集成電路芯片封裝技術(shù)第2章.ppt

1、第二章 封裝工藝流程,2.1.1 為什么要學(xué)習(xí)封裝工藝流程 熟悉封裝工藝流程是認(rèn)識(shí)封裝技術(shù)的前提，是進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)、制造和優(yōu)化的基礎(chǔ)。 芯片封裝和芯片制造不在同一工廠完成 它們可能在同一工廠不同的生產(chǎn)區(qū)、或不同的地區(qū)，甚至在不同的國(guó)家。許多工廠將生產(chǎn)好的芯片送到幾千公里以外的地方去做封裝。芯片一般在做成集成電路的硅片上進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中，先將有缺陷的芯片打上記號(hào)（打一個(gè)黑色墨點(diǎn)），然后在自動(dòng)拾片機(jī)上分辨出合格的芯片。,第二章 封裝工藝流程,2.1.2 封裝工藝流程概況 流程一般可以分成兩個(gè)部分：在用塑料封裝之前的工序稱為前段工序，在成型之后的操作稱為后段工序。成型工序是在凈化環(huán)境中進(jìn)行的，由于轉(zhuǎn)

2、移成型操作中機(jī)械水壓機(jī)和預(yù)成型品中的粉塵達(dá)到1000級(jí)以上（空氣中0.3m粉塵達(dá)1000個(gè)/m3以上）。 現(xiàn)在大部分使用的封裝材料都是高分子聚合物，即所謂的塑料封裝。,第二章 封裝工藝流程,概述,芯片封裝技術(shù)（一級(jí)）,2.2 芯片切割 2.2.1、為什么要減薄 半導(dǎo)體集成電路用硅片4吋厚度為520m，6吋厚度為670m。這樣就對(duì)芯片的切分帶來(lái)困難。因此電路層制作完成后，需要對(duì)硅片背面進(jìn)行減薄，使其達(dá)到所需要的厚度，然后再進(jìn)行劃片加工，形成一個(gè)個(gè)減薄的裸芯片。,第二章 封裝工藝流程,2.2.2減薄工藝 硅片背面減技術(shù)主要有： 磨削、研磨、化學(xué)拋光 干式拋光、電化學(xué)腐蝕、濕法腐蝕 等離子增強(qiáng)化學(xué)腐

3、蝕、常壓等離子腐蝕等,第二章 封裝工藝流程,減薄厚硅片粘在一個(gè)帶有金屬環(huán)或塑料框架的薄膜（常稱為藍(lán)膜）上，送到劃片機(jī)進(jìn)行劃片?，F(xiàn)在劃片機(jī)都是自動(dòng)的，機(jī)器上配備激光或金鋼石的劃片刀具。切割分部分劃片（不劃到底，留有殘留厚度）和完全分割劃片。對(duì)于部分劃片，用頂針頂力使芯片完全分離。劃片時(shí)，邊緣或多或少會(huì)存在微裂紋和凹槽這取決于刀具的刃度。這樣會(huì)嚴(yán)重影響芯片的碎裂強(qiáng)度。,2.2.2減薄工藝 先劃片后減薄和減薄劃片兩種方法,第二章 封裝工藝流程,這兩種方法都很好地避免了或減少了減薄引起的硅片翹曲以及劃片引起的邊緣損害，大大增強(qiáng)了芯片的抗碎能力。,芯片切割,DBG法（先劃片后減?。?第二章 封裝工藝流程

4、,芯片貼裝（die mount/bonding/attachment) 目的：實(shí)現(xiàn)芯片與底座（chip carrier）的連接. 要求： 機(jī)械強(qiáng)度 化學(xué)性能穩(wěn)定 導(dǎo)電、導(dǎo)熱 熱匹配 可操作性,第二章 封裝工藝流程,2.3 芯片貼裝 芯片貼裝，也稱芯片粘貼，是將芯片固定于封裝基板或引腳架芯片的承載座上的工藝過(guò)程。,第二章 封裝工藝流程,2.3.1共晶粘貼法 一般工藝方法 陶瓷基板芯片座上鍍金膜-將芯片放置在芯片座上-熱氮?dú)夥罩校ǚ姥趸┘訜岵⑹拐迟N表面產(chǎn)生摩擦（去除粘貼表面氧化層）-約425時(shí)出現(xiàn)金-硅反應(yīng)液面，液面移動(dòng)時(shí)，硅逐漸擴(kuò)散至金中而形成緊密結(jié)合。,第二章 封裝工藝流程,優(yōu)點(diǎn)：金-硅共晶

5、焊接機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小、穩(wěn)定性好、可靠性高,高溫性能好，不脆化。 缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)高速自動(dòng)化生產(chǎn)。,2.3.1共晶粘貼法 預(yù)型片法，此方法適用于較大面積的芯片粘貼。優(yōu)點(diǎn)是可以降低芯片粘貼時(shí)孔隙平整度不佳而造成的粘貼不完全的影響。,第二章 封裝工藝流程,2.3.2 焊接粘貼法 焊接粘貼法是利用合金反應(yīng)進(jìn)行芯片粘貼的方法。優(yōu)點(diǎn)是熱傳導(dǎo)性好。 一般工藝方法 將芯片背面淀積一定厚度的Au或Ni，同時(shí)在焊盤(pán)上淀積Au-Pd-Ag和Cu的金屬層。然后利用合金焊料將芯片焊接在焊盤(pán)上。焊接工藝應(yīng)在熱氮?dú)饣蚰芊乐寡趸臍夥罩羞M(jìn)行。,第二章 封裝工藝流程,所用材料 硬質(zhì)焊料：金-硅、金-錫、金鍺； （塑變

