集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷課件

第五章微電子封裝技術(shù)第五章1金屬化布線陶瓷封裝外殼導(dǎo)電膠芯片低熔點玻璃陶瓷蓋板封裝外殼的設(shè)計封接的設(shè)計引線和引線架的設(shè)計一、集成電路封裝的設(shè)計金屬化布線陶瓷封裝外殼導(dǎo)電膠芯片低熔點玻璃陶瓷蓋板封裝外殼的2陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷蓋板封裝外殼的設(shè)計封接的設(shè)計引線和引線架的設(shè)計二、集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷蓋板封裝外殼的設(shè)計封接的設(shè)計引3集成電路外殼是構(gòu)成集成電路整體的一個主要組成部分。它不僅僅對集成電路芯片起著一個單純的機械保護和芯片電極向外過渡連接的作用，而且對集成電路芯片的各種功能參數(shù)的正確實現(xiàn)和電路使用場所要求的環(huán)境條件，以及體現(xiàn)電路特點，都起著根本的保證作用。1、封裝外殼的設(shè)計集成電路外殼是構(gòu)成集成電路整體的一個主要組成部4封裝外殼的設(shè)計要求封裝外殼的設(shè)計要求5外殼設(shè)計的主要原則外殼設(shè)計是一項綜合性工作，需要對總體布局、結(jié)構(gòu)尺寸、材料選擇以及制造工藝和成本等方面進行分折選定出一個最佳方案。電設(shè)計和熱設(shè)計外殼設(shè)計最主要考慮的問題電性能、熱性能和使用場所，外殼設(shè)計的主要原則電設(shè)計和熱設(shè)計外殼設(shè)計最主要考慮的問題電性6（1）外殼的電性能設(shè)計原則對任一集成電路的封裝外殼都要求具有一定的電性能，以保證相互匹配而不致對整個集成電路的性能產(chǎn)生失誤或失隊其中又以超高頻外殼更為突出。

①分布電容和電感當集成電路處在超高頻狀態(tài)下工作時，由于外殼金屬體所形成的分布電容和分布電感常會起不必要的反饋和自激，從而使集成電路的功率增益下降、損耗增加，所以在一般情況下，都希望外殼的分布電容與分布電感愈小愈好。（1）外殼的電性能設(shè)計原則①分布電容和電感7

②特性阻抗在超高頻范圍內(nèi)工作的集成電路，當傳輸線中有信號傳遞時，如在中途因阻抗不匹配就會引起信號反射損耗，使傳輸?shù)男盘枩p弱。因此，要求外殼能保證電路有恒定特性阻抗值(國內(nèi)一般使用50Ω或75Ω的傳輸線)。’③電磁屏蔽在放大電路中，當使用金屬外殼時，由于屏蔽作用使金屬外殼相當于一只矩形波導(dǎo)，在這波導(dǎo)中，放大電路的各級元器件都對它起電磁場的激勵作用，其中以末級元器件的激勵最強，這樣因屏蔽外殼的耦合，很容易引起寄生反饋。為了消防這些影響，應(yīng)將外殼做得長一點。②特性阻抗③電磁屏蔽8④引線電阻集成電路封裝外殼的引線電阻決定于所用的材料和引線的幾何形狀。在陶瓷外殼中，引線電阻又與陶瓷金屬化材料和圖形尺寸有關(guān)。若引線電阻過大，則會使電路增加一個不必要的電壓降，從而使整個電路的功耗增大，并且影響了電路的性能。④引線電阻9⑤絕緣電阻

