAM中，而SiP則不具有這種 特點，SiP 一旦完成組裝，它就是成品了、不能再根據(jù)市場需求來進行調(diào)整。和另一種同樣可以通過 SMD組裝的PBGA封裝形式相比，TSOP具有非常明顯的成本 優(yōu)勢。正是因為TSOP的成本優(yōu)勢，半導(dǎo)體業(yè)的巨頭In tel將它的NAND/NOR PBGA封裝轉(zhuǎn) 成了 TSOP封裝。而且，In tel還通過和 M

11、icro n的合資公司IMFT(IM Flash Tech no logy)，大 力推進NAND TSOP的生產(chǎn)。據(jù)稱，蘋果電腦公司目前在iPod中使用的NAND閃存芯片占 全部NAND閃存芯片產(chǎn)量的20%。作為閃存定單，蘋果電腦公司已經(jīng)同意支付 5億美元平 分給英特爾公司和美光科技公司，2007年合資公司生產(chǎn)的25%的NAND閃存將提供給蘋果 電腦公司。TSOP封裝的封裝材料成本大概占總成本的 55%，如果采用疊層芯片封裝，封裝成本增 加主要是金線和環(huán)氧樹脂芯片粘合，因此只需要增加少量成本就能將單位封裝體積上的功能 及應(yīng)用成倍提升，不光如此，它還帶來后序工序的成本降低。疊層芯片技術(shù)是一項非常

12、重要的技術(shù)，它的興起帶了封裝技術(shù)的一場革命。因此，TSOP疊層芯片封裝技術(shù)的研究有十分深遠(yuǎn)的歷史及現(xiàn)實意義。第2 2章單芯片TSOPTSOP封裝技術(shù)介紹芯片封裝工藝分為兩段，分別叫前道(Front-of-line , FOL)和后道(End-of-line , EOL),前道(FOL)主要是將芯片和引線框架(Leadframe)或基板(Substrate連接起來，即完成 封裝體內(nèi)部組裝。后道(EOL)主要是完成封裝并且形成指定的外形尺寸7 o第一步，磨片。第二步，磨片結(jié)束后，對芯片進行質(zhì)量檢查第三步，裝片。第四步，劃片，將晶圓上的芯片彼此分離。第五步，再次檢查芯片的質(zhì)量。第六步，貼片。第七步，

13、烘烤。第八，引線鍵合。前道生產(chǎn)工藝第九步，檢查鍵合后的質(zhì)量。F面，用示意圖來簡單介紹主要的加工工藝：1.晶圓(wafer):圖-3展示了一個從晶圓廠(Wafer Fab出來的晶圓，上面布滿了矩形的芯片, 有切割槽的痕跡。圖2-1晶圓示意圖Figure 2-1 Wafer2.磨片(Backgrinding):晶圓出廠時，其厚度通常都在0.7mm左右，比封裝時的需要的厚度大很多，所以需要磨片。圖-4是磨片工藝示意圖，晶圓被固定在高速旋轉(zhuǎn)的真空吸盤工作臺上，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪從背面將晶圓磨薄，將晶圓磨到指定的厚度。通常，TSOP單芯片封裝的晶圓厚度為0.28mm左右。高速旋轉(zhuǎn)的砂輪真空吸盤工作臺c圖2-

14、2晶圓背面剪薄工藝示意圖Figure 2-2 Backgri nding Process壓力滾輪粘性藍(lán)膜固定鐵環(huán)晶圓工作臺3.裝片(Wafer Mount):藍(lán)膜固定鐵環(huán)晶圓圖2-3裝片工藝示意圖Figure 2-3 Wafer Mou nt圖-5裝片工藝，上圖展示了如何將晶圓粘貼到粘性藍(lán)膜上。首先將晶圓正面朝下固定在工作臺的真空吸盤上，然后鋪上不銹剛晶圓固定鐵環(huán)(WaferRing),再在鐵環(huán)上蓋上粘性藍(lán)膜(Blue Tape),最后施加壓力，把藍(lán)膜、晶圓和 鐵環(huán)粘合在一起。圖-5下圖展示了將晶圓固定在鐵環(huán)上以后的情況：中央的晶圓被固定在藍(lán)膜上，藍(lán)膜被固定在不銹鋼鐵環(huán)上，以便后續(xù)工序加工Q高

