十二章裝配與封裝

1、第十二 章 裝配與封裝引言在制造廠工藝完成后，通過電測試的硅片準備進行單個芯片的裝配和封裝，被稱為集成電路制造過程的后道工序。最終裝配和封裝是兩個截然不同的過程。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，對于引線框架裝配，用細線將芯片表面的金屬壓點和提供芯片電通路的引線框架內端互連起來。封裝：是將芯片封在一個保護管殼內傳統(tǒng)最終裝配和封裝工藝的概貌對于所有芯片，集成電路封裝有4個重要功能：v保護芯片以免受由環(huán)境和傳遞引起的損壞v為芯片的信號輸入和輸出提供互連v芯片的物理支撐v散熱業(yè)界的封裝形式選擇設計條件：性能、尺寸、重量、可靠性和成本目標。封裝形式：封裝層次兩種不

2、同的封裝層次：第一級封裝：本章所提到的裝配和封裝被稱為第一級封裝。第二級封裝：將集成電路塊裝配到具有許多元件和連接件的系統(tǒng)中，大多數(shù)使用Sn/Pb焊料（熔化溫度183C）將集成塊焊在印刷電路板上。印刷電路板又稱底板或載體，用焊料將載有芯片的集成電路塊與粘貼在板上的電路相連，同時使用連接件作為其余產品的電子子系統(tǒng)的接口。集成電路封裝層次12.1傳統(tǒng)裝配傳統(tǒng)最終裝配的步驟：v背面減薄v分片v裝架v引線鍵合12.1.1背面減薄 在前端制造過程中，為了使破損降低最小，大直徑硅片相應厚些（300mm的硅片是775m厚）。但在裝配前必須減薄，通常被減薄到200到500 m厚。減薄的目的：較薄的硅片更容易劃

3、成小芯片并改善散熱， 有益于在薄ULSI裝配中減少熱應力。更薄的 芯片也減少最終集成電路管殼的外形尺寸和 重量。12.1.2分片方法：使用金剛石刀刃的劃片鋸把每個芯片從硅片上切下來。12.1.3裝架分片后，好的芯片被挑選出來，粘貼到底座或引線框架上。芯片的粘結方法：v環(huán)氧樹脂粘貼v共晶焊粘貼v玻璃焊料粘貼 環(huán)氧樹脂被滴在引線框架或基座的中心，芯片粘貼工具將芯片背面放在環(huán)氧樹脂上，加熱循環(huán)以固化環(huán)氧樹脂（125 C，1h）。大部分MOS產品直接使用環(huán)氧樹脂，如果芯片和封裝的其余部分之間有散熱要求，可在環(huán)氧樹脂中加入銀粉制成導熱樹脂。1、環(huán)氧樹脂粘貼： 在減薄的硅片背面淀積一層金，基座有一個金或銀

4、的金屬化表面，然后用合金方式將金粘接到基座（加熱到420 C 約6秒，略高于Au-Si共晶溫度，在芯片和引線框架之間形成共晶合金互連）。雙極集成電路使用共晶焊粘貼更普遍。2、共晶焊粘貼玻璃焊料粘貼：玻璃焊料由銀和懸浮在有機媒介中的玻璃顆粒 組成。玻璃焊料中的銀和玻璃在固化過程中變 軟，并構成對陶瓷具有良好導熱的焊接，要 固化含銀的玻璃需要相對高的溫度。3、玻璃焊料粘貼12.1.4引線鍵合引線鍵合又稱微互連，是將芯片表面的鋁壓點和引線框架上或基座上的電極內端進行電連接。鍵合線為Au或是Al線，引線直徑是25到75 m之間。一、引線鍵合的方法引線鍵合的方法根據在引線端點工藝中使用的能量類型分為：v

5、熱壓鍵合v超聲鍵合v熱超聲球鍵合1、熱壓鍵合利用的能量類型為：熱能和壓力具體方法：一種被稱為毛細管劈刀的鍵合機械裝置，將引線定位在被加熱的芯片壓點并施加壓力，力和熱結合促使金線和鋁壓點形成鍵合，稱為楔壓鍵合。然后劈刀移動到引線框架內端電極，同時輸送附加的引線，在那里用同樣的方法形成另一個楔壓鍵合點。超聲鍵合使用的能量類型：超聲能和壓力鍵合方法：通過毛細管劈刀底部的孔輸送引線并定位到芯片壓點上方，細管針尖施加壓力并快速機械振動摩擦，通常超聲頻率是60kHZ,以形成冶金鍵合，鍵合形成，移到引線框架內端電極壓點，形成鍵合，并將引線扯斷。2、超聲鍵合3、熱超聲球鍵合熱超聲球鍵合的能量類型：超聲振動、熱