集成電路封裝外殼的絕緣電阻，通常是兩相鄰的引線間或任一引線與金屬底座間的電阻值。這個數(shù)值的大小不僅與引線間的距離和外殼結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與絕緣體的絕緣性能與環(huán)境條件有關(guān)。外殼絕緣電阻的降低將會導(dǎo)致電極問的漏電流增大，使整個集成電路的性能下降或變壞，這對MOS集成電路則更為突出。絕緣電阻可分為體積電阻和表面電阻．前者的性能好壞決定于本身內(nèi)在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)．而后者則與所處環(huán)境條件及材料表面狀態(tài)有關(guān)，特別是水分、潮氣對材料表面電阻影響甚大。因此在進行封裝外殼設(shè)計時，要注意結(jié)構(gòu)安排的合理性，并考慮到材料加工后的表面狀態(tài)，應(yīng)盡量選用一些表面抗電強度和絕緣電阻高的材料。⑤絕緣電阻10⑥光電外殼在實際應(yīng)用中具有光電轉(zhuǎn)換性能的集成電路已經(jīng)為數(shù)不少，數(shù)字電路中的可改寫只讀存儲器(EPROM)則是其中最好的一個例子。但是要使集成電路能夠具備這樣的功能，就必須要有一個類似窗戶一樣的結(jié)構(gòu)，使各種不同的光能夠透射進去，這樣才能達到光電轉(zhuǎn)換的目的。為此這類集成電路的封裝外殼需具有特殊的“光窗”結(jié)構(gòu)形式。這類具有光窗的集成電路封裝外殼，我們稱它為光電外殼，光窗的結(jié)構(gòu)和所用的材料是設(shè)計光電外殼時應(yīng)考慮的主要問題。首先要搞清楚需要透過什么樣波長的光，如紅外光、紫外光或可見光；其次是透光的強度；最后還要考慮外殼對其他不需要的光如何進行掩蔽，這樣才能根據(jù)已知的條件來進行設(shè)計光電外完。⑥光電外殼11（2）外殼的熱性能設(shè)計原則隨著集成電路的組裝密度不斷增大，將導(dǎo)致功率密度也相應(yīng)的提高，集成電路單位體積發(fā)熱量也有所增加。在外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計上如果不能及時地將芯片內(nèi)所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，設(shè)法抑制集成電路的溫升，必然對集成電路的可靠性產(chǎn)生極為嚴重的影響。為此，封裝外殼的熱設(shè)計是一個至關(guān)重要的課題。在進行封裝外殼的熱設(shè)計時，需要估計集成電路芯片由于電功率的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量如何通過外殼散發(fā)到周圍環(huán)境中去。（2）外殼的熱性能設(shè)計原則在進行封裝外12IC芯片內(nèi)引線封裝樹脂基板散熱問題氧化鋁、氮化硅、氧化鈹

改善底座和散熱板的接觸狀態(tài)加大散熱板的面積改變散熱材料，將散熱板的熱阻降低。IC芯片內(nèi)引線封裝樹脂基板散熱問題氧化鋁、氮化硅、氧化鈹13

2、引線和引線架的設(shè)計引線和引線框架是構(gòu)成集成電路封裝外殼的主要組成零件。它的作用就是通過引線能夠把電路芯片的各個功能瑞與外部連接起來。由于集成電路的封裝外殼的種類甚多，結(jié)構(gòu)形成也不一樣，因此其引線的圖形尺寸和使用材料也都各有特點，在集成電路使用過程中，由于引線加工和材料使用不當而造成封裝外殼的引線斷裂和脫焊等事例為數(shù)不少，因而如何提高引線質(zhì)量、改進制造技術(shù)和開發(fā)一些新型引線是很重要的。2、引線和引線架的14引線的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)封裝外殼整體要求來設(shè)計的。如金屬圓形外殼，其引線是直接封接在電真空玻璃中，為了便于與內(nèi)引線鍵合，上端焊接點要求平整、光潔，甚至要求打平以增加焊接面積。因此這種引線都是圓形的，是用金屬絲材或棒材加工而成的。對于各類扁平式和雙列式外殼，其引線有的是封接在電真空玻璃中；有的是釬焊在陶瓷基體的側(cè)面或底面l，因此這種引線都是矩形的，是用金屬帶材或板材沖壓而成的。這種引線除了要保證兩引線間具有一定的距離外，而且在使用時要按一定的規(guī)格進行排列和不致松散，所以要設(shè)計成引線框架形式。這樣在集成電路組裝中它既能起到整齊排列的作用，也能達到保護引線的目的(在老化測試前，剪去多余的連條部分，就成為我們所需要的引線)。引線的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)封裝外殼整體要求來設(shè)計的。15集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷課件163、封接設(shè)計

封接材料3、封接設(shè)計封接材料17根據(jù)低溫封接的特定要求，封接材料必須具備以下幾個條件：①封接材料的軟化溫度要低，應(yīng)保證能在足夠低的溫度條件下進行封接，以免封接溫度過高而導(dǎo)致芯片上金屬連線球化或引線框架變形變壞；同時在封接溫度下封接材料的粘度應(yīng)在1—200Pa·s范圍之間，使封接材料既充分而又不過份地在封接面上流動；②封接材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)能和被焊的陶瓷、金屬相匹配，從而保證封接件具有一定的封接強度和經(jīng)受得住諸如溫度、氣候和機械等一系列的環(huán)境考驗。如果和被焊材料的線膨脹系數(shù)相差甚遠，則在封接后封接材料中殘存應(yīng)力將使封接材料遭到破壞，從而使封接強度大大降低和無法保證封接體的氣密性；

