緒論ic制造基礎-第一章

芯片封裝工藝及設備機電學院吳小洪課程特點內容：先進性+連貫性2.教材：匯編性+理論性3.學習：課本+課外教學進度周講授內容學時備注1第1章緒論2IC物理基礎及芯片制造工藝簡介2補充內容2第2章芯片互連技術2.1概述芯片粘接工藝及芯片粘接設備的原理2補充內容2.2引線鍵合（WB）技術232.3載帶自動焊（TAB）技術22.4倒裝焊（FCB）技術2.5埋置芯片互連2.6芯片互連方法的比較24第3章插裝元器件的封裝技術TO92三極管的生產工藝及主要設備2LED芯片的封裝工藝及主要設備2補充內容5第4章表面安裝元器件的封裝技術26第5章BGA和CSP的封裝技術2第6章多芯片組件（MCM）第8章未來封裝技術展望27考試2微電子產業(yè)鏈的分工設計制造封裝目前微電子產業(yè)已逐漸演變?yōu)樵O計，制造和封裝三個相對獨立的產業(yè)。IC制作

基本概念微電子產業(yè)：設計、制造、封裝半導體技術與封裝技術前工序與后工序封裝與組裝

什么是封裝？封裝的目的:功能性，可靠性，通用性有源器件與無源器件：前者具有“增益功能和開關功能”。有源器件：

在工作時，其輸出不僅依靠輸入信號，還要依靠電源，或者說，它在電路中起到能量轉換的作用，通常稱之為“器件（device）”。如：三級管、二極管、IC等無源器件：

一般又可以分為耗能元件（如，電阻）、儲能元件（如，電容、電感）、結構元件（如，開關、接插件）。通常稱之為“元件（component）”。本課程學習：有源器件有源器件分類：雙極型集成電路（NPN型、PNP型；電子+空穴導電；速度高、驅動能力強、功耗大）MOS集成電路（金屬-氧化物-半導體，包括NMOS、PMOS、CMOS（互補MOS），電子/空穴導電；功耗小、集成度高、抗干擾強，是LSI的主流）BiMOS（雙極型、MOS的混合；綜合兩者優(yōu)點，但制造工藝復雜）1.1.1微電子封裝技術的演變封裝元器件、組裝方式的發(fā)展過程IC元件發(fā)展：電子管—>三極管—>集成電路—>LSI(大規(guī)模)—>VLSI(超大規(guī)模)—>ULSI(特大規(guī)模)—>GLSI(吉大規(guī)模)封裝形式：插裝元件DIP—>貼片QFP—>PGA—>BGA1900年，真空晶體管，美國無線電之父：德福雷斯特1946年第一臺計算機(ABC?ENIAC?)（當1946年2月在美國莫爾學院研制成功第一臺名為電子數值積分器和計算器（ElectronicNumlerical

Inte-grator

and

Computer）即ENIAC問世的時候，是一個龐然大物，由18000個電子管組成，占地150平方米，重30噸，耗電140KW，足以發(fā)動一輛機車，然而不僅運行速度只有每秒5000次，存儲容量只有千位，而且平均穩(wěn)定運行時間才7分鐘）1947年發(fā)明了晶體管，美國AT&T公司1951年，場效應管發(fā)明1956年,氧化物掩膜技術、光刻技術出現(xiàn)1958年第一塊IC（1.2cm長，5*2個元件，其中1*2個晶體管,4*2個電阻），美國TI公司60年代后期（70年代），SSI、MSI（晶體管21-211）DIP，THT組裝技術80年代：LSI（晶體管211-216）QFP，SMT組裝技術90年代：VLSI（晶體管216-223）BGA2014年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給三位日本科學家赤崎勇、天野浩和中村修二，表彰他們在藍光二極管的研發(fā)方面做出的貢獻。IC發(fā)展歷史速度

5,000次/秒，18000個電子管組成，占地150平方米，重30噸，耗電140KWENIAC194655年后206MHzStrongARM32/64MBRAM(16MBROM)Size:13cmx8.35cmx1.57cm,178g