6、應(yīng)力高，抗疲勞抗?jié)撟兲匦院茫?軟質(zhì)焊料：鉛-錫、鉛-錫-銦.,2.3.3 導(dǎo)電膠粘貼法 導(dǎo)電膠是銀粉與高分子聚合物（環(huán)氧樹(shù)脂）的混合物。銀粉起導(dǎo)電作用，而環(huán)氧樹(shù)脂起粘接作用。,第二章 封裝工藝流程,導(dǎo)電膠有三種配方： （1）各向同性材料，能沿所有方向?qū)щ姟?（2）導(dǎo)電硅橡膠，能起到使器件與環(huán)境隔絕，防止水、汽對(duì)芯片的影響，同時(shí)還可以屏蔽電磁干擾。 （3）各向異性導(dǎo)電聚合物，電流只能在一個(gè)方向流動(dòng)。在倒裝芯片封裝中應(yīng)用較多。無(wú)應(yīng)力影響。,三種導(dǎo)電膠的特點(diǎn)是：化學(xué)接合、具有導(dǎo)電功能。,導(dǎo)電膠貼裝工藝,第二章 封裝工藝流程,膏狀導(dǎo)電膠： 用針筒或注射器將粘貼劑涂布到芯片焊盤(pán)上（不能太靠近芯片表面，否

7、則會(huì)引起銀遷移現(xiàn)象），然后用自動(dòng)拾片機(jī)（機(jī)械手）將芯片精確地放置到焊盤(pán)的粘貼劑上，在一定溫度下固化處理（150 1小時(shí)或186半小時(shí)）。,固體薄膜： 將其切割成合適的大小放置于芯片與基座之間，然后再進(jìn)行熱壓接合。采用固體薄膜導(dǎo)電膠能自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)。,導(dǎo)電膠粘貼法的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性不好，高溫下會(huì)引起粘接可靠度下降，因此不適合于高可靠度封裝。,玻璃膠粘貼法 與導(dǎo)電膠類(lèi)似，玻璃膠也屬于厚膜導(dǎo)體材料（后面我們將介紹）。不過(guò)起粘接作用的是低溫玻璃粉。它是起導(dǎo)電作用的金屬粉（Ag、Ag-Pd、Au、Cu等）與低溫玻璃粉和有機(jī)溶劑混合，制成膏狀。 優(yōu)點(diǎn)：所得芯片封裝無(wú)空隙、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、低結(jié)合應(yīng)力以及濕氣含

8、量低； 缺點(diǎn)：有機(jī)成分與溶劑必須除去，否則危害可靠性。,第二章 封裝工藝流程,在芯片粘貼時(shí)，用蓋印、絲網(wǎng)印刷、點(diǎn)膠等方法將膠涂布于基板的芯片座中，再將芯片置放在玻璃膠之上，將基板加溫到玻璃熔融溫度以上即可完成粘貼。由于完成粘貼的溫度要比導(dǎo)電膠高得多，所以它只適用于陶瓷封裝中。在降溫時(shí)要控制降溫速度，否則會(huì)造成應(yīng)力破壞，影響可靠度。,2.4 芯片互連 芯片互連是將芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線或基板上的金屬焊區(qū)相連接。 芯片互連常見(jiàn)的方法：,第二章 封裝工藝流程,這三種連接技術(shù)對(duì)于不同的封裝形式和集成電路芯片集成度的限制各有不同的應(yīng)用范圍。 打線鍵合適用引腳數(shù)為3-257；載帶自動(dòng)鍵合的適用

9、引腳數(shù)為12-600；倒裝芯片鍵合適用的引腳數(shù)為6-16000?？梢?jiàn)C4適合于高密度組裝。,2.4.1 打線鍵合技術(shù),第二章 封裝工藝流程,提供能量破壞被焊表面的氧化層和污染物，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,2.4.1 打線鍵合技術(shù)介紹 （1）超聲波鍵合,第二章 封裝工藝流程,優(yōu)點(diǎn)： 鍵合點(diǎn)尺寸小，回繞高度低，適合于鍵合點(diǎn)間距小、密度高的芯片連接。,缺點(diǎn)： 所有的連線必須沿回繞方向排列（這不可能），因此在連線過(guò)程中要不斷改變芯片與封裝

10、基板的位置再進(jìn)行第2根引線的鍵合。從而限制了打線速度。,2.4.1 打線鍵合技術(shù)介紹 （2）熱壓鍵合,第二章 封裝工藝流程,先將金屬線穿過(guò)毛細(xì)管狀的鍵合工具（稱 為瓷嘴或焊針），該工具是由碳化鎢或氧化鋁等耐高溫材料制成；然后再電子點(diǎn)火或氫焰將金屬線燒斷并利用熔融金屬的表面張力作用使線的末端灼燒成球（直徑約為金屬線直徑的2-3倍），鍵合工具再將金屬球壓至已經(jīng)預(yù)熱到150-250的第一金屬焊墊上進(jìn)行球形鍵合。 此時(shí)球形鍵合點(diǎn)受壓稍有變形，其目的 一是增加鍵合面積， 二是穿破表面氧化層，以形成緊密鍵合。球形鍵合完成后，鍵合工具升起并引導(dǎo)金屬線至第二鍵合點(diǎn)上進(jìn)行楔形接合（不需燒成金屬球，而是將金屬線直