③當金屬用封接材料封接時，要求封接材料對金屬有良好的浸潤性，同時，為獲得牢固的封接強度，要求封接材料能夠擴散到金屬表面的氧化層中去；

④在與水、空氣或其他介質(zhì)相接觸時，封接材料應(yīng)仍具有良好的化學穩(wěn)定性和絕緣性能，

⑤在封接過程中，不能由封接材料中產(chǎn)生有害物質(zhì)，使之揮發(fā)或濺落在電路芯片或其他部位上，從而導(dǎo)致集成電路性能變壞或完全失效。根據(jù)低溫封接的特定要求，封接材料必須具備以下幾個條件：18低熔玻璃系指軟化溫度不高于500℃的一類粉狀玻璃材料。由于它易與金屬、陶瓷等材料粘接且本身不透氣，當形成密封腔體后可獲得較高的氣密性。同時又具有不燃性和良好耐熱性能，電性能也比較優(yōu)越，因此它作為一種無機焊料，廣泛地被應(yīng)用在真空和電子產(chǎn)品中。在集成電路封裝領(lǐng)域它也是很好的低溫密封材料和粘接材料。低熔玻璃（1）常用的封接材料低熔玻璃系指軟化溫度不高于500℃的一類粉狀19封接合金材料主要是用來與相應(yīng)的陶瓷、玻璃或塑料進行封接的，其具體要求是：①一定溫度范圍內(nèi)，封接合金材料的線膨脹系數(shù)必需與相應(yīng)的封接體基本一致，以達到良好的匹配；

②要具有良好的機械性能和導(dǎo)熱性能，能耐腐蝕、其加工性能要好，可以制成絲、管、帶、棒等幾何形狀，抗氧化和具有好的塑性。并且它們的沖裁成型性、表面平整性等都能達到所需的要求；③封接合金材料在使用時，應(yīng)沒有金相組織的轉(zhuǎn)變，不會因相變而帶來線膨脹系數(shù)的急劇變化，因為這將造成封接材料的內(nèi)應(yīng)力增加，使之產(chǎn)生炸裂等現(xiàn)象而導(dǎo)致漏氣；④材料中非金屬雜質(zhì)、有害元素和氣體的含量應(yīng)當在真空中或氫氣保護下進行退火時，能夠很好的脫碳、脫氣；⑤在性能滿足要求的前提下價格要盡可能低廉。封接合金材料封接合金材料主要是用來與相應(yīng)的陶瓷、玻璃或塑204、封裝技術(shù)的計算機模擬分析隨著半導(dǎo)休器件工作頻率的不斷提高、集成電路集成度與速度的迅速增加，一個封裝外殼內(nèi)所能容納的芯片數(shù)目及其功率也相應(yīng)地急劇增加。

①芯片溫度的升高將會降低器件的可靠性而溫度的急劇變化又會在器件各部分產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而有可能引起芯片、襯底和鍵合點的碎裂或脫落。