1.8GHzPentium4256MRAM60GBHDIC發(fā)展歷史：第一臺計算機

1947年美國電報電話公司（AT&T）貝爾實驗室的三位科學家巴丁、布賴頓和肖克萊發(fā)明了第一只晶體管，同時也就開創(chuàng)了微電子封裝的歷史：晶體管要在電路中使用和焊接——外殼和外接引腳；固定晶體管小芯片——支撐芯片的外殼底座；保護芯片、堅固耐用——密封。20世紀50年代：三根引線的TO（TransistorOutline,晶體管外殼)型金屬—玻璃封裝為主→陶瓷、塑料封裝。IC發(fā)展歷史：晶體管與TO封裝世界第一只晶體管(Transistor)世界第一塊集成電路

ICbyJackKilby(TexasInstruments)

1958年（晶體管發(fā)明十年后）,第一塊集成電路（IC）研制成功——內有多個晶體管,輸入/輸出(I/O)引腳數也增加了,推動了外殼的發(fā)展，但仍以TO型金屬—玻璃封裝外殼為主。IC發(fā)展歷史：第一塊IC1）1959年2月杰克-基爾比申請了專利：全部元件（晶體管、電阻、電容）用同一種半導體材料制成、都集成（焊接）在半導體圓片的基片或附近

2）1959年7月諾伊斯申請專利：平面技術（擴散、掩模、照相、光刻……）3）法庭裁決：

集成電路的發(fā)明專利屬于基爾比集成電路的內部連接技術專利權屬于諾伊斯4）2000年一起獲諾貝爾物理獎PGABGADIPQFPIC元器件封裝外形

電子系統(tǒng)小型化、高速化、高可靠性（如電子計算機）：要求元器件小型化、集成化→晶體管越做越小→同時將無源器件和布線同時形成→二維電路→薄膜或厚膜集成電路。

薄膜或厚膜集成電路+有源器件（晶體管)——混合集成電路HIC（HybridIngegratedCircuit)。

將無源器件和布線像晶體管一樣制在一塊硅片(Si)上(電路微型化）——單片集成電路MIC（MonolithicIntegratedCircuit）。

集成26∽211個元器件的中等規(guī)模IC（MediumScaleIntegration,簡稱MSI）。I/O引腳數達到數十個，TO型封裝難以適應

雙排直插式引腳陶瓷封裝DIP（DoubleIn-linePackage)。20世紀70年代中小規(guī)模IC電子封裝的主導產品，后來又開發(fā)出塑封DIP（PDIP）,至今仍在使用。20世紀60年代中期，IC由集成21∽26個元器件的小規(guī)模IC(SmallScaleIntegration,簡稱SSI）

大規(guī)模IC(LargeScaleIntegration,簡稱LSI），集成度從量變到發(fā)生了質變：元器件集成數量增加(107∽108MOS/CM2)，集成對象，可以是一個具有復雜功能的部件(電子計算器),也可以是一臺電子整機（單片電子計算機）。20世紀70年代,一塊硅片已可集成211∽216個元器件20世紀80年代，電子組裝技術出現(xiàn)了一場革命

出現(xiàn)了表面安裝技術SMT（SurfaceMountTechnology），引出了大量的與SMT相適應的表面安裝元器件SMC/SMD（SurfaceMountComponent/Device）電子封裝技術：如無引腳陶瓷片式載體LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）、塑料有引腳片式載體PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）和四邊形引腳扁平封裝QFP（QuadFlatPackage）等。

隨著環(huán)氧樹脂性能的提高，適合于SMT的塑料四邊引腳扁平封裝PQFP（Plastic

QuadFlatPackage）成為20世紀80年代的主導產品。同時由荷蘭菲利蒲公司在20世紀70年代研制的小外形封裝SOP（SmallOutlinePackage）,在中、小規(guī)模的IC及I/O引腳數不多的芯片中也得到了應用。20世紀80∽90年代，出現(xiàn)了超大規(guī)模IC（Very