15、速旋轉(zhuǎn)的金鋼石刀片(Diamond Saw Blade)4.劃片(Die Sawing)：圖-6劃片工藝，上圖表示咼速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片在切割槽中來回移動，將 芯片分離。圖-6下圖是完成切割的晶圓，芯片被沿著切割槽切開。圖2-4劃片工藝示意圖Figure 2-4 Wafer Saw ing5.貼片(Die Attach)：圖-7a,芯片粘貼工藝，第一步：頂針從藍(lán)膜下面將芯片往上頂、同時真空吸嘴將芯片往上吸，將芯片與膜 藍(lán)脫離。圖2-5a貼片工藝示意圖Figure 2-5a Die Attach Process圖-7b，芯片粘貼工藝，第二步：將液態(tài)環(huán)氧樹脂涂到引線框架的臺載片臺上。環(huán)氧樹脂混合液圖

16、2-5b貼片工藝示意圖Figure 2-5b Die Attach Process圖-7c,芯片粘貼工藝，第三步：將芯片粘貼到涂好環(huán)氧樹脂的引線框架上6 .引線鍵合(Wire Bonding):圖-8是用金線將引線框架的引腳和芯片的焊盤連接起來以后的示意，上圖 是截面圖，下圖俯視圖。有關(guān)引線鍵合部份的工藝介紹，請參見 4.3圖2-5c貼片工藝示意圖Figure 2-5c Die Attach Process引腳金線環(huán)氧樹脂載片臺4”圖2-6芯片完成焊接后的示意圖Figure 2-6 After Wire Bonding2.2后道生產(chǎn)工藝:用環(huán)氧樹脂將芯片及用于承載芯片的引線框架 一起封裝起來，

17、保護芯片。繼續(xù)對環(huán)氧樹脂封裝體進行高溫老化處理。此工序主要是切斷引腳之間的連筋。在引腳外鍍上一層純錫，增強導(dǎo)電性能。鍍錫后，對錫層進行高溫老化處理。打上器件的身份識別。用機械模具將器件沖壓成形。對外觀及引腳進行 100%檢查。1 .塑圭寸(Molding):塑封是用環(huán)氧樹脂將芯片及用于承載芯片的引線框架一起封裝起來，保護 芯片，并形成一定等級的的可靠性。Figure 2-7b Moldi ng Process圖-9a展示了塑封工序的工作原理。模具分成上下模，模具上有根據(jù)封裝體尺寸所預(yù)先定好的模腔，其工作溫度在通常在165-185C范圍內(nèi)。將需要封裝的引線框架放置到模具上，然后放入固體環(huán)氧樹脂餅

18、料，再合上模具并施加合模 壓力(至少在30噸以上)。合模后，給注塑桿上施加壓力，環(huán)氧樹脂在高度高 壓下開始液化，于是在注塑桿的作用下，環(huán)氧樹脂被擠入模腔中。由于環(huán)氧樹 脂的特性是先液化再固化，于是在被擠入腔中后，它將再次固化，形成我們所 需要的外形尺寸。圖-9b是注塑完成以后的示意，左圖是俯視圖，右圖剖面圖Figure 2-7a Moldi ng Process圖2-7a圭寸裝工藝示意圖圖2-7b圭寸裝工藝示意圖2 切筋(Trim):圖-10是切筋以后的情況，對比圖-9b我們可以發(fā)現(xiàn)，引腳之間的連筋已經(jīng)沒有了。切筋的作用是將引腳之間的連筋切開，以方便成形工藝。圖2-8切筋工藝示意圖Figure

19、 2-8 Trim Process3.電鍍(Plati ng)：圖-11是電鍍以后的情況，對比圖-10我們可以發(fā)現(xiàn)，引腳之間的顏色有了 變化。電鍍的作用是增強導(dǎo)電性能。圖2-9電鍍工藝示意圖Figure 2-9 Plati ng Process4.成形(Form)：圖-12成形工藝示意圖，引腳的外形是由沖壓模具來完成，器件被固定在模 具上，刀具從上往沖壓成形，然后將器件與引線框架分離，得到圖 -1中的外形。 成形工藝是半導(dǎo)體封裝的最后一步，其外形尺寸有嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TSOP封裝的具體尺寸請參見 JEDEC MO-142, THIN SMALL OUTLINE PACKAGE FAMILY T