11、接壓到焊區(qū)上）。 由于鍵合工具頂端是圓錐形的，所以得到的焊點(diǎn)通常為新月?tīng)睢?由于熱壓焊是在高溫下進(jìn)行的，通常使用的金屬線為金線（抗氧化性強(qiáng)）。為降低成本有時(shí)也用鋁線。鋁線的2個(gè)焊接點(diǎn)是楔形的。原因是鋁線不易在線的末端灼燒成球。,（3）熱超聲波鍵合 熱超聲波鍵合是熱壓鍵合與超聲波鍵合的混合技術(shù)。在工藝過(guò)程中，先在金屬線末端成球，再使用超聲波脈沖進(jìn)行金屬線與金屬接墊之間的接合。 此過(guò)程中接合工具不被加熱，僅給接合的基板加熱(溫度維持在100-150)。其目的是抑制鍵合界面的金屬間化合物（類(lèi)似于化學(xué)鍵，金屬原子的價(jià)電子形成鍵）的成長(zhǎng)，和降低基板高分子材料因高溫產(chǎn)生形變。,第二章 封裝工藝流程,不同鍵

12、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,打線鍵合技術(shù)(WB)影響因素： 金鋁金屬間化合物（AuAl2或Au5Al2)是主因； 線材、鍵合點(diǎn)與金屬間化合物之間的交互擴(kuò)散產(chǎn)生的孔洞； 其他，鍵合點(diǎn)金屬化工藝與封裝材料之間的反應(yīng)，亦可生成金屬間化合物。,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù),第二章 封裝工藝流程,載帶自動(dòng)健合技術(shù)是在類(lèi)似于135膠片的柔性載帶粘結(jié)

13、金屬薄片，（像電影膠片一樣卷在一帶卷上，載帶寬度8-70mm。在其特定的位置上開(kāi)出一個(gè)窗口。窗口為蝕刻出一定的印刷線路圖形的金屬箔片。 引線排從窗口伸出，并與載帶相連，載帶邊上有供傳輸帶用的齒輪孔。 當(dāng)載帶卷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，載帶依靠齒孔往前運(yùn)動(dòng)，使帶上的窗口精確對(duì)準(zhǔn)帶下的芯片。再利用熱壓模將導(dǎo)線排精確鍵合到芯片上。可見(jiàn)TAB技術(shù)與一般的壓絲引線技術(shù)不同。 后者的特點(diǎn)是將一根、一根的引線先后分立的快速的鍵合到搭接片上。TAB技術(shù)中內(nèi)引線鍵合后還要作后道工序，包括電學(xué)測(cè)試、通電老化，外引線鍵合、切下，最后進(jìn)行封裝工藝。,過(guò)去，TAB技術(shù)不受重視的原因： （1）TAB技術(shù)初始投資大； （2）開(kāi)始時(shí)TAB工藝

14、設(shè)備不易買(mǎi)到，而傳統(tǒng)的引線工藝已得到充分的發(fā)展，且其生產(chǎn)設(shè)備也容易買(mǎi)到； （3）有關(guān)TAB技術(shù)資料和信息少。但是隨著芯片信息容量及隨之而來(lái)的引腳數(shù)的增加，傳統(tǒng)的分立引線工藝顯得力不從心。為降低引線成本的需要，TAB技術(shù)越來(lái)越受到人們的青睞，促使許多半導(dǎo)體廠家積極開(kāi)發(fā)研究。,第二章 封裝工藝流程,TAB技術(shù)較之常用的引線工藝的優(yōu)點(diǎn)： 1）TAB結(jié)構(gòu)輕、薄、短、小，封裝高度1mm 2）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）T

15、AB鍵合點(diǎn)抗鍵合拉力比WB高（3-10倍） 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)化程度高,第二章 封裝工藝流程,TAB技術(shù)分類(lèi),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。,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料 基帶材料：要求耐高溫，與金屬箔粘貼性好，熱匹配性好，抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，吸水率低。例如，聚酰亞胺（PI）、聚乙烯對(duì)本二甲酸脂（PET）和苯并環(huán)丁烯（BCB） TAB金屬材料：要求導(dǎo)電性能好，強(qiáng)度高，延展性、表面平滑性良好，與各種基帶粘貼牢固，不易剝離，易于用光刻法制作出

16、精細(xì)復(fù)雜的圖形，易電鍍Au、Ni、Pb/Sn焊接材料，例如，Al、Cu。 芯片凸點(diǎn)金屬材料：一般包括金屬Au、Cu、Au/Sn、Pd/Sn。,第二章 封裝工藝流程,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) TAB的關(guān)鍵技術(shù) 芯片凸點(diǎn)制作技術(shù) TAB載帶制作技術(shù) 載帶引線與芯片凸點(diǎn)的內(nèi)引線焊接和載帶外引線焊接技術(shù),第二章 封裝工藝流程,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) TAB的關(guān)鍵技術(shù)-芯片凸點(diǎn)制作技術(shù),第二章 封裝工藝流程,IC芯片制作完成后其表面均鍍有鈍化保護(hù)層，厚度高于電路的鍵合點(diǎn)，因此必須在IC芯片的鍵合點(diǎn)上或TAB載帶的內(nèi)引線前端先長(zhǎng)成鍵合凸塊才能進(jìn)行后續(xù)的鍵合，通常TAB載帶技術(shù)也據(jù)此區(qū)分為凸塊化載