LargeScaleIntegration,簡稱VLSI）。集成元器件件數216∽221個,I/O引腳數數百個甚至上千個，原先的QFP及其它封裝引腳節(jié)距一再縮小（已到0.3mm的工藝極限）還不能滿足要求,電子封裝引腳由四邊形——面陣型：針柵陣列PGA(PinGridArray)封裝。但PGA有很大缺撼——體積大，太重，制作工藝復雜，成本高，不能用SMT進行表面安裝，難以實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產。20世紀90年代初，新一代的微電子封裝技術——焊球陣列BGA（BallGridArray）封裝的出現(xiàn)，標志著多年來一直落后于芯片發(fā)展的封裝技術，終于能夠適應芯片的發(fā)展步伐。

但封裝的另一個問題：芯片小而封裝大的矛盾，至BGA封裝技術的出現(xiàn)也沒有很好解決。

?

DIP：(15.24X50):(3X3)=85:1(40個I/O引腳的CPU產品)。?

QFP：(28X28):(10X10)=7.8:1(208個引腳,節(jié)距0.5mm)。?

BGA之后,美國和日本又開發(fā)了芯片級封裝?

CSP(ChipSizePackage）：=1.2:1,解決了長期存在的芯片小而封裝大的根本矛盾，足以再次引發(fā)一場革命。?未來：MCM，SOP/SIP……IC元器件封裝的封裝面積與芯片之比

隨著電子技術的進步和信息技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的功能不斷增強，往往要采用多個芯片，將多個未加封裝的通用IC和專用IC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)芯片先按功能安裝在多層布線基板上，再將所有芯片互連后整體封裝起來——多芯片組件MCM（MultiChipModule）。

以上封裝都是限于xy平面的二維2D(Two-Dimensional)電子封裝,在此基礎上又發(fā)展成為三維3D(Three-Dimensional)封裝技術。

從以上所述可以看出,一代芯片必有與之相適應的一代電子封裝。20世紀50∽60年代是TO型封裝，70年代是DIP封裝，80年代是QFP封裝，而90年代則是BGA和MCM封裝時代。

下面分別為封裝技術發(fā)展過程和發(fā)展趨勢圖。

未來的電子封裝——系統(tǒng)級SOP(SystemOnaPackage)或SIP(SystemInaPackage),其典型的封裝是單級集成模塊(SingleLevelIntegratedModule),它是將各類元器件、布線、介質以及各種能用IC芯片和專用IC芯片甚至射頻和光電器件都集成于一個電子封裝系統(tǒng)內。IC元器件封裝的組裝方式1.1.2微電子封裝技術

現(xiàn)在世界正進入電子信息時代，現(xiàn)代電子信息技術飛速發(fā)展，極大地推動著電子產品向多功能、高性能、高可靠、小型化、便攜化和大眾化普及所要求的低成本等方向發(fā)展，而滿足這些要求的基礎與核心乃是IC。要討論IC的發(fā)展，首先要展示電子科技的發(fā)展。1.IC工藝技術及其發(fā)展趨勢：尺寸小、性能高

微電子封裝一向是跟蹤有源器件芯片的發(fā)展而發(fā)展的，而先進微電子封裝則是追隨集成電路芯片的發(fā)展而發(fā)展的。因此，論述微電子封裝的發(fā)展，首先要展示IC的發(fā)展。

下面給出了IC不同品種歷年來的進展及發(fā)展趨勢、IC的集成度發(fā)展趨勢、IC芯片尺寸（面積）發(fā)展趨勢以及IC的特征尺寸逐年減小的發(fā)展趨勢圖。從中可以看出，IC的尺寸、功耗、I/O引腳數、電源電壓及工作頻率將對微電子封裝提出更高的要求，也是影響微電子封裝的主要因素。IC集成度：一塊IC內部擁有的晶體管的數量目前：超過1億（100M）只單位面積芯片數IC特征尺寸：在集成電路領域，特征尺寸是指半導體器件中的最小尺寸。在CMOS工藝中，特征尺寸典型代表為“柵”的寬度，也即MOS器件的溝道長度。2014年已達22nm2000年：奔騰4問世，1.5GHz，采用0.18μm工藝2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工藝。2003年：奔騰4E系列推出，采用90nm工藝。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工藝。2007年：基于全新45納米High-K工藝的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀錄采用了領先的32納米工藝，并且下一代22納米工藝正在研發(fā)。適用頻率越來越高耐溫性能越來越好引腳數增多間距減小重量減小可靠性提高使用更加方便集成電路的規(guī)模:SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、GLSI封裝引腳(I/O)：從幾十根，逐漸增加到幾百根，到目前的2千根SSI：