20、YPE I，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)公布于2000年7月。TSOP封裝的總高度不得超過1.27mm、 引腳節(jié)距0.5mm,塑封體厚度為1.0mm,目前最流行的TSOP48的長X寬=12X20。圖2-10成形工藝示意圖Figure 2-10 Form Process第3 3章實驗環(huán)境、設(shè)備及材料實驗環(huán)境為溫度23+/-3攝氏度、濕度50+/10%表-1是實驗設(shè)備清單，表-2是實驗材料清單。表3-1實驗采用的設(shè)備清單工藝設(shè)備單芯片封裝疊層芯片封裝磨片(B/G)磨片機DISCO DFG-850TSK PG300裝片(W/M)裝片機TAKATORI ATM-8100TSK PG300劃片(D/S)劃片機DISCO D

21、FD640/651TSK A-WD-300 ， DISCODFD6361， DISCO DFD651ESEC2007/2008HSESEC2008 XP貼片(D/A)貼片機ASM AD889ASM AD8912SHINKAWA UTC-250SHINKAWA UTC1000/2000引線鍵合(W/B)金線焊接 機K&S 8028K&S8028 PPS及以上型號表3-2實驗采用的材料清單工藝材料類型單芯片封裝疊層芯片封裝裝片(W/M)貼片膠帶藍(lán)膜藍(lán)膜或環(huán)氧樹脂溥膜膠帶(Epoxy Film Tape )貼片(D/A)環(huán)氧樹脂混合銀漿混合銀漿及環(huán)氧樹脂薄膜(Epoxy Film )貼片(D/A)引

22、線框架銅引線框架銅引線框架或合金引線框架引線鍵合(W/B)金線純度99.99%金線塑封(MOLD)塑封料住友電木，EME-G700住友電木，EME-G700V電鍍(PLATING)電鍍?nèi)芤杭冨a電鍍液第4 4章TSOPTSOP疊層芯片圭寸裝技術(shù)的實現(xiàn)首先介紹疊層芯片封裝的識別，比如， “TS0P2+”就是指一個TSOP封裝體內(nèi)有兩個活 性芯片(Active Die )、一個空白芯片(Space), “ VFBGA3+”，那就是說一個 VFBGA封裝 體內(nèi)有三個活性芯片、沒有空白芯片，以此類推。下圖是最典型的TS0P2+1的封裝形式剖面圖，上下兩層是真正起作用的芯片，中間一 層是為了要給底層芯片留

23、出焊接空間而加入的空白芯片?？瞻仔酒蓡尉Ч柚瞥?，里面沒有 電路。Figure 4-1 TS0P2+14.1三種實現(xiàn)疊層芯片的封裝的工藝疊層芯片圭寸裝技術(shù)不改變圭寸裝體的尺寸，因此后道生產(chǎn)工藝不會有改變，我所有的研究 都集中在對前道生產(chǎn)工藝的改進。下面，我以簡單兩層芯片的TSOP2+X為例，介紹對前道生產(chǎn)工藝完成的研究。4.1.1第一種方法，TSOP2+1，使用多次重復(fù)單芯片的工藝通過實驗，我發(fā)現(xiàn)可以通過重復(fù)單芯片的工藝來實現(xiàn)疊層芯片的封裝，其工藝流程如下8:用銀漿將下層芯片貼在引線框架上烘烤芯片，使下層芯片完全固定在引線框架上 用銀漿將中間空白芯片貼下層芯片上烘烤芯片，使空白芯片完全固定在下