17、帶與凸塊化芯片TAB兩大類(lèi)。,凸塊式載帶TAB；單層載帶可配合銅箔引腳的刻蝕制成凸塊，在雙層與三層載帶上，因?yàn)槲g刻的工藝容易致導(dǎo)帶變形，而使未來(lái)鍵合發(fā)生對(duì)位錯(cuò)誤，因此雙層與三層載帶較少應(yīng)用于凸塊載帶TAB的鍵合。 凸塊式芯片TAB，先將金屬凸塊長(zhǎng)成于IC芯片的鋁鍵合點(diǎn)上，再與載帶的內(nèi)引腳鍵合。預(yù)先長(zhǎng)成的凸塊除了提供引腳所需要的金屬化條件外，可避免引腳與IC芯片間可能發(fā)生短路，但制作長(zhǎng)有凸塊的芯片是TAB工藝最大的困難。,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 芯片凸點(diǎn)制作技術(shù) 凸點(diǎn)因形狀不同可分為兩種,第二章 封裝工藝流程,蘑菇狀凸點(diǎn)一般用光刻膠做掩膜制作，電鍍時(shí)，光刻膠 以上凸點(diǎn)除了繼續(xù)升高以外，還橫

18、向發(fā)展，凸點(diǎn)越來(lái)越高，橫向也越來(lái)越大，所以凸點(diǎn)形狀像蘑菇。隨著橫向發(fā)展電鍍電流密度的不均勻性使得最終得到的凸點(diǎn)頂部成凹形，且凸點(diǎn)的尺寸也難以控制。 直狀凸點(diǎn)制作是使用厚膜抗腐蝕劑做掩膜，掩膜的厚度與要求的凸點(diǎn)高度一致，所以始終電流密度均勻，凸點(diǎn)的平面是平整的。,金凸塊制作的傳統(tǒng)工藝,金凸塊制作的傳統(tǒng)工藝: 第一步，對(duì)芯片進(jìn)行清潔處理 第二步，通過(guò)真空濺散的方法，在芯片鍵合的上表面形成粘著層和阻擋層。粘著層提供IC芯片上的鋁鍵合點(diǎn)與凸塊間良好的鍵合力與低的接觸電阻特性。常用的材料是Ti、Cr、和Al，這幾種金屬的與鋁和氧化硅的粘著性很好。擴(kuò)散阻擋層的作用是阻止芯片上的鋁與凸塊材料之間的擴(kuò)散反應(yīng)而

19、形成金屬間化合物。 金屬層做好后、接著涂25微米后的光刻膠，然后用電鍍的方法制作金屬凸塊。凸塊制作完成后在其頂面電鍍一層25微米的金（凸塊金屬不是金的情況），目的是起抗氧化作用。,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,金凸塊制作的傳統(tǒng)工藝,凸塊轉(zhuǎn)移技術(shù) 一般的凸塊制作工藝流程，可以看出，它的制作工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，成本高。因此改進(jìn)凸塊制作技術(shù)成為一項(xiàng)研究的熱門(mén)課題。 日本Matsushita公司開(kāi)發(fā)了凸塊轉(zhuǎn)移技術(shù)。 這種技術(shù)分2次鍵合： 第1次是將在玻璃基板上做成的凸塊，轉(zhuǎn)移到載帶內(nèi)引腳前端與芯片鍵合點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置。 第2次鍵合。在引腳前端有凸點(diǎn)的載帶由專門(mén)的制造商提供，這樣就避免了在

20、芯片焊區(qū)制作凸點(diǎn)的麻煩，降低了生產(chǎn)成本。,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,凸塊轉(zhuǎn)移技術(shù),2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù),第二章 封裝工藝流程,（1）單層結(jié)構(gòu)載帶 這僅為一銅帶，其上腐蝕出引線圖案以及支撐結(jié)構(gòu)。方法是將光刻膠涂在銅帶的兩側(cè)。將要刻蝕掉的部分曝光，腐蝕后留下引線圖案。帶上可事先制備出凸點(diǎn)，這種情況下可選用不帶凸點(diǎn)的芯片。再將載帶上的引線排與芯片的I/O鍵合點(diǎn)鍵合。單層結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是全部引線與金屬支撐架相連接，妨礙了帶上器件的測(cè)試檢驗(yàn)和通電老化。,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù),第二章 封裝工藝流程,（2）雙層結(jié)構(gòu)載帶 雙層結(jié)構(gòu)載帶可用兩種方法制作。用液體聚酰亞胺涂敷銅帶（1.

21、4mil厚，1mil=25.4um），然后再干燥處理。聚酰亞胺的厚度為2-3mil。將聚酰亞胺進(jìn)行光刻，然后窗口和齒孔用KOH或NaOH腐蝕出來(lái)，再用FeCl3銅標(biāo)腐蝕液將銅帶上所需圖形腐蝕出來(lái)。,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù),第二章 封裝工藝流程,（3）三層結(jié)構(gòu)載帶 所用載帶厚度為5mil，比雙層帶厚，因而更穩(wěn)定。它的制作方法是：用粘接劑涂敷12或24英寸的Kapton帶，再將帶條分裂成TAB產(chǎn)品所需要的合適寬度。窗口和齒孔用硬工具沖制而成。然后將銅帶與Kapton帶進(jìn)行疊合處理，使銅帶壓合在齒孔機(jī)的Kapton。最后光刻銅帶，形成引線排。三層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是膠帶和銅之間有很高的結(jié)合強(qiáng)度，且絕緣