6、和壓力鍵合方法：基座保持在150 C 。球鍵合毛細管劈刀通過中間的孔豎直輸送細Au絲。伸出的細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Au球和Al壓點鍵冶金鍵合的形成，球鍵合完成后，鍵合機移動到基座內端壓點并形成熱壓的楔壓鍵合，將引線扯斷。二、引線鍵合質量測試：目測和拉力測試。目測：通過看楔壓或球并驗證已形成良好的鍵合點來進行。 楔壓鍵合在劈刀尖超聲振動接觸處有一平坦區(qū)。 球鍵合由于施加壓力，球有形變。拉力試驗：提供了鍵合質量的定量評價12.2傳統(tǒng)封裝早期的金屬封裝：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

7、金屬蓋被焊到基座上以形成密封。最廣泛使用的傳統(tǒng)集成電路封裝材料是：塑料和陶瓷封裝12.2.1塑料封裝塑料封裝是使用環(huán)氧樹脂聚合物將已完成引線鍵合的芯片和模塊化工藝的引線框架完全包封。一、塑料封裝受歡迎的原因：1、管腳成型靈活，或作為插孔式管腳（穿過電路板），或作為表面貼封裝技術管腳（管腳粘貼到板的表面）。2、材料成本低和重量輕。3、聚合物性能穩(wěn)定不變形，加工溫度高達250 C 。4、吸潮少，并可以加入填充劑以減小熱膨脹系數(shù)，使它與引線框架和芯片的熱膨脹系數(shù)匹配。二、塑料封裝的步驟 包封鑄模 模型去飛邊 組件管腳成型 墨水或激光在塑料封面上打印制造和產品信息鑄模的集成電路條帶被放入管腳去邊成型工

8、具，被加工成必要的形狀：用于表面貼封裝的鷗翼型和J型管腳以及用于插孔式的直插形式。管腳成型后，要施加一層薄管腳涂層（通常是焊料或錫），以防止侵蝕。三、塑料封裝的種類1、雙列直插封裝（DIP)：典型有兩列插孔式管腳向下彎，穿過電路板的孔。流行于20世紀70年代和80年代，使用正在減少。2、單列直插封裝（SIP)：DIP的替代品，用以減小集成電路組件體積占據電路板的空間。3、薄小型封裝（TSOP)：廣泛用于存儲器和智能卡。具有鷗翼型表面貼裝技術的管腳沿兩邊粘貼在電路板上相應的壓點。在20世紀90年代被廣泛使用，并且在21世紀仍廣泛使用的集成電路封裝形式。4、四邊形扁平封裝（QFP)：一種在外殼四邊

9、都有高密度分布的管腳（多達256個或者更多）表面貼裝組件。5、具有J型管腳的塑封電極芯片載體（PLCC)：如果不需要過多的I/O數(shù)，這種封裝形式被采用替代QFP.6、無引線芯片載體（LCC)：一種電極被管殼周圍邊緣包起來以保持低剖面的封裝形式。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。12.2.2陶瓷封裝應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：v耐熔（高熔點）陶瓷v薄層陶瓷一、耐熔陶瓷1、耐熔陶瓷基座：由氧化鋁（Al2O3)粉和適當?shù)牟ＡХ奂耙环N有機媒質混合而構成的漿料，被鑄成大約1密耳（1密耳約25微米）厚的薄片，干化，

10、在各層制作用戶連線電路的布線圖案，用金屬化通孔互連不同的層，幾個陶瓷片被精確地碾壓在一起，然后燒結構成一個單一地熔結體。2、耐熔陶瓷種類：可根據燒結溫度地不同分為 高溫共燒結陶瓷（HTCC）燒結溫度1600 C 低溫共燒結陶瓷（LTCC）燒結溫度850 C 到 1050 C 3、耐熔陶瓷封裝材料的挑戰(zhàn)：v高收縮性（使公差難以控制）v高介電常數(shù)（增加了寄生電容，并影響高頻信號）v氧化鋁的電導率（稱為信號延遲的原因）4、陶瓷封裝的形式：最常用的管腳形式是100密耳間距的銅管腳，組成針柵陣列（PGA）管殼，這是為電路板裝配的插孔式管殼。PGA被用于高性能集成電路，PGA管殼經常需要一些散熱片或小風扇

11、排出管殼內產生的熱。二、薄層陶瓷陶瓷封裝的一種低成本方法是在引線鍵合后，將兩個陶瓷件壓在一起，引線框架被定位在它們之間，這種封裝被稱為陶瓷雙列直插，使用低溫玻璃材料將陶瓷層密封。12.3先進的裝配與封裝未來封裝目標：通過增加芯片密度并減少內部互連數(shù)來滿足。目標是具有更少互連的封裝；縮小集成電路管殼的尺寸，適應最終用戶應用和整個外形的新技術設計的需求；增加更多輸入/輸出管腳。先進的封裝設計包括：v倒裝芯片v球柵陣列v板上芯片v卷帶式自動鍵合v多芯片模塊v芯片尺寸封裝v圓片級封裝12.3.1倒裝芯片1、什么是倒裝芯片是將芯片的有源面（具有表面鍵合壓點）面向基座的粘貼封裝技術。2、倒裝芯片的優(yōu)點它是