24、層芯片上完全下層芯片的鍵合用銀漿將上層芯片貼空白芯片上烘烤芯片，使上層芯片完全固定在空白芯片上完成上層芯片的鍵合目視檢查，保證上述各個工序的質(zhì)量采用重復(fù)傳統(tǒng)的單芯片生產(chǎn)工藝實現(xiàn)疊層芯片封裝時，只需要在貼片（D/A）及引線鍵合（W/B）兩道工序之間往返即可。上述的TS0P2+1,需要三次貼片（D/A）、兩次引線鍵合（W/B）第一種方法，看似非常簡單，其實不然。液態(tài)環(huán)氧樹脂的流動性較強，非常容易擴散， 經(jīng)常出現(xiàn)樹脂層不均勻，因此需要非常好的液態(tài)環(huán)氧樹脂噴涂機構(gòu)，而且，它還有一個非常 致命的缺陷，即容易在封裝完成后出現(xiàn)芯片破裂 （Die Crack），并且這種芯片破裂只會出現(xiàn)在 疊層芯片封裝中。關(guān)于

25、芯片破裂的解決方案，我將在 4.2中闡述晶圓工作臺4.1.2第二種方法，TS0P2+1，使用環(huán)氧樹脂薄膜作為芯片貼合劑由于液態(tài)環(huán)氧樹脂有流動性強、不易受控的缺點，為了解決這個問題，于是我又嘗試改 變原材料的形態(tài)，用固態(tài)環(huán)氧樹脂薄膜替代液態(tài)環(huán)氧樹脂。下圖是使用固態(tài)環(huán)氧樹脂薄膜膠 帶替代普通藍(lán)膜后裝片工序的情形，薄膜膠帶上的白色圓盤即固態(tài)環(huán)氧樹脂薄膜，其尺寸比 晶圓直徑稍大。裝片完成后，環(huán)氧樹脂薄膜就已經(jīng)和芯片粘在了一起:環(huán)氧樹脂薄膜圖4-2采用環(huán)氧樹脂薄膜時的裝片工藝示意圖Figure 4-1 Epoxy Film Tape Wafer Mount Process固定鐵環(huán)用固態(tài)環(huán)氧樹脂薄膜替代液

26、態(tài)環(huán)氧樹脂混合液，其好處是在貼片工序時我們只需要將芯 片貼到引線框架上，不需要噴涂液態(tài)環(huán)氧樹脂，這就大大簡化了工藝用環(huán)氧樹脂薄膜將下層芯片貼到引線框架上烘烤，將下層芯片完全固定在引線框架用環(huán)氧樹脂薄膜將空白芯片貼到下層芯片上完成下層芯片的引線鍵合用環(huán)氧樹脂薄膜將上層芯片貼在空白芯片上完成上層芯片的引線鍵合目視檢查，保證上述各個工序的質(zhì)量在第一種方法中，為了增加環(huán)氧樹脂和引線框架之間或芯片的粘結(jié)力，每完成一次貼片 之后都需要烘烤。但是，第二種方法，由于固態(tài)環(huán)氧樹脂薄膜和芯片之間的粘結(jié)力已經(jīng)足夠, 只需要做一次烘烤即可，生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期比第一種方法短，而且，由于多次烘烤會 造成引線框架氧化及

27、芯片粘污，烘烤次數(shù)減少對提高成品率和減少可靠性失效也很有好處。工藝流程如下8:4.1.3第三種方法，TSOP2+0為了進一步簡化工藝，于是，在第二種方法的基礎(chǔ)上，通過改變芯片的焊盤布局、將焊 盤都放置在芯片的一端，去掉中間的空白芯片，于是得到了第三種方法，如下圖所示，僅一 端有焊線8 o用環(huán)氧樹脂薄膜將下層芯片貼到引線框架上 用環(huán)氧樹脂薄膜將上層芯片貼在下層芯片上 烘烤，將芯片完全固定在引線框架上 完全引線鍵合目視檢查，保證上述各個工序的質(zhì)量第三種方法，如果貼片機可以同時完成多次貼片，則工序就更加簡單，和單芯片封裝一樣、僅需要一次貼片、一次引線鍵合，而且，由于不需要液態(tài)環(huán)氧樹脂的噴涂機構(gòu)，貼片