21∽26個，小規(guī)模IC(SmallScaleIntegration,簡稱SSI）MSI：

26∽211個，中等規(guī)模IC（MediumScaleIntegration,簡稱MSI）LSI：

211∽216個，大規(guī)模IC(LargeScaleIntegration,簡稱LSI）VLSI：

216∽221個，20世紀80∽90年代，出現(xiàn)了超大規(guī)模IC（Very

LargeScaleIntegration,簡稱VLSI）。ULSI：特大規(guī)模集成電路GLSI：吉大規(guī)模集成電路100,000,00010,000,0001,000,000100,00010,0001,000`71`73`75`77`79`81`83`85`87`89`91`93`95`97`99`01晶體管數目快速成長的IC工業(yè)摩爾定律

Moore’sLaw(byGordonMoorein1965)IC上可容納的晶體管數目，約每18個月便會增加一倍，性能也提升一倍40048008808080868088286386486PentiumP-ProP-IIP-IIIP-IV飛躍進展的IC技術速度

5,000次/秒，18000個電子管組成，占地150平方米，重30噸，耗電140KWENIAC194655年后206MHzStrongARM32/64MBRAM(16MBROM)Size:13cmx8.35cmx1.57cm,178g

1.8GHzPentium4256MRAM60GBHD2.三級微電子封裝__典型三級封裝結構封裝與組裝可分為：零級

(單晶內部或多晶之間的晶圓級連接)一級（單晶片或多個晶片組件或元件）二級（印制電路板級的封裝）三級

(整機的組裝)部分零級和一級封裝稱為電子封裝（技術）二級和三級封裝稱為電子組裝（技術）硅棒與晶圓

從由硅圓片制作開始，微電子封裝可以分為三個層次:一級封裝:用封裝外殼將芯片封裝成單芯片組件(SingleChipModule,簡稱SCM）和多芯片組件(MCM)二級封裝:一級封裝和其他組件一同組裝到印刷電路板(PWB)（或其他基板）上三級封裝:將二級封裝插裝到母板(Mother-Board)上。*零級封裝(包括：晶圓制造的芯片內部互連):在這里，硅圓片雖然不作為一封裝層次，但卻是微電子封裝的出發(fā)點和核心。在IC芯片與各級封裝之間，必須通過互連技術將IC芯片焊區(qū)與各級封裝的焊區(qū)連接起來才可形成功能，也有的將這種芯片互連級稱為芯片的零級封裝。(a)導線鍵合（20x）(b)導電帶自動鍵合(10x)(c)焊球植入(50x)幾種晶片級的連接方法3.微電子封裝技術的發(fā)展特點(1)引腳：量多面廣向高密度和高I/O引腳數發(fā)展，引腳由四邊引出向面陣排列發(fā)展(2)安裝：THT---〉SMT向表面安裝式封裝（SMP）發(fā)展，以適合表面安裝技術（SMT）(3)封裝材料：陶瓷---〉塑料從陶瓷封裝向塑料封裝發(fā)展(4)開發(fā)順序：封裝技術---〉芯片技術從注重發(fā)展IC芯片向先發(fā)展后道封裝再發(fā)展芯片轉移?

DIP、SOP：100個I/O引腳。?

PQFP：適宜于300個I/O引腳。?

陶瓷焊柱陣列CCGA（CeramicColumnGridArray）：

可達1089個I/O引腳。?