22、性能好，吸濕性低。,載帶制作工藝實(shí)例Cu箔單層帶,1）沖制標(biāo)準(zhǔn)定位傳送孔 2） Cu箔清洗 3）Cu箔涂光刻膠（雙面） 4）刻蝕形成Cu線圖樣 5）導(dǎo)電圖樣Cu鍍錫退火,載帶引線與芯片凸點(diǎn)的內(nèi)引線焊接和載帶外引線焊接技術(shù) 芯片上的凸點(diǎn)和載帶制作完成后，接下來(lái)要進(jìn)行引線的焊接，這又分內(nèi)引線焊接和外引線焊接。內(nèi)引線焊接是引線與芯片焊接，外引線焊接是將引線焊接到外殼或基板焊區(qū)。,第二章 封裝工藝流程,TAB內(nèi)引線焊接技術(shù) 將載帶引線圖形指端與芯片焊接到一起的方法主要有熱壓焊合再流焊。當(dāng)芯片凸點(diǎn)是 Au、Au/Ni、Cu/Au，而載帶Cu箔引線也是鍍這類(lèi)凸點(diǎn)金屬時(shí)，使用熱壓焊；而載帶Cu箔引線鍍層為P

23、b/Sn時(shí)，或者芯片凸點(diǎn)具有Pb/Sn，而載帶Cu箔引線是上述硬金屬時(shí)就要用熱壓再流焊。完全使用熱壓焊焊接溫度高，熱壓再流焊的溫度低。 這兩種焊接方法都是使用自動(dòng)或半就自動(dòng)化的引線焊接機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)一次焊接的。 主要工藝操作是對(duì)位、焊接、抬起、芯片傳送4部分。,第二章 封裝工藝流程,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 內(nèi)引線焊接,第二章 封裝工藝流程,TAB內(nèi)引線焊接技術(shù),焊接程序,對(duì)位 給做成電路的晶圓片上的芯片進(jìn)行測(cè)試，給壞芯片打上標(biāo)記用劃片機(jī)劃片將劃過(guò)片的大圓片（晶圓片的背面有粘著層，經(jīng)劃片后仍呈大圓片狀）放置在焊接機(jī)的承片臺(tái)上按設(shè)計(jì)程序?qū)⑿阅芎玫腎C芯片置于載帶引線圖形下面，使載帶引線圖形對(duì)芯片

24、凸點(diǎn)進(jìn)行精確對(duì)位。 焊接 落下加熱的熱壓焊頭，加壓一定時(shí)間，完成焊接。 抬起 抬起熱壓焊頭，焊接機(jī)將壓焊到載帶上的IC芯片通過(guò)鏈輪步進(jìn)卷繞到卷軸上，同時(shí)下一個(gè)載帶引線圖形也步進(jìn)到焊接對(duì)位的位置上。 芯片傳送 供片系統(tǒng)按設(shè)定程序?qū)⑾乱粋€(gè)好的IC芯片移到新的載帶引線圖形下方進(jìn)行對(duì)位，從而完成了程序化的完整的焊接過(guò)程。,焊接工藝條件： 焊接溫度T=450-500；焊接壓力 P=50g；焊接時(shí)間t=0.5-1秒。此外，焊頭的平行度、平整度要好，焊接時(shí)的傾斜度要合適，否則會(huì)影響焊接效果。凸點(diǎn)的高度和載帶引線圖形的厚度的一致性也會(huì)影響焊接質(zhì)量。 完成內(nèi)引腳鍵合與電性能測(cè)試后，芯片與內(nèi)引腳面或整個(gè)IC芯片必

25、須再涂上一層高分子膠材料保護(hù)引腳、凸塊與芯片，以避免外界的壓力、震動(dòng)、水汽等因素造成破壞。 封膠的材料 一般為環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)和硅橡膠(Silicone)。環(huán)氧樹(shù)脂用蓋印或點(diǎn)膠的方法涂布，可覆蓋整個(gè)芯片或僅涂布完成內(nèi)引腳鍵合的芯片表面。在烘烤硬化時(shí)應(yīng)注意加溫條件，避免氣泡和預(yù)應(yīng)力的產(chǎn)生。,第二章 封裝工藝流程,2.4.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 外引線焊接技術(shù),第二章 封裝工藝流程,經(jīng)過(guò)老化、篩選、測(cè)試的載帶芯片可以用于各種集成電路。 對(duì)于微電子封裝的引線框架或在生產(chǎn)線上連接安裝載帶芯片的電子產(chǎn)品，可使用外引線壓焊機(jī)將卷繞的載帶芯片連接進(jìn)行外引線焊接，焊接時(shí)要及時(shí)應(yīng)用切斷裝置，將每個(gè)焊點(diǎn)外沿處

26、將引線和聚酰亞胺（PI）支撐框架以外的部分切斷并焊接。,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) 倒裝焊（FCB，F(xiàn)lip Chip Bonding）芯片，芯片正面朝下。借助于凸點(diǎn)與基板焊區(qū)直接焊接。這樣就省略了互連線，由互連線產(chǎn)生的雜散電容和電感要比WB和TAB小得多，因此適合于高頻、高速電路和高密度組裝的應(yīng)用。,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,電子封裝密度比較,倒裝焊的典型例子是IBM公司的C4(Controlled-Collapse Chip Connection，可控塌陷芯片連接)技術(shù)。C4技術(shù)的凸緣制備主要通過(guò)電子束蒸發(fā)、濺散等工藝，將UBM(Under Bump Metallurg