②在高速、高頻或緊密組裝的電路系統(tǒng)設(shè)計中，金屬化布線的電容和電感對電路性能的影響也是不能忽視的。所以耍實現(xiàn)高可靠、高密度和高性能的封裝，在進行封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在處理好由器件溫升而引起的熱阻、由分布電容和分布電感而引起的器件高頻性能變壞和速度降低等一系列問題時，可利用計算機輔助設(shè)計這一有力的手段，以取得較好的設(shè)計效果。4、封裝技術(shù)的計算機模擬分析隨著半導(dǎo)休器件工作21一個較完善的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在幾個重要的封裝設(shè)計因素中，譬如熱阻、芯片熱阻、鍵合點壽命、熱應(yīng)力、熱變形、接觸電阻和電性能等方面，彼此取得較好的平衡。換句話說，一個較完善的封裝結(jié)構(gòu)實際上就是將這個器件的電性能、環(huán)境、壽命、機械和熱性能等通過封裝材料和特殊的工藝方法，以特定的結(jié)構(gòu)形式體現(xiàn)出來。以前對于封裝結(jié)構(gòu)的考核都是通過一些樣品的試制和試驗來獲得的，但是隨著產(chǎn)品更新周期的縮短，采用計算機輔助設(shè)計則可贏得時間而使封裝設(shè)計工作加速。比如半導(dǎo)體器件熱強度設(shè)計系統(tǒng)HISETS軟件熱分析與散熱設(shè)計技術(shù)布線、實裝形態(tài)與電信號傳輸特性分析應(yīng)力分析一個較完善的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在幾個重要的封裝22三、集成電路封裝工藝流程三、集成電路封裝工藝流程23集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷課件24集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷課件25劃片就是把已制有電路圖形的集成電路圓片切割分離成具有單個圖形(單元功能)的芯片，常用的方法有金剛刀劃片、砂輪劃片和激光劃片等幾種：金剛刀劃片質(zhì)量不夠好，也不便于自動化生產(chǎn)，但設(shè)備簡單便宜，目前已很少使用；激光劃片屬于新技術(shù)范躊，正在推廣試用階段。目前使用最多的是砂輪劃片，質(zhì)量和生產(chǎn)效率都能滿足一般集成電路制作的要求。1、劃片劃片就是把已制有電路圖形的集成電路圓片切割分離26集成電路封裝的設(shè)計陶瓷封裝外殼芯片低熔點玻璃陶瓷課件27繃片：經(jīng)劃片后仍粘貼在塑料薄膜上的圓片，如需要分離成單元功能芯片而又不許脫離塑料薄膜時，則可采用繃片機進行繃片，即把粘貼在薄膜上的圓片連同框架一起放在繃片機人用一個圓環(huán)頂住塑料薄膜，并用力把它繃開，粘在其上的圓片也就隨之從劃片槽處分裂成分離的芯片。這樣就可將已經(jīng)分離的但仍與塑料曲膜保持粘連的芯片．連同框架一起送入自動裝片機上進行芯片裝片?，F(xiàn)在裝片機通常附帶有繃片機構(gòu)。分片：當需人工裝片時，則需要進行手工分片，即把已經(jīng)經(jīng)過劃片的圓片倒扣在絲絨布上，背面墊上一張濾紙，再用有機玻璃棒在其上面進行搟壓，則圓片由于受到了壓應(yīng)力而沿著劃片槽被分裂成分離的芯片。然后仔細地把圓片連同絨布和濾紙一齊反轉(zhuǎn)過來，揭去絨布，芯片就正面朝上地排列在濾紙上，這時便可用真空氣鑷子將單個芯片取出，并存放在芯片分居盤中備用。2、繃片和分片2、繃片和分片28

3、芯片裝片把集成電路芯片核接到外殼底座(如多層陶瓷封裝)或引線框架(如塑料封裝)上的指定位置，為絲狀引線的連接提供條件的工藝，稱之為裝片。由于裝片內(nèi)涵多種工序，所以從工藝角度習慣上又稱為粘片、燒結(jié)、芯片鍵合和裝架。根據(jù)目前各種封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，裝片的方法可歸納為導(dǎo)電膠粘接法、銀漿或低溫玻璃燒結(jié)法和低熔點合金的焊接法等幾種，可根據(jù)產(chǎn)品的具體要求加以選擇。3、芯片裝片29最早的辦法是采用拉絲焊、合金焊和點焊。直到1964年集成電路才開始采用熱壓焊和超聲焊。集成電路的芯片與封裝外殼的連接方式，目前可分為有引線控合結(jié)構(gòu)和無引線鍵合結(jié)構(gòu)兩大類。有引線鍍合結(jié)構(gòu)就是我們通常所說的絲焊法，即用金絲或鋁絲實行金—金鍵合，金—鋁銀鍵合或鋁—鋁鍵合。由于它們都是在一定壓力下進行的焊接，所以又稱鍵合為壓焊。4、引線鍵合最早的辦法是采用拉絲焊、合金焊和點焊。直到1930密封技術(shù)就是指在集成電路制作過程中經(jīng)過組裝和檢驗合格后對其實行最后封蓋，以保證所封閉的空腔中能具有滿意的氣密性，并且用質(zhì)譜儀或放射性氣體檢漏裝置來進行測定，判斷其漏氣速率是否達到了預(yù)定的指標。通常都是以金屬、玻璃和陶瓷為主進行密封，并稱它們?yōu)闅饷苄苑庋b；而塑料封襲則稱非氣密性封裝。5、密封密封技術(shù)就是指在集成電路制作過程中經(jīng)過組裝和檢31IC芯片引線架導(dǎo)線絲鋁膜外引線封裝樹脂塑料基板塑料封裝DIP工藝導(dǎo)電粘膠成本較低IC芯片引線架導(dǎo)線絲鋁膜外引線封裝樹脂塑料基板塑料封裝DIP326、塑料封裝技術(shù)