12、目前從芯片器件到基座之間最短路徑的一種封裝設計，為高速信號提供了良好的電連接。由于不使用引線框架或塑料管殼，所以重量和外型尺寸也有所減小。3、基座材料陶瓷或塑料。4、芯片上的用于鍵合的凸點5Sn和95Pb組成的錫、鉛焊料。5、焊料凸點工藝被稱為C4（controlled collapse chip carrier),由IBM于20世紀60年代開發(fā)。C4工藝C4焊料凸點使用蒸發(fā)或物理氣相淀積（濺射）法淀積在硅的芯片壓點上，壓點上的C4焊料要求要特殊冶金阻擋層（B LM)，BLM提供到壓點良好的C4焊點粘附并禁止擴散。傳統(tǒng)上C4凸點的直徑在10密耳的間距時是4密耳。芯片的C4焊料凸點被定位在相應的

13、基座接觸壓點，用熱空氣加熱，并稍微加壓力，引起C4焊料回流并形成基座和芯片間的電學和物理連接。5、環(huán)氧樹脂填充術為何采用環(huán)氧樹脂填充術？ 關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)失配，嚴重的熱膨脹系數(shù)失配將應力引入C4焊點并由于焊點裂縫引起早期失效，可通過在芯片和基座之間用流動環(huán)氧樹脂填充術使問題得以解決，環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)被匹配到C4焊點，使作用于C4焊點的應力有效地減小，使用填充術，在C4焊點上應力能被減少10倍以上。 6、輸入/輸出管腳數(shù) 倒裝芯片技術是面陣技術，在封裝中可以引入更多的管腳數(shù)。C4焊料凸點被放在整個芯片表面上，增多的管腳有效地利用了芯片的表面積。12.

14、3.2球柵陣列（BGA）基座：基座材料有陶瓷或塑料。塑料基座具有比陶瓷更低的介電常數(shù)，這將因為減少信號傳輸延遲而使高頻性能和高速開關改善?；哂杏糜谶B接基座與電路板的共晶Sn/Pb焊料球面陣列。BGA工藝：使用倒裝芯片C4或引線鍵合技術將芯片粘附到基座的頂部。BGA特點：管腳數(shù)增多，高密度的BGA封裝具有多達2400個管腳，BGA焊球間距通常是40、50或60密耳。12.3.3板上芯片（COB)又被稱為直接芯片粘結（DCA）。使用標準粘貼工藝將芯片環(huán)氧樹脂粘貼并用引線鍵合到基座上（通常是印刷電路板）。在硅芯片周圍沒有管殼，環(huán)氧樹脂直接覆蓋，常稱滴蓋子。圖形游戲卡和智能卡上的應用。12.3.4

15、卷帶式自動鍵合（TAB） 卷帶式自動鍵合是一種多I/O封裝方式，使用塑料帶作為芯片載體。這種塑料帶具有夾在兩層聚合物介質膜之間的薄銅箔，銅被刻蝕以形成與芯片壓點匹配的電極，帶有用于粘附芯片的凸點內電極鍵合區(qū)（ILB）以及可焊料粘附到電路板的外電極區(qū)（OLB）。一旦芯片被粘附在ILB，可用被稱為滴蓋子的環(huán)氧樹脂將芯片覆蓋以進行保護，并將帶卷成卷，用于芯片到電路板的第二級裝配。在裝配過程中，將芯片和電極從帶上取下，電極形成鷗翼，用焊料回流鍵合到電路板上，12.3.5多芯片模塊（MCM)多芯片模塊是一種將幾個芯片固定在同一基座上的封裝形式。最常用的MCM基座是陶瓷或先進的具有高芯片密度的印刷電路板。用厚膜膠將有源和無源組件固定在陶瓷上并連接，方法類似于絲網印刷。優(yōu)點：MCM通過在減少總封裝尺寸和重量同時減少電路電阻和寄生電容。12.3.6芯片尺寸封裝（CSP）為何提出芯片尺寸封裝？因為集成電路封裝設計追求在增強電性能的同時追求更低的成本、更輕的重量以及更薄的厚度，20世紀90年代集成電路封裝接近于硅芯片相同尺寸范圍的發(fā)展，導致芯片尺寸封裝的概念。什么是芯片尺寸封裝？一般定義是小于芯片占地面積（表面積）1.2倍的集成電路封裝形式。當今主要的CSP封裝技術是前面討論的倒裝芯片和BGA法，因為這