28、工序甚至比單芯片封裝還好簡單。這樣的改進，使得疊層芯片封裝的優(yōu)勢非常明顯：工藝簡單、 成本低、成品率咼、易于推廣4.1.4三種方法的對比圖 4-3 TSOP2+0Figure 4-3 TSOP2+0通過反復(fù)實驗對比，對上述三種實現(xiàn)兩芯片疊層（TS0P2+X）封裝工藝的優(yōu)缺點總結(jié)如下：表4-1三種工藝的對比疊層芯片工藝貼片工藝難度鍵合工藝難度成品率生產(chǎn)周期單顆封裝成本其它采用傳統(tǒng)工藝，使用液 態(tài)銀漿作為芯片粘合劑難難低長低不需要改變芯片制作工藝采用環(huán)氧樹脂薄膜作為粘合劑，兩次引線鍵合簡單難一般一般一般不需要改變芯片制作工藝采用環(huán)氧樹脂薄膜作為粘合劑，一次引線鍵合簡單簡單高短低需要改變芯片焊盤的布

29、局上述三種疊層芯片的封裝工藝，第一種，使用環(huán)氧樹脂銀漿，成本低，但是工藝難度很 高、成品率低，成品率能達到99.5%就幾乎不可能再提升了。第二種，雖然環(huán)氧樹脂薄膜成 本高，但是由于環(huán)氧樹脂薄膜是在裝片（W/M）的時候粘貼到芯片背面，不必考慮液態(tài)環(huán)氧樹 脂工藝的復(fù)雜性，所以工藝比第一種簡單、生產(chǎn)周期相應(yīng)縮短，成品率也較、成品率可達 99.8-99.9%，其缺點是焊接工序比較復(fù)雜。第三種，由于只有兩次貼片（D/A）、一次引線鍵合（W/B），所以不僅工藝簡單、成本低，而且成品率極高、可以穩(wěn)定在99.90%以上。當(dāng)然，第三種工藝有局限性，需要改變芯片的制作布局，將焊盤布置在芯片的一端。第一種方法雖然工

30、藝復(fù)雜、成本率低，但是由于液態(tài)環(huán)氧樹脂成本比固態(tài)環(huán)氧樹脂膜薄 低，仍然具有其實際推廣價值；第三種方法雖然最值得推廣，但在實際應(yīng)用中可能會因為芯 片的布局難以改變而不能使用，所以，實際應(yīng)用廣泛采納的是第二種方法。4.2使用液態(tài)環(huán)氧樹脂銀漿作為粘合時的芯片破裂(Die Crack)的解決采用液態(tài)環(huán)氧樹脂銀漿作為芯片粘合劑，其最難解決的技術(shù)問題是如何解決塑封工序以 后的芯片破裂問題，其破裂呈現(xiàn)出網(wǎng)狀：圖4-4芯片破裂Figure 4-4 Die Crack Pattern在單芯片封裝中，不會出現(xiàn)這樣的芯片，通常我們在單芯片封裝中看到大多都是一條或 幾條裂紋，而且是在貼片工序后我們就能通過目視檢查出。

31、而這種多芯片的網(wǎng)狀芯片破裂， 是出現(xiàn)在塑封(MOLDING )以后而不是貼片工序。塑封結(jié)束后，通常需要采用有損檢查(即開蓋)才能發(fā)現(xiàn)芯片破裂。在這個案例中，開 蓋檢查雖然能發(fā)現(xiàn)上層芯片的問題，但是對于下層芯片照樣很難看到，所以就很難知道什么 情況下會發(fā)生芯片破裂，也就很難解決這個問題。而且，開蓋是一種有損檢查，采用強酸將芯片上面的環(huán)氧樹脂腐蝕掉，將芯片重新裸露 在外，顯然不能用于生產(chǎn)中來。首先分析這種芯片破裂(Die Crack)發(fā)生的機理。t t t t t t t t圖4-5芯片破裂原理示意圖Figure 4-5 Prin ciple of Why Die Crack在疊層芯片封裝中，由于

32、液態(tài)環(huán)氧樹脂的流動性強，所以在貼片工藝中，通常難以保證 環(huán)氧樹脂能夠完全充滿兩層芯片之間的空隙，如上圖所示。通常，半導(dǎo)體業(yè)界的一般標(biāo)準(zhǔn)是 75%和覆蓋率就算合格。注塑工序所使用的環(huán)氧樹脂，主要由25-100um的顆粒組成。通常,我們在貼片（D/A）形成的環(huán)氧樹脂層的厚度介于12-38um,這就意味著，只有少量小顆粒的注 塑工序所使用的環(huán)氧樹脂混合物可以進入這層空間，而大量大顆粒則只能在外圍。于是，在 注塑過程中，由于我們在施加很大的壓力（通常壓強在10MPa左右），由于中間的空隙不能被塑封料填充，于是芯片就在外力的作用下被壓碎。這就是使用液態(tài)環(huán)氧樹脂作為芯片粘合 劑時為什么會在注塑工序完成后會

