芯片互連技術(shù)應(yīng)用講義

1、芯片互連技術(shù)應(yīng)用講義前課回顧1.集成電路芯片封裝工藝流程2.成型技術(shù)分類及其原理 引線鍵合技術(shù)（WB）主要內(nèi)容 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)（TAB） 倒裝芯片鍵合技術(shù)（FCB）引線鍵合技術(shù)概述 引線鍵合技術(shù)是將半導(dǎo)體裸芯片（Die）焊區(qū)與微電子封裝的I/O引線或基板上的金屬布線焊區(qū)（Pad）用金屬細(xì)絲連接起來的工藝技術(shù)。引線鍵合技術(shù)分類和應(yīng)用范圍 常用引線鍵合方式有三種： 熱壓鍵合 超聲鍵合 熱超聲波（金絲球）鍵合 低成本、高可靠、高產(chǎn)量等特點(diǎn)使得WB成為芯片互連主要工藝方法，用于下列封裝:陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP陶瓷和塑料封裝QFP芯片尺寸封裝 (CSP) 提供能量破壞被焊表面的氧化層和污染物

2、，使焊區(qū)金屬產(chǎn)生塑性變形，使得引線與被焊面緊密接觸，達(dá)到原子間引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴(kuò)散而形成焊合點(diǎn)。引線鍵合鍵合接點(diǎn)形狀主要有楔形和球形，兩鍵合接點(diǎn)形狀可以相同或不同。WB技術(shù)作用機(jī)理超聲鍵合：超聲波發(fā)生器使劈刀發(fā)生水平彈性振動(dòng)，同時(shí)施加向下壓力。劈刀在兩種力作用下帶動(dòng)引線在焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，引線發(fā)生塑性變形，與鍵合區(qū)緊密接觸完成焊接。常用于Al絲鍵合，鍵合點(diǎn)兩端都是楔形 。熱壓鍵合：利用加壓和加熱，使金屬絲與焊區(qū)接觸面原子間達(dá)到原子引力范圍，實(shí)現(xiàn)鍵合。一端是球形，一端是楔形 ，常用于Au絲鍵合。金絲球鍵合：用于Au和Cu絲的鍵合。采用超聲波能量，鍵合時(shí)要提供外加熱源。WB技術(shù)作用機(jī)理

3、 球形鍵合 第一鍵合點(diǎn) 第二鍵合點(diǎn) 楔形鍵合 第一鍵合點(diǎn) 第二鍵合點(diǎn) 引線鍵合接點(diǎn)外形采用導(dǎo)線鍵合的芯片互連引線鍵合技術(shù)實(shí)例不同鍵合方法采用的鍵合材料也有所不同： 熱壓鍵合和金絲球鍵合主要選用金（Au）絲，超聲鍵合則主要采用鋁（Al）絲和Si-Al絲（Al-Mg-Si、Al-Cu等） 鍵合金絲是指純度約為99.99，線徑為l850m的高純金合金絲，為了增加機(jī)械強(qiáng)度，金絲中往往加入鈹(Be)或銅。 WB線材及其可靠度鍵合對(duì)金屬材料特性的要求： 可塑性好，易保持一定形狀，化學(xué)穩(wěn)定性好；盡量少形成金屬間化合物，鍵合引線和焊盤金屬間形成低電阻歐姆接觸。WB線材及其可靠度柯肯達(dá)爾效應(yīng)：兩種擴(kuò)散速率不同的

4、金屬交互擴(kuò)散形成缺陷：如Al-Au鍵合后，Au向Al中迅速擴(kuò)散，產(chǎn)生接觸面空洞。通過控制鍵合時(shí)間和溫度可較少此現(xiàn)象。金屬間化合物形成常見于Au-Al鍵合系統(tǒng)引線彎曲疲勞引線鍵合點(diǎn)跟部出現(xiàn)裂紋。 鍵合脫離指鍵合點(diǎn)頸部斷裂造成電開路。 鍵合點(diǎn)和焊盤腐蝕 腐蝕可導(dǎo)致引線一端或兩端完全斷開，從而使引線在封裝內(nèi)自由活動(dòng)并造成短路。WB可靠性問題載帶自動(dòng)鍵合（TAB）技術(shù)概述 載帶自動(dòng)焊(Tape Automated Bonding，TAB)技術(shù)是一種將芯片組裝在金屬化柔性高分子聚合物載帶上的集成電路封裝技術(shù)；將芯片焊區(qū)與電子封裝體外殼的I/O或基板上的布線焊區(qū)用有引線圖形金屬箔絲連接，是芯片引腳框架的一

5、種互連工藝。TAB技術(shù)分類 TAB按其結(jié)構(gòu)和形狀可分為Cu箔單層帶、Cu-PI雙層帶、Cu-粘接劑-PI三層帶和Cu-PI-Cu雙金屬帶等四種。 TAB技術(shù)首先在高聚物上做好元件引腳的引線框架，然后將芯片按其鍵合區(qū)對(duì)應(yīng)放在上面，然后通過熱電極一次將所有的引線進(jìn)行鍵合。 TAB工藝主要是先在芯片上形成凸點(diǎn)，將芯片上的凸點(diǎn)同載帶上的焊點(diǎn)通過引線壓焊機(jī)自動(dòng)的鍵合在一起，然后對(duì)芯片進(jìn)行密封保護(hù)。載帶自動(dòng)鍵合（TAB）技術(shù)TAB技術(shù)工藝流程TAB技術(shù)工藝流程TAB技術(shù)工藝流程TAB關(guān)鍵技術(shù) TAB工藝關(guān)鍵部分有：芯片凸點(diǎn)制作、TAB載帶制作和內(nèi)、外引線焊接等。TAB關(guān)鍵技術(shù)-凸點(diǎn)制作載帶制作工藝實(shí)例Cu