塑料封裝生產(chǎn)的特點，就是在集成電路的生產(chǎn)過程中，通過組裝可以一次加工完畢，而不需由外殼生產(chǎn)廠進行配套，因而其工作量可大為降低，適合于大批量的自動化生產(chǎn)，已成為集成電路的主要封裝形式之一。6、塑料封裝技術(shù)33塑料封裝的成型方法有滴涂法、浸漬涂敷法、填充法、澆鑄法和遞模成型法。應(yīng)根據(jù)封裝的對象、可靠性水平和生產(chǎn)批量的不同選用合適的成型方法。（1）塑料封裝成型方法塑料封裝的成型方法有滴涂法、浸漬涂敷法、填充34

①滴涂成型法用滴管把液體樹脂滴涂到鍵合后的芯片上，經(jīng)加熱后固化成型，又稱軟封裝。①滴涂成型法35滴涂法工藝操作簡單，成本低，不需要專用的封裝設(shè)備和模具，適用于多品種小批量生產(chǎn)，但封裝的可靠性差，封裝外形尺寸不一致，不適合大批量生產(chǎn)，其工藝流程是滴涂法工藝操作簡單，成本低，不需要專用的封裝設(shè)備和模具，適36②浸漬涂敷法成型把元、器件待封裝部位浸漬到樹脂溶液中，使樹脂包封在其表面，經(jīng)加熱固化成型。②浸漬涂敷法成型37浸漬涂敷法工藝操作筒單，成本低，不需要專用的封裝設(shè)備和模具，但封裝的可籌性差，封裝外形不一致，表面浸漬的樹脂量不易均勻，其工藝流程是浸漬涂敷法工藝操作筒單，成本低，不需要專用的封裝設(shè)備和模具38

③填充法成型把元器件待封裝部位放入外殼(塑料或金屬殼)內(nèi)，再用液體樹脂填平經(jīng)加熱固化成③填充法成型39填充法工藝操作簡單，成本低，防潮性能好，適合選用不同材料的外殼，但生產(chǎn)效率較低，樹脂量不易控制．且可靠性差，其工藝流程是填充法工藝操作簡單，成本低，防潮性能好，適合選用不同材料的40④澆鑄法成型把元器件待封裝部位放入鑄模內(nèi)，用液體樹脂灌滿，經(jīng)加熱固化成型④澆鑄法成型41澆鑄法成型工藝操作簡單，成本低，封裝外形尺寸一致，防潮性能較好，但封接后不易脫模，生產(chǎn)效率低．可靠性也差，其工藝流程是澆鑄法成型工藝操作簡單，成本低，封裝外形尺寸一致，防潮性能較42⑤遞模成型塑料包封機上油缸壓力，通過注塑桿和包封模的注塑頭、傳送到被預(yù)熱的模塑料上，使模塑料經(jīng)澆道、澆口緩促的擠入型腔，并充滿整個腔體，把芯片包封起來。此方法稱為遞模成型法⑤遞模成型43遞模成型工藝操作簡單，勞動強度低，封裝后外形一致性好，成品率高，且耐濕性能好，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)，但一次性投資多，占用生產(chǎn)場地大，當更換封裝品種時，需要更換專用的包封模具和輔助工具。遞模成型法是集成電路的主要封裝形式，其工藝流程是遞模成型工藝操作簡單，勞動強度低，封裝后外形一致性好，成品44（2）封裝塑料的設(shè)計原則好的散熱性熱膨脹系數(shù)應(yīng)進可能與硅芯片一致，減小熱應(yīng)力盡可能低的介電常數(shù)，減小信號延遲盡可能高的電阻率，增強絕緣性（2）封裝塑料的設(shè)計原則好的散熱性熱膨脹系數(shù)應(yīng)進可能與硅芯片45（3）塑封材料塑料封裝所用的有機材料是熱固性塑料，以高分子化合物合成的樹脂為基體，加入團化刑、反應(yīng)促進劑(催化劑)、填充劑、阻燃劑、脫模劑和著色劑等組成。常用的幾種樹脂特性環(huán)氧樹脂這是一種熱固性樹脂，固化后具有良好的粘接性、電絕線性、耐化學腐蝕性和機械強度，收縮率小，外形幾何尺寸穩(wěn)定性好，并具有較高的耐熱性能(170一200℃)。環(huán)氧樹脂的缺點是不適合在高溫下工作，高頻性能和耐濕性能較差。環(huán)氧樹脂的封裝方式比較廣泛，可采用遞模成型法、澆鑄法、浸漬涂敷法、填充法和滴涂法。（3）塑封材料常用的幾種樹脂特性46硅酮樹脂