33、有網(wǎng)狀的芯片破裂（Die Crack）的原因。單芯片封裝中，由于芯片度較大，所以即使就空洞，也沒會出現(xiàn)芯片破裂。下面，我具體闡述如何解決這個難題。解決了這個難題，工藝就算成功了。首先，我需要找到一種比較可行的檢測方法。由于超聲波掃描是無損檢測，可以用于生 產(chǎn)中，于是嘗試對超聲波掃描方式進行改進。通常的超聲波掃描，采用的是反射模式，這種 方式我們只能得到一個比較清晰的層面：圖4-6正面超聲波掃描圖像，反射模式Figure 4-6 C-Scan Photo, Top另一種模式、穿透模式，它可以發(fā)現(xiàn)可疑點，如下圖，凡是有陰影的地方就是可疑點這種方法雖然不能確認(rèn)有沒有芯片破裂，但是由于其效率高，非常適

34、用中于預(yù)警。圖4-7超聲波掃描圖像，穿透模式Figure 4-7 Through Sca n Photo最后，通過與公司專業(yè)實驗室的合作，發(fā)現(xiàn)了一種可以檢測出芯片破裂的超聲波掃描模式，TAMI (Tomographic Acoustic Micro Imaging)，它是一種逐層超聲波掃描的方法：圖4-8 TAMI掃描原理Figure 4-8 How TAMI works下圖就是一個用逐層超聲波掃描法(TAMI )掃描的樣圖，可以很顯看出有網(wǎng)狀的芯片破裂：有了檢查方法，就可以進行實驗，優(yōu)化工藝控制方法、解決芯片破裂冋題。通過芯片破裂的機理分析，已經(jīng)知道了出現(xiàn)這種芯片破裂是由于環(huán)氧樹脂芯片粘合劑

35、有 空洞造成的，那么，最基本的方法就是優(yōu)化工藝方法以控制液態(tài)環(huán)氧樹脂，避免出現(xiàn)空洞。 試驗研究發(fā)現(xiàn)，最重要的對環(huán)氧樹脂噴涂圖案(Pattern進行優(yōu)化，好的環(huán)氧樹脂噴涂圖案能得到95%以上的覆蓋率。在嘗試了大量的噴涂圖案以后，得出了以下三種圖案。具體哪一種 最好，要結(jié)合引線框架、設(shè)備能力、芯片尺寸等相關(guān)因素，不能一概而論。不過，我推薦使 用米”字型。實踐證明，芯片底部的環(huán)氧樹脂覆蓋率達到95%以上時，出現(xiàn)芯片破裂(Die Crack)的機率幾乎為0。綜上所述，解決芯片破裂的方案是：用超聲波穿透模式來進行可監(jiān)測、用TAMI對可疑點進行確認(rèn)、優(yōu)化環(huán)氧樹脂圖案、控制環(huán)氧樹脂覆蓋率達到95%以上。通常

36、，當(dāng)芯片的厚小于0.1mm、或芯片的疊放層數(shù)超過3層時，采用液態(tài)環(huán)氧樹脂銀的圖4-9 TAMI掃描樣圖Figure 4-9 Sample photo of TAMI圖4-10推薦使用的環(huán)氧樹脂圖案Figure 4-10 Recomme nded Epoxy Patter n貼片工藝的工藝性能將變得極差、不能再使用當(dāng)然，既然液態(tài)環(huán)氧樹脂工藝復(fù)雜、容易出現(xiàn)芯片破裂，于是，另一種更徹底更有效的 解決方法，就是更換材料，使用環(huán)氧樹脂薄膜。環(huán)氧樹脂薄膜的引入，不僅解決了芯片破裂 (Die Crack)問題，而且由于工藝簡單，成品率大提高。對于疊層芯片技術(shù)而言，采用環(huán)氧樹 脂膜薄是必然趨勢。4.3疊層芯片

