微電子封裝技術(shù)第2章-封裝工藝流程課件

1、微電子封裝技術(shù)董海青 李榮茂第2章 封裝工藝流程2.1 流程概述2.2 芯片減薄2.3 芯片切割2.4 芯片貼裝2.5 芯片互連技術(shù)2.6 成形技術(shù)2.7 后續(xù)工藝2.1 流程概述 芯片封裝工藝流程一般可以分為兩個(gè)部分：前段操作和后段操作。前段操作一般是指用塑料封裝（固封）之前的工藝步驟，后段操作是指成形之后的工藝步驟。 封裝技術(shù)的基本工藝流程為：硅片減薄硅片切割芯片貼裝芯片互連成形技術(shù)去飛邊毛刺切筋成形上焊錫打碼等。2.2芯片減薄 目前大批量生產(chǎn)所用到的主流硅片多為6in、8in和12in，由于硅片直徑不斷增大，為了增加其機(jī)械強(qiáng)度，厚度也相應(yīng)地增加，這就給芯片的切割帶來了困難，所以在封裝之前

2、要進(jìn)行減薄處理。 硅片的背面減薄技術(shù)主要有磨削、研磨、干式拋光、化學(xué)機(jī)械平坦工藝、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕、等離子增強(qiáng)化學(xué)腐蝕、常壓等離子腐蝕等。2.2芯片減薄磨削的磨輪及工作示意圖2.3芯片切割 硅片減薄后粘貼在一個(gè)帶有金屬環(huán)或塑料框架的薄膜（藍(lán)膜）上，送到芯片切割機(jī)進(jìn)行切割，切割過程中，藍(lán)膜起到了固定芯片位置的作用。 切割的方式可以分為刀片切割和激光切割兩個(gè)大類。 作為切割工藝的改進(jìn)，相繼又開發(fā)出先切割后減薄和減薄切割方法。2.3芯片切割先切割后減薄DBG法示意圖2.4芯片貼裝 芯片貼裝也稱為芯片粘貼，是將芯片固定于框架或封裝基板上的工藝過程。 貼裝的方式主要共晶粘貼法、焊接粘貼法、導(dǎo)電膠粘貼

3、法和玻璃膠粘貼法。2.4芯片貼裝 共晶粘貼法是利用金-硅合金（一般是69%的金和31%的Si），在363時(shí)的共晶熔合反應(yīng)使IC芯片粘貼固定。 一般的工藝方法是將硅片置于已鍍金膜的陶瓷基板芯片座上，再加熱至約425，借助金-硅共晶反應(yīng)液面的移動(dòng)使硅逐漸擴(kuò)散至金中而形成的緊密結(jié)合。2.4芯片貼裝 共晶粘貼法示意圖2.4芯片貼裝 焊接粘貼法工藝是將芯片背面淀積一定厚度的Au或Ni，同時(shí)在焊盤上淀積Au-Pd-Ag和Cu的金屬層。 其優(yōu)點(diǎn)是熱傳導(dǎo)好。工藝是將芯片背面淀積一定厚度的Au或Ni，同時(shí)在焊盤上淀積Au-Pd-Ag和Cu的金屬層。這樣就可以使用Pb-Sn合金制作的合金焊料將芯片焊接在焊盤上。焊

4、接溫度取決于Pb-Sn合金的具體成分比例。2.4芯片貼裝 導(dǎo)電膠粘貼法不要求芯片背面和基板具有金屬化層，芯片座粘貼后，用導(dǎo)電膠固化要求的溫度時(shí)間進(jìn)行固化，可以在潔凈的烘箱中完成固化，操作起來比較簡便易行。 導(dǎo)電膠進(jìn)行芯片貼裝的工藝過程如下：用針筒或注射器將黏著劑涂布在芯片焊盤上，然后將芯片精確地放置到焊盤的黏著劑上面。 導(dǎo)電膠粘貼法的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性不好，容易在高溫時(shí)發(fā)生劣化及引發(fā)黏著劑中有機(jī)物氣體成分泄露而降低產(chǎn)品的可靠度，因此不適用于高可靠度要求的封裝。2.4芯片貼裝 玻璃膠粘貼芯片時(shí)，先以蓋印、網(wǎng)印、點(diǎn)膠等技術(shù)將玻璃膠原料涂布在基板的芯片座上，將IC芯片放置在玻璃膠上后，再將封裝基板加熱至