陶瓷BGA（PBGA）：625個I/O引腳，焊球節(jié)距已達0.5mm。?

塑封BGA（PBGA）：2600個I/O引腳以上。(2)向表面安裝式封裝（SMP）發(fā)展，以適合SMT

下表列出了1996∽2002年各類IC封裝市場分布的統(tǒng)計及預測值，從中可以清楚地看出，SMP在迅速增加，而插裝的DIP等在很快減少。另有如下市場占有率統(tǒng)計結果：

1990199720002002?

DIP：70%25%10%?

SMP：12%73%89%(1)向高密度、高I/O引腳數發(fā)展，引腳由四邊引出向面陣排列發(fā)展10%100%8822017%100%57275100%48800總計-6%-15%-15%4%17%75%

14%2%

16%15%10%<1%<1%<1%<1%3%58%3%17%8%9100

26005130026301530067008%-7%-13%9%30%78%24%5%19%12%25%1%<1%<1%<1%<1%50%4%13%6%1450041535125

23907600316027%1%<1%<1%<1%<1%47%5%13%6%13400445401151009023120227063902830PDIPCDIP其他DIP陶瓷PGA塑封PGABGA/CSPSOPPLCCPQFP其他1996—2002年CAGR2002年數量所占（M）百分比1997年/1996年變化量的百分比1997年統(tǒng)計值數量所占（M）百分比1996年統(tǒng)計值數量所占（M）百分比封裝類型世界常用IC封裝市場分布

(3)從陶瓷封裝向塑料封裝發(fā)展

塑料封裝始終占93%∽95%，而陶瓷封裝從90年的5.6%下降到94年的2%左右。2000年塑料的陶瓷封裝分別占90%和1%。

(4)從注重發(fā)展IC芯片向先發(fā)展后道封裝再發(fā)展芯片轉移

后道封裝對芯片發(fā)展有制約作用，芯片投資大，發(fā)展慢，而后道封裝投資小，見效快，所以各國都紛紛建立獨立的后道封裝廠（如美國、韓國、東南亞及臺灣、香港地區(qū)），前幾年，曾向東南亞轉移，近幾年都看好中國。4.微電子封裝的發(fā)展趨勢

(1)微電子封裝具有的I/O引腳數將更多；

(2)微電子封裝應具有更高的電性能和熱性能；

(3)微電子封裝將更輕、更薄、更?。?/p>

(4)微電子封裝更便于安裝、使用和返修；

(5)微電子封裝可靠性會更高；

(6)微電子封裝性能價格比會更好，而成本會更低。1.1.3微電子封裝技術重要性

封裝并不能增加IC芯片的功能，有時不適宜的封裝反而會使其功能下降。事實上，系統(tǒng)開發(fā)者早就想過不要封裝，直接將芯片安裝到電路基板上。1960年IBM公司開發(fā)的凸點倒裝芯片和AT&T公司開發(fā)的梁式引線技術將該想法實現(xiàn)，并由DelcoElectronicsLucent公司成功地將芯片倒裝焊到陶瓷基板上。但由于封裝后的IC有諸多好處，如對IC加以保護、易于測試、易于傳送、易于返修、引腳便于實行標準化而適于裝配，所以IC芯片仍要進行封裝。

IC的發(fā)展促使微電子封裝的設計和制造不斷向前發(fā)展。反過來，微電子封裝技術的提高，又促進了IC和電子器件的發(fā)展。微電子封裝不但直接影響著IC本身的電性能、熱性能、光性能和機械性能，影響其可靠性和成本，還在很大程度上決定著電子整機系統(tǒng)的小型化、可靠性和成本。電子封裝已作為一個單獨的重要產業(yè)來發(fā)展了。

有關資料統(tǒng)計表明,50年前,每個家庭只有約5只有源器件，今天已擁有10億只以上晶體管了。所以微電子封裝與每個人都是息息相關的。

目前微電子封裝技術已涉及到各類材料、電子、熱學、力學、化學、可靠性等多種學科，是與IC同步發(fā)展的高新技術產業(yè)。1.1.4我國微電子封