37、封裝技術(shù)的引線鍵合的技術(shù)除了芯片粘貼技術(shù)的變革，疊層芯片封裝技術(shù)的另一個變革是引線鍵合工藝。目前的封裝技術(shù)，除了功率器件以外，大多都采用熱超聲波金絲球焊工藝。其工作原理 是，將引線框架緊固定在加熱塊上、再施加超聲波，在芯片或引腳與金線的結(jié)合部位形成金 屬鍵。通常，其工作溫度范圍是 190-210攝氏度，超聲波的頻率有60KHZ和120KHz兩種， 120KHZ主要用于大尺寸(0.038mm以上)的金線。TSOP封裝通常采用0.025mm或0.020mm 的金線。圖4-11金絲球焊示意圖Figure 4-11 Gold Ball Bond要成功實現(xiàn)疊層芯片封裝工藝，就必須突破現(xiàn)有的引線鍵合項技術(shù)

38、。下圖TSOP單芯片與疊層芯片的金絲連接示意圖，從圖中可以直觀看出，單芯片時引線是由芯片連接到引腳、 線弧的最高點靠近芯片，但是疊層芯片時，由于要在相同的空間內(nèi)放入多個芯片，顯然芯片 與芯片之間的間隙很小，弓I線需要改成從引腳引出連接到芯片、弓I弧最高點靠近引腳。Ui-Ua&onic： Energy通常，單芯片的線弧的最低極限在 0.12mm,為了不使芯片與金線短路、加上線弧的誤 差，假如采用單芯片的線弧，其芯片之間的間隙至少需要0.2m m,這個高度顯然太高。4.3.1正向金絲球焊的步驟金絲球焊由以下幾個工藝步驟構(gòu)成9:第止 步金絲靠近打火軒，在 金絲端部形成金球。1二rn第二步金球向下，接

39、觸焊點（又稱焊盤）。第三步通過熱超聲形成第 一焊點。圖4-12 TSOP1+0，TSOP2+1金絲連接示意圖Figure 4-12 TSOP1+0, TSOP2+1 Gold Ball Bond圖例0o1 線夾劈刀-H- LJL 心片超聲波引腳打火桿金球線弧圖4-13標(biāo)準(zhǔn)金絲球焊工作步驟示意圖Figure 4-13 Stan dard Gold Ball Bo nd Process第八步第一焊點完成，引導(dǎo)金 絲的劈刀向上移動。第五步引導(dǎo)金線的劈刀移向二通過熱超聲波形成二焊點焊點，形成線弧。第七步折斷金線，劈刀離開二焊點第八步再次打火，形成金球。金球-H- LJL心片環(huán)氧樹脂線弧二焊點絲尾（魚尾

40、狀）二焊點焊接完成后 留下的壓痕經(jīng)過上述步驟的反復(fù)，就完成了單芯片封裝的金絲球焊工序。4.3.2金絲球焊反打方式（SSB）的工藝步驟疊層芯片的封裝工藝技術(shù)研究的另一個要點，是如果完成芯片與引線框架的連接。單芯 片工藝使用的引線焊接方式（即從芯片到引腳）由于其線弧高度太高顯然不適應(yīng)，需要新的 焊接方式。通過實驗，我找到了一種新的焊接方法：SSB（Standoff Stitch Bond），成功地解決了引線的焊接問題。SSB又稱反打，即Reverse Looping,其第二焊點不是在引線框架上， 而是在芯片的焊盤上。圖-26是由芯片到引腳的焊接方式，其二焊點在引腳上。圖-27是從芯片到芯片的SSB

41、焊接方式，其二焊點和通常的單芯片焊接方式不同，在另一芯片的焊盤上。圖4-14 標(biāo)準(zhǔn)金絲球焊方式Figure 4-14 Stan dard Gold Ball Bond圖4-15 金絲球焊反打方式Figure 4-15 Gold Ball Bond SSB圖4-16金絲球焊反打方式的二焊點SEM照片F(xiàn)igure 4-16 Gold Ball Bo nd SSB, Stitch SEM PhotoF面，首先看看SSB的焊接步驟:金球焊盤（Bond Pad）二焊點絲尾（魚尾狀）第七步通過熱超聲焊接將金球 健合在另一焊盤上。第八步引導(dǎo)金線的劈刀向上 移動。第七步引導(dǎo)金線的劈刀移向二 焊點，形成線弧。第