5、玻璃熔融溫度以上即可完成粘貼。 玻璃膠粘貼法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到無空隙、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、低結(jié)合應(yīng)力與低濕氣含量的芯片粘貼；其缺點(diǎn)是玻璃膠中的有機(jī)成分與溶劑必須在熱處理時(shí)完全去除，否則對封裝結(jié)構(gòu)及其可靠度將有所損害。2.5 芯片互連技術(shù) 將芯片壓焊塊與封裝外殼的引腳相連接，使芯片實(shí)現(xiàn)既定的電路功能。芯片互連常見的方法有（Wire Bonding，WB）、載帶自動(dòng)鍵合（Tap Automated Bonding，TAB）、倒裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding，F(xiàn)CB）三種。2.5 芯片互連技術(shù)芯片互連的示意圖2.5.1 打線鍵合 WB是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與微電子封裝的I/O引線或基板上的金屬布

6、線焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來的工藝技術(shù)。 主要的打線鍵合方式有熱壓鍵合（Thermocompression Bonding，也稱為T/C Bonding）、超聲波鍵合（Ultrasonic Bonding，也稱為U/S Bonding）和熱超聲波鍵合（Thermosonic Bonding，也稱為T/S Bonding）三種。2.5.1 打線鍵合 熱壓鍵合技術(shù) 熱壓鍵合技術(shù)利用加熱和加壓力，使金屬絲與Al或Au的金屬焊區(qū)壓焊在一起。通過加熱和壓力，使焊區(qū)金屬發(fā)生塑性形變，同時(shí)破壞壓焊界面上的氧化層，使壓焊的金屬絲與焊區(qū)金屬接觸面的原子間達(dá)到原子引力范圍，從而使原子間產(chǎn)生吸引力，達(dá)到“鍵合”目的。2

7、.5.1 打線鍵合 熱壓鍵合技術(shù)2.5.1 打線鍵合熱壓鍵合技術(shù)2.5.1 打線鍵合超聲波鍵合 又稱超聲焊，利用超聲波產(chǎn)生的能量，通過磁致伸縮換能器，在超高頻磁場感應(yīng)下，迅速伸縮而產(chǎn)生彈性振動(dòng)，經(jīng)變幅桿傳給劈刀，使劈刀相應(yīng)振動(dòng)；同時(shí)，在劈刀上施加壓力。劈刀在這兩種力的共同作用下，帶動(dòng)金屬絲在被焊區(qū)的金屬化層表面迅速摩擦，使金屬絲和金屬表面產(chǎn)生塑性形變。2.5.1 打線鍵合超聲波鍵合2.5.1 打線鍵合熱超聲波鍵合 熱超聲波鍵合技術(shù)為熱壓鍵合技術(shù)與超聲波鍵合技術(shù)的混合技術(shù)。熱超聲波鍵合必須首先在金屬線末端成球，再使用超聲波脈沖進(jìn)行金屬線與金屬焊區(qū)的鍵合。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料 不同的

8、鍵合方法，所選用的引線鍵合材料也不同。 熱壓焊、金絲球焊主要選用Au絲，超聲焊主要用Al絲和Si-Al絲。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料金絲 具有優(yōu)良的抗氧化性。金絲線表面要光滑和清潔以保證強(qiáng)度和防止絲線堵塞，純金具有很好的抗拉強(qiáng)度和延展率，比較常用的金線純度為99.99%。為了增加其機(jī)械強(qiáng)度，一般加入鈹（Be）或者銅（Cu）。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料鋁絲 鋁絲是超聲波鍵合最常見的引線材料，標(biāo)準(zhǔn)的鋁絲一般加入1% Si或者1% Mg以提高強(qiáng)度。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料銅絲 銅材料相對便宜，資源充足，在塑料封裝中抗波動(dòng)（在垂直長度方向平面內(nèi)晃動(dòng)）能力強(qiáng)，使用中主要問題是鍵

9、合性問題，需要加保護(hù)氣體以避免被氧化。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料銀絲 銀絲的主要優(yōu)點(diǎn)有：銀對可見光的反射率高達(dá)90%，在LED應(yīng)用中有增光效果；銀對熱的反射或排除也居金屬之冠，因此可以降低芯片溫度，延長LED壽命；銀的耐電流性大于金和銅；銀絲比銅絲好存放。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的材料合金絲 比較常用的合金絲主要有Au-Al 絲和Au-Cu絲。需要注意的是，為減小金屬絲的硬度，改善其延展性，并凈化表面，用作鍵合的金屬絲一般要經(jīng)過退火處理，對所壓焊的底層金屬也作相應(yīng)的退火處理。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的可靠度 影響打線鍵合可靠度的因素包括應(yīng)力變化、封膠和芯片粘貼材料與線材的反應(yīng)、