27、y) 沉積在芯片的鋁焊盤(pán)上。UBM一般有三層，分別為鉻/鉻-銅（50%-50%）/銅。,第二章 封裝工藝流程,凸點(diǎn)芯片的類(lèi)型。在多層化金屬上可用多種方法形成不同尺寸和高度要求的凸點(diǎn)金屬，其分類(lèi)可按凸點(diǎn)材料分類(lèi)，也可按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行分類(lèi)。 按凸點(diǎn)材料分類(lèi)：Au凸點(diǎn)、Ni/Sn凸點(diǎn)、Cu凸點(diǎn)、Cu/Pb-Sn凸點(diǎn)In凸點(diǎn)Pb/Sn凸點(diǎn)(C4) 按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分類(lèi)：周邊形、面陣形 按凸點(diǎn)形狀分類(lèi)：蘑菇狀、直狀、球形、疊層,第二章 封裝工藝流程,凸點(diǎn)芯片焊區(qū)多層金屬化,第二章 封裝工藝流程,凸點(diǎn)芯片的制作工藝,蒸發(fā)/濺散凸點(diǎn)制作法,電鍍凸點(diǎn)制作法,置球及模板印刷制作焊料凸點(diǎn),蒸發(fā)/濺散凸點(diǎn)制作法 這是早

28、期常用的方法，因?yàn)樗cIC工藝兼容，工藝簡(jiǎn)單成熟。多層金屬和凸點(diǎn)金屬可以一次完成。 工藝流程： 制作掩模板-Si圓片安裝制作好的掩模板-Si圓片光刻掩模孔-蒸發(fā)/濺射各金屬層-蒸發(fā)/濺射凸點(diǎn)金屬-去掩模板、去除光刻膠，剝離多余的金屬層-形成凸點(diǎn)。 缺點(diǎn): 是形成的凸點(diǎn)大且低。如果形成一定高度的凸點(diǎn)需要的時(shí)間長(zhǎng)，真空濺散設(shè)備應(yīng)是多源多靶的，價(jià)格貴。成本高效率低，不適合大批量生產(chǎn)。,第二章 封裝工藝流程,蒸發(fā)UBM和凸點(diǎn)流程,電鍍凸點(diǎn)制作法 這是目前國(guó)際上普遍采用的方法，工藝成熟。加工過(guò)程少，工藝簡(jiǎn)單易行，適合大批量制作各種類(lèi)型的凸點(diǎn)。 基本工序： Si3N4鈍化，用激光燒毀不合格的芯片- 蒸發(fā)/

29、濺散Ti-W-Au-涂光刻膠-光刻電極窗口-腐蝕大面積Au-W-Ti-去膠，保留窗口多層電極-閃濺金屬層（Au）-貼厚光刻膠（膜）-套刻出凸點(diǎn)窗口-電鍍Au凸點(diǎn)-去除厚膠（膜）-腐蝕閃濺Au。,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,置球及模板印刷制作焊料凸點(diǎn) 在IC的Al焊區(qū)上形成多層金屬后，通過(guò)掩模板定位放置焊料球，然后在H2或N2氣氛保護(hù)下在回流爐中再流。焊料在掩模板的限制下，以底層金屬為基面收縮成半球狀的焊料凸點(diǎn)。 將置焊料球換成印制焊膏也可以制作焊料凸點(diǎn)。由于使用了助焊劑，形成凸點(diǎn)后要認(rèn)真去除焊劑殘留物。 工藝簡(jiǎn)單，成本較低適用于大尺寸，焊料凸點(diǎn)模板的制作精

30、度要求高,第二章 封裝工藝流程,置球及模板印刷制作焊料凸點(diǎn) 工藝流程 鈍化好的圓片- 覆蓋并固定掩模板- 置Pb-Sn焊料球- H2或N2保護(hù)氣氛下焊料球再流- 焊料冷卻收球- 取下掩模板- Pb-Sn焊料芯片凸點(diǎn)形成-,第二章 封裝工藝流程,第二章 封裝工藝流程,凸點(diǎn)芯片的FCB技術(shù) 制作的凸點(diǎn)芯片既可用于厚膜陶瓷基板上進(jìn)行FCB又可在薄膜陶瓷基板上進(jìn)行FCB,還可在PWB上直接將芯片F(xiàn)CB。這些基板既可以是單層的，也可以是多層的，而凸點(diǎn)芯片要倒裝在基板上層的金屬化焊區(qū)上。 （1）FCB互連基板的金屬焊區(qū)制作 要使FCB芯片與各類(lèi)基板互連達(dá)到一定的可靠性要求，關(guān)鍵是安裝互連FCB芯片的基板頂

31、層金屬焊區(qū)要與芯片凸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，與凸點(diǎn)金屬具有良好的壓焊或焊料浸潤(rùn)特性。 薄膜陶瓷基板的金屬化工藝：蒸發(fā)/濺射-光刻-電鍍 厚膜陶瓷基板的金屬化工藝：印制燒結(jié) PCB金屬化：線寬/間距約數(shù)百微米,第二章 封裝工藝流程,凸點(diǎn)芯片的FCB技術(shù) （2）FCB的工藝方法 FCB的工藝方法主要有以下幾種： 熱壓FCB法； 再流FCB法(C4)； 環(huán)氧樹(shù)脂光固化FCB法； 各向異性導(dǎo)電膠粘接FCB法。,第二章 封裝工藝流程,熱壓FCB法 使用倒裝焊接機(jī)完成對(duì)各種凸點(diǎn)，如Au凸點(diǎn)、Ni-Al凸點(diǎn)、Cu-Pb-Sn凸點(diǎn)的FCB。 倒裝焊接機(jī)是由光學(xué)攝像對(duì)位系統(tǒng)、檢拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺(tái)及顯示屏等組成的