6、箔單層帶 沖制標(biāo)準(zhǔn)定位傳送孔 Cu箔清洗 Cu箔疊層 Cu箔涂光刻膠（雙面）刻蝕形成Cu線圖樣導(dǎo)電圖樣Cu鍍錫退火內(nèi)引線鍵合 (ILB) 內(nèi)引線鍵合是將裸芯片組裝到TAB載帶上的技術(shù)，通常采用熱壓焊方法。焊接工具是由硬質(zhì)金屬或鉆石制成的熱電極。當(dāng)芯片凸點(diǎn)是軟金屬，而載帶Cu箔引線也鍍這類金屬時(shí)，則用“群壓焊”。TAB關(guān)鍵技術(shù)-封膠保護(hù)然后，篩選與測(cè)試外引線鍵合 OLB測(cè)試完成TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料1）基帶材料 基帶材料要求高溫性能好、熱匹配性好、收縮率小、機(jī)械強(qiáng)度高等，聚酰亞胺（PI）是良好的基帶材料，但成本較高，此外，可采用聚酯類材料作為基帶。2）TAB金屬材料 制作TAB引線圖形的金屬材料常

7、用Cu箔，少數(shù)采用Al箔：導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性及機(jī)械強(qiáng)度、延展性。3）凸點(diǎn)金屬材料 芯片焊區(qū)金屬通常為Al，在金屬膜外部淀積制作粘附層和鈍化層，防止凸點(diǎn)金屬與Al互擴(kuò)散。典型的凸點(diǎn)金屬材料多為Au或Au合金。TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料TAB的優(yōu)點(diǎn)1）TAB結(jié)構(gòu)輕、薄、短、小，封裝高度1mm2）TAB電極尺寸、電極與焊區(qū)間距較之WB小3）TAB容納I/O引腳數(shù)更多，安裝密度高4）TAB引線電阻、電容、電感小，有更好的電性能5）可對(duì)裸芯片進(jìn)行篩選和測(cè)試6）采用Cu箔引線，導(dǎo)電導(dǎo)熱好，機(jī)械強(qiáng)度高7）TAB鍵合點(diǎn)抗鍵合拉力比WB高8）TAB采用標(biāo)準(zhǔn)化卷軸長(zhǎng)帶，對(duì)芯片實(shí)行多點(diǎn)一次焊接，自動(dòng)化程度

8、高倒裝芯片鍵合技術(shù) 倒裝芯片鍵合（FCB）是指將裸芯片面朝下，芯片焊區(qū)與基板焊區(qū)直接互連的一種鍵合方法：通過芯片上的凸點(diǎn)直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而WB和TAB則是將芯片面朝上進(jìn)行互連的。由于芯片通過凸點(diǎn)直接連接基板和載體上，倒裝芯片又稱為DCA（Direct Chip Attach ） FCB省掉了互連引線，互連線產(chǎn)生的互連電容、電阻和電感均比WB和TAB小很多，電性能優(yōu)越。倒裝芯片鍵合技術(shù)凸點(diǎn)下金屬層(UBM) 芯片上的凸點(diǎn)，實(shí)際上包括凸點(diǎn)及處在凸點(diǎn)和鋁電極之間的多層金屬膜(Under Bump Metallurgy)，一般稱為凸點(diǎn)下金屬層，主要起到粘附和擴(kuò)散阻擋的作用

9、。 倒裝芯片鍵合技術(shù)應(yīng)用凸點(diǎn)類型和特點(diǎn) 按材料可分為焊料凸點(diǎn)、Au凸點(diǎn)和Cu凸點(diǎn)等按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可分為：周邊性和面陣型按凸點(diǎn)形狀可分為蘑菇型、直狀、球形等FCB技術(shù)-芯片凸點(diǎn)類型 形成凸點(diǎn)的工藝技術(shù)有很多種，主要包括蒸發(fā)/濺射凸點(diǎn)制作法、電鍍凸點(diǎn)制作法、置球法和模板制作焊料凸點(diǎn)法等。FCB技術(shù)-凸點(diǎn)制作方法 制作出來的凸點(diǎn)芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可以在PCB上直接將芯片進(jìn)行FCB焊接。 將芯片焊接到基板上時(shí)需要在基板焊盤上制作金屬焊區(qū)，以保證芯片上凸點(diǎn)和基板之間有良好的接觸和連接。金屬焊區(qū)通常的金屬層包括： Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工藝）和Au-Ni-Cu（薄膜工藝）PCB的焊區(qū)金屬化與基板相類似。FCB技術(shù)-凸點(diǎn)芯片的倒裝焊接倒裝焊接工藝 熱壓或熱聲倒裝焊接：調(diào)準(zhǔn)對(duì)位-落焊頭壓焊（加熱）FCB技術(shù)-凸點(diǎn)芯片的倒裝焊接再流倒裝焊接（C4技術(shù)）對(duì)錫鉛焊料凸點(diǎn)進(jìn)行再流焊接FCB鍵合技術(shù)- 再流倒裝焊接環(huán)氧樹脂光固化倒裝焊接法各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊接法倒裝芯片鍵合技術(shù)-其他焊接方法 利用光敏樹脂固化時(shí)產(chǎn)生的收縮力將凸點(diǎn)和基板上金屬焊區(qū)互連在一起。倒裝芯片下填充目的：緩沖焊點(diǎn)受機(jī)械振動(dòng)和CTE失配導(dǎo)致基板對(duì)芯片拉力作用引起的焊點(diǎn)裂紋和