10、腐蝕、金屬間化合物形成與晶粒成長引致的疲勞及淺變因素等影響。鍵合的可靠度常通常以拉力試驗(yàn)與鍵合點(diǎn)剪切試驗(yàn)檢查測試。2.5.1 打線鍵合打線鍵合的設(shè)計(jì) 引線彎曲疲勞、鍵合點(diǎn)剪切疲勞、相互擴(kuò)散、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、腐蝕、枝晶生長、電氣噪聲、振動(dòng)疲勞、電阻改變、焊盤開裂是要考慮的方面。 其主要因素有：1）芯片技術(shù)、材料和厚度。2）鍵合焊盤材料、間距、尺寸。3）時(shí)鐘頻率、輸出高或者低電壓。4）每單位長度的最大允許互連電阻。5）最大的輸出電容負(fù)載。6）晶體管導(dǎo)電電阻。7）最大的互連電感。2.5.1 打線鍵合鍵合材料選擇 引線要考慮以下因素：材料、絲線直徑、電導(dǎo)率、剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、柏松比、硬度、熱

11、膨脹系數(shù)等是關(guān)鍵因素。 焊盤材料要考慮以下因素：電導(dǎo)率、可鍵合性、形成IMC和柯肯達(dá)爾效應(yīng)傾向、硬度、抗腐蝕能力、熱膨脹系數(shù)。2.5.1 打線鍵合清洗 為了保證很好的鍵合性和可靠性，材料的表面污染是個(gè)極其重要的問題，則清洗至關(guān)重要。 常用的清洗方法有：分子清洗、等離子體清洗和紫外線臭氧清洗。Cl-和F-很難被這些方法清洗，因?yàn)槭腔瘜W(xué)結(jié)合，于是各種溶劑清洗技術(shù)如氣相氟碳化合物、去離子水等可選用。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù) TAB技術(shù)就是將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區(qū)用具有引線圖形金屬箔絲連接的技術(shù)工藝。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù) T

12、AB技術(shù)就是將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區(qū)用具有引線圖形金屬箔絲連接的技術(shù)工藝。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)輕、薄、短、小；電極寬度電極節(jié)距小；更高的I/O引腳數(shù)；引線寄生效應(yīng)??；方便芯片篩選和測試；Cu箔引線，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好，機(jī)械強(qiáng)度高；鍵合拉力大；2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)分類： TAB技術(shù)中的載帶按其結(jié)構(gòu)和形狀可以分為Cu箔單層帶、PI雙層帶、Cu-粘接劑-PI三層帶和Cu-PI-Cu雙金屬帶四種，以三層帶和雙層帶使用居多。2.

13、5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵材料： TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料包括基帶材料、Cu箔引線材料和芯片凸點(diǎn)金屬材料。 基帶材料要求高溫性能好，與Cu箔的粘結(jié)性好，耐高溫，熱匹配性好，收縮率小且尺寸穩(wěn)定，抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，吸水率低。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵材料： 引線材料要求導(dǎo)電性能好，強(qiáng)度高，延展性和表面平滑性良好，與各種基帶粘貼牢固，不易剝離； 常用的凸點(diǎn)金屬材料一般包括Au、Cu/Au、Au/Sn、Pb/Sn等。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技

14、術(shù)關(guān)鍵技術(shù)： 一是芯片凸點(diǎn)的制作技術(shù)； 二是TAB載帶的制作技術(shù)； 三是載帶引線與芯片凸點(diǎn)的內(nèi)引線焊接技術(shù)和載帶外引線的焊接技術(shù)。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：芯片凸點(diǎn)的制作技術(shù) IC芯片制作完成后，表面均鍍有鈍化保護(hù)層，厚度高于電路鍵合點(diǎn)，因此必須在IC芯片的鍵合點(diǎn)上或TAB載帶的內(nèi)引腳前端先生長鍵合凸塊才能進(jìn)行后續(xù)的鍵合。TAB技術(shù)根據(jù)凸塊位置區(qū)分為凸塊式TAB與凸塊式芯片TAB兩類。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：芯片凸點(diǎn)的制作技術(shù) 對于TAB所使用的凸點(diǎn)（