32、精密設(shè)備。 將欲FCB的基板放置在承片臺(tái)上，用檢拾焊頭檢拾帶有凸點(diǎn)的芯片，面朝下對(duì)著基板，一路光學(xué)攝像頭對(duì)著凸點(diǎn)芯片面，一路光學(xué)攝像頭對(duì)著基板上的焊區(qū)，分別進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)對(duì)位，并顯示在屏上。待調(diào)準(zhǔn)對(duì)位達(dá)到要求的精度后，即可落下壓焊頭進(jìn)行壓焊。壓焊頭可加熱，并帶有超聲，同時(shí)承片臺(tái)也對(duì)基板加熱，在加熱、加壓、超聲到設(shè)定的時(shí)間后就完成所有凸點(diǎn)與基板焊區(qū)的焊接。 FCB與基板的平行度非常重要，如果它們不平行，焊接后的凸點(diǎn)形變將有大有小，致使拉力強(qiáng)度也有高有低，有的焊點(diǎn)可能達(dá)不到使用要求。,第二章 封裝工藝流程,再流FCB法 這種焊接方法專對(duì)各類(lèi)Pb-Sn焊料凸點(diǎn)進(jìn)行再流焊接，俗稱再流焊接法。這種FCB技術(shù)最

33、早起源于于美國(guó)IBM公司，又稱C4技術(shù)，即可控塌陷芯片連接。 C4技術(shù)倒裝焊的特點(diǎn)是： 1）不但可與光滑平整的陶瓷/硅基板金屬焊區(qū)互連，還能與PWB上的金屬焊區(qū)互連。 2）C4的芯片凸點(diǎn)使用高熔點(diǎn)的焊料（如90%Pb-10%Sn）,而PWB上的焊區(qū)使用低熔點(diǎn)的常規(guī)37%Pb-63%Sn焊料，倒裝焊再流時(shí)，C4凸點(diǎn)不變形，只有低熔點(diǎn)的焊料熔化，這就可以彌補(bǔ)PWB基板的缺陷（如凹凸扭曲等）產(chǎn)生焊接不均勻問(wèn)題。 3）倒裝焊時(shí)Pb-Sn焊料熔化再流時(shí)較高的表面張力會(huì)產(chǎn)生“自對(duì)準(zhǔn)效果，這就使C4芯片倒裝焊時(shí)對(duì)準(zhǔn)精度要求大為寬松。,第二章 封裝工藝流程,再流FCB法,第二章 封裝工藝流程,環(huán)氧樹(shù)脂光固化倒

34、裝焊法 這是一種微凸點(diǎn)FCB法。日本曾用這種方法對(duì)6mm6mm芯片成功進(jìn)行倒裝焊，Au凸點(diǎn)僅為5m5m，節(jié)距只有10m，載有2320個(gè)微凸點(diǎn)。與一般倒裝焊截然不同的是，這里利用光敏樹(shù)脂光固化時(shí)產(chǎn)生的收縮力將凸點(diǎn)與基板上謹(jǐn)慎焊區(qū)牢固地互連在一起，不是“焊接”，而是“機(jī)械接觸”。,第二章 封裝工藝流程,各向異性導(dǎo)電膠（Anisotropic Conductive Adhesive） 在大量的液晶顯示器(LCD)與IC芯片連接的應(yīng)用中，典型的是使用各向異性導(dǎo)電膠薄膜（ACAF）將TAB的外引線焊接（OLB）到玻璃顯示板的焊區(qū)上，但最小外引腳焊接（OLB outer lead bonding）的節(jié)距為

35、70m。而使用各向異性導(dǎo)電膠(ACA)可以直接倒裝焊再玻璃基板上，稱為玻璃上芯片(COG)技術(shù)。,第二章 封裝工藝流程,各向異性導(dǎo)電膠 ACA有熱固型、熱塑型和紫外光(UV)固化型幾種，而以UV型最佳，熱固型次之。 UV型的固化速度快，無(wú)溫度梯度，故芯片和基板均不需加熱，因此不需考慮由UV照射固化產(chǎn)生的微弱熱量引起的熱不匹配問(wèn)題。 UV的光強(qiáng)可在1500mW/cm2以上，光強(qiáng)越強(qiáng)，固化時(shí)間越短。一般照射數(shù)秒后，讓ACA達(dá)到“交聯(lián)”，這時(shí)可去除壓力，繼續(xù)光照，方可達(dá)到完全固化。光照時(shí)需加壓，100m100m的凸點(diǎn)面積，需加壓0.5N/凸點(diǎn)以上。,第二章 封裝工藝流程,為了制作更小、精度更高的LC

36、D，就要不斷縮小IC芯片的凸點(diǎn)尺寸、凸點(diǎn)節(jié)距或倒裝焊節(jié)距。例如小于50m凸點(diǎn)尺寸或節(jié)距，這樣使用ACA常規(guī)倒裝焊方法，將使橫向短路的可能性隨之增加。為了消除這種不良影響，使用ACA倒裝焊方法要加以改進(jìn)，其中設(shè)置尖峰狀的絕緣介質(zhì)壩就是一種有效的方法。,第二章 封裝工藝流程,各類(lèi)倒裝焊工藝方法的比較,倒裝焊接后的芯片下填充 倒裝焊后，在芯片與基板間填充環(huán)氧樹(shù)脂，不但可以保護(hù)芯片免受環(huán)境如濕汽、離子等污染，利于芯片在惡劣環(huán)境下正常工作，而且可以使芯片耐受機(jī)械振動(dòng)和沖擊。特別是填充樹(shù)脂后可以減少芯片與基板（尤其PWB）間膨脹失配的影響，即可減小芯片凸點(diǎn)連接處的應(yīng)力和應(yīng)變。,第二章 封裝工藝流程,倒裝焊