42、二步通過熱超聲焊接將金 球健合在焊盤上。第四步剪段鑫絲，留下金球。第五步再次打火，形成金球。金球向下，靠近另一焊 點（又稱焊盤）。Step 1Step 2圖4-17金絲球焊反打方式的步驟Figure 4-17 Gold Ball Bo nd SSB Process StepsSSB對原有的焊接方式進行了很大擴展，通過在芯片的焊盤上植球，使得原來在線腳上的二焊點可以焊接到另一芯片的焊盤上。SSB的前4步是植球，后8步其實就是單芯片的焊接方式。由于有了 SSB焊接工藝，就可以完成各種復(fù)雜的焊接方式。4.3.3用金絲球焊反打方式（SSB）完成疊層芯片的引線鍵合下面，我以TSOP3+0為例，講解用SS

43、B完成TSOP3+0的連接第十步 形成二焊點第十一步劈刀抬起，折斷金絲第十二步再次打火，形成金球。圖4-18 TSOP3+0金絲球焊反打方式的步驟Figure 4-18 TSOP3+0 Gold Ball Bo nd SSB FormationStep 3Step 4Step 1:在 Die 2、Die 3 上植球(Bump)Step 2:用 SSB連接 Die 1 和 Die 2Step 3:用SSB連接引腳和Die 2Step 4:用 SSB連接 Die 2 和 Die 3在疊層芯片封裝工藝中，大多數(shù)情況下都需要使用SSB引線鍵合工藝，SSB焊接方式的成功，使得發(fā)展更高密度的圭寸裝變?yōu)楝F(xiàn)實

44、。4.3.4金絲球焊正打方式與反打方式（SSB）的對比如果芯片的疊層方式是階梯狀的，也可以用正向焊接方式，如下圖:兩種方式都可以，各有優(yōu)缺點：正向金絲球焊的優(yōu)點是工藝簡單、速度快。但是其缺點也是很明顯的，一是金線的用量 比較大，二是由于引腳的強度及焊接區(qū)域有限， 當(dāng)同一引腳焊線超過4根時，由于引腳很軟、 圖4-18 (續(xù)) TSOP3+0金絲球焊反打方式的步驟Figure 4-18(Co ntin ue) TSOP3+0 Gold Ball Bo nd SSB Formation Step圖4-19 TSOP3+0金絲球焊正打連接方式Figure 4-19 TSOP3+0 Gold Ball

45、Sta ndard(Forward) Bond工藝性能將明顯降低。一般說來，如果同一引腳的焊線超過4根，推薦使用SSB。再次，如果芯片的疊加方式不是梯狀而是錯層，顯然就只能使用SSB 了，如圖-31的TS0P2+1:4.4單芯片與疊層芯片封裝技術(shù)的區(qū)別通常，疊加多少個芯片就需要多少次貼片，除了第三種方法，其余兩種均是有多少層金線就需要多少次引線鍵合。下圖的TS0P2+1,是三層芯片疊加、兩層金線，則需要三次貼片)、圖 4-20 TSOP2+1Figure 4-20 TSOP2+1單芯片和疊層芯片封裝的主要區(qū)別有:1.由于需要將多個芯片疊加在一起，所以傳統(tǒng)的單芯片的封裝必須進行改進以適 應(yīng)疊層芯片封裝，需要重復(fù)貼片(D/A)以引線鍵合(W/B)。2.由于封裝體的外形尺寸沒有變化，為了實現(xiàn)多芯片疊加，則芯片的厚度就會變 得很薄，通常其厚度低單芯片的1/2。3.由于芯片的厚度很薄，于是這導(dǎo)致在前道(FOL)工藝中，用于加工單芯片的設(shè)備不再適用，實驗中引進了更先進的設(shè)備。詳見表-1。4.由于需要多次的貼片(D/A)及引線鍵合