15、多為Au）來說，凸點(diǎn)的形狀一般有蘑菇狀凸點(diǎn)和柱狀凸點(diǎn)兩種。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：芯片凸點(diǎn)的制作技術(shù)2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：載帶的制作技術(shù) 根據(jù)用戶使用要求和I/O引腳的數(shù)量、電性能要求的高低（決定是否進(jìn)行篩選和測試）以及成本的要求等，來確定選擇單層帶、雙層帶、三層帶或雙金屬層帶。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：載帶的制作技術(shù) TAB載帶的制作技術(shù)包括單層制作技術(shù)、雙層制作技術(shù)、三層制作技術(shù)和雙金屬層制作技術(shù)。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵

16、技術(shù)：焊接技術(shù) TAB的焊接技術(shù)包括載帶內(nèi)引線與芯片凸點(diǎn)之間的內(nèi)引線焊接和載帶外引線與外殼或基板之間的外引線焊接兩大部分，還包括內(nèi)引線焊接后的芯片焊點(diǎn)保護(hù)以及篩選和測試等。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：焊接技術(shù) 將載帶內(nèi)引線鍵合區(qū)與芯片凸點(diǎn)焊接的方法主要是熱壓焊和熱壓再流焊。 焊接時(shí)的主要工藝操作為對位、焊接、抬起和芯片傳送四步。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：焊接技術(shù) TAB外引線焊接既可以按照常規(guī)方法進(jìn)行焊接，這時(shí)芯片面朝上；也可以將芯片面朝下對外引線進(jìn)行焊接，此時(shí)稱倒裝TAB。2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶

17、自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)2.5.2載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)載帶自動(dòng)焊（TAB）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：焊接技術(shù) 將凸點(diǎn)制作在載帶Cu箔內(nèi)引線鍵合區(qū)上的TAB技術(shù)就稱為凸點(diǎn)載帶自動(dòng)焊（BTAB）技術(shù)。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù) FCB則是芯片朝下，芯片上的焊區(qū)直接與基板上的焊區(qū)互連。 互連線非常短，互聯(lián)產(chǎn)生的雜散電容、互聯(lián)電阻和互聯(lián)電感均比WB和TAB小得多。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù)2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù)芯片凸點(diǎn)： 多層金屬化，先形成一層粘附性好粘附金屬，數(shù)十納米厚度的Cr、Ti、Ni層；在粘附金屬層上形成一層數(shù)十至數(shù)百納米的阻擋層

18、金屬，如Pt、W、Pd、Mo、Cu、Ni等，最上層是導(dǎo)電的凸點(diǎn)金屬，如Au、Cu、Ni、Pb-Sn、In等。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù)芯片凸點(diǎn)： 按照凸點(diǎn)形狀分類，有蘑菇狀、柱狀（方形、圓柱形）、球形和疊層幾種。按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分類，有周邊分布凸點(diǎn)和面陣分布凸點(diǎn)等。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù)芯片凸點(diǎn)： 形成凸點(diǎn)的工藝技術(shù)多種多樣，主要有蒸發(fā)/濺射法、電鍍法、化學(xué)鍍法、機(jī)械打球法、激光法、置球和模板印刷法、移植法、疊層制作法和柔性凸點(diǎn)制作法等。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù)芯片凸點(diǎn)： 倒裝焊的工藝方法主要有以下幾種：熱壓焊倒裝焊法、再

19、流倒裝焊法、環(huán)氧樹脂光固化倒裝焊法和各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊法。2.5.3倒裝焊（FCB）技術(shù)倒裝焊（FCB）技術(shù) 在倒裝焊完成后，需要在基板與芯片之間填充環(huán)氧樹脂。可以保護(hù)芯片免受環(huán)境影響，耐受機(jī)械振動(dòng)和沖擊；可以減小芯片與基板間熱膨脹系數(shù)適配的影響，起到緩沖的作用；可以使得應(yīng)力和應(yīng)變再分配，緩解芯片中心及四角部分凸點(diǎn)連接處應(yīng)力和應(yīng)變過于集中。2.6 成形技術(shù) 常見的成形技術(shù)主要有金屬封裝、塑料封裝、陶瓷封裝等，但是從成本的角度和其他方面綜合考慮，塑料封裝是最常用的封裝方式。2.6 成形技術(shù)塑料封裝：轉(zhuǎn)移成形技術(shù) 主要包括轉(zhuǎn)移成形技術(shù)、噴射成形技術(shù)和預(yù)成形技術(shù)等。最主要的是轉(zhuǎn)移成形技術(shù)，所使用的材料主要是熱固性聚合物，是指低溫時(shí)聚合物是塑性的或流動(dòng)的，但是將其加熱到一