37、芯片下填充環(huán)氧樹(shù)脂填料要求 應(yīng)小于倒裝焊芯片與基板間的間隙，以達(dá)到芯片下各處完全填充覆蓋。 填料應(yīng)無(wú)揮發(fā)性，因?yàn)閾]發(fā)能使芯片下產(chǎn)生間隙，從而導(dǎo)致機(jī)械失效。 應(yīng)盡可能減小乃至消除失配應(yīng)力，填料與倒裝芯片凸點(diǎn)連接處的z方向CTE(Coefficient of Thermal Expansion 熱膨脹系數(shù))應(yīng)大致匹配。 為避免PWB產(chǎn)生形變，填料的固化溫度要低一些。 要達(dá)到耐熱循環(huán)沖擊的可靠性，填料應(yīng)有高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。 對(duì)于存儲(chǔ)器等敏感器件，填充放射性低的填料至關(guān)重要。 填料的粒子尺寸 在填充溫度操作條件下的填料粘滯性要低，流動(dòng)性要好，即填料的粘滯性應(yīng)隨著溫度的提高而降低。 為使倒裝焊互連具有較

38、小的應(yīng)力，填料應(yīng)具有較高的彈性模量和彎曲強(qiáng)度。 在高溫高濕環(huán)境條件下，填料的絕緣電阻要高，即要求雜質(zhì)離子（Cl-、Na、K等）數(shù)量要低。 填料抗各種化學(xué)腐蝕的能力要強(qiáng)。,第二章 封裝工藝流程,填料的填充方法 實(shí)際填充時(shí)，將倒芯片和基板加熱到70-75，利用加有填料、形狀如同“L”的注射器，沿著芯片的邊緣雙向注射填料。 由于毛細(xì)管虹吸作用，填料被吸入，并向芯片-基板的中心流動(dòng)。一個(gè)12.7mm見(jiàn)方的芯片，10分鐘可完全充滿縫隙，用料大約0.03ml。 填充后要對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化?？稍诤嫦渲蟹侄紊郎兀_(dá)到固化溫度后，保溫3-4小時(shí)，即可達(dá)到完全固化。,第二章 封裝工藝流程,2.5 成型技術(shù) 芯片

39、互連完成之后就到了塑料封裝的步驟，即將芯片與引線框架包裝起來(lái)。這種成型技術(shù)有金屬封裝、塑料封裝、陶瓷封裝等，但從成本的角度和其它方面綜合考慮，塑料封裝是最為常用的封裝方式，它占據(jù)90%左右的市場(chǎng)。,第二章 封裝工藝流程,2.5 成型技術(shù) 1、塑料封裝的種類(lèi)和材料 塑料封裝的成型技術(shù)有多種，包括轉(zhuǎn)移成型技術(shù)（Transfer Molding）、噴射成型技術(shù)（Inject Molding）、預(yù)成型技術(shù)（Premolding）等，但最主要的是轉(zhuǎn)移成型技術(shù)。轉(zhuǎn)移成型使用的材料一般為熱固性聚合物（Thermosetting Polymer）。 熱固性聚合物是指低溫時(shí)聚合物是塑性的或流動(dòng)的，但將其加熱到一

40、定溫度時(shí)，即發(fā)生所謂的交聯(lián)反應(yīng)（Cross-inking），形成剛性固體。若繼續(xù)加熱，則聚合物只能變軟而不可能熔化、流動(dòng)。,第二章 封裝工藝流程,2.5 成型技術(shù) 2、轉(zhuǎn)移成型工藝流程 將已貼裝芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中; 將塑封的預(yù)成型塊在預(yù)熱爐中加熱（預(yù)熱溫度在90-95之間），然后放入轉(zhuǎn)移成型機(jī)的轉(zhuǎn)移罐中。 在轉(zhuǎn)移成型壓力下，塑封料被擠壓到澆道中，經(jīng)過(guò)澆口注入模腔（整個(gè)過(guò)程中，模具溫度保持在170-175） 塑封料在模具中固化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保壓，使模塊達(dá)到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，就完成成型過(guò)程。,第二章 封裝工藝流程,2.5 成型技術(shù) 3、轉(zhuǎn)移成型設(shè)備 在自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)

41、備中，產(chǎn)品的預(yù)熱、模具的加熱和轉(zhuǎn)移成型操作都在同一臺(tái)設(shè)備中完成，并由計(jì)算機(jī)實(shí)施控制。也就是說(shuō)預(yù)熱、框架帶的放置、模具放置等工序都可以達(dá)到完全自動(dòng)化。,第二章 封裝工藝流程,轉(zhuǎn)移成型技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 技術(shù)和設(shè)備成熟，工藝周期短，成本低，幾乎沒(méi)有后整理，適合于大批量生產(chǎn) 塑封料的利用率不高，使用標(biāo)準(zhǔn)的框架材料，不利于應(yīng)用到較先進(jìn)的封裝技術(shù)，對(duì)于高密度封裝有限制,2.6 去飛邊毛刺 在塑料封裝中的塑封料樹(shù)脂溢出、貼帶毛邊、引線毛刺等統(tǒng)稱為飛邊毛刺現(xiàn)象。例如，塑封料只在模塊外的框架上形成薄薄的一層，面積也很小，通常稱為樹(shù)脂溢出。若滲出部分較多、較厚，則稱為毛刺或是飛邊毛刺。它會(huì)給后續(xù)工序（如切筋成型）帶來(lái)

42、麻煩，甚至?xí)p壞機(jī)器。,第二章 封裝工藝流程,2.6 去飛邊毛刺 去飛邊毛刺主要工序,第二章 封裝工藝流程,介質(zhì)去飛邊毛刺,用介質(zhì)去飛邊毛刺時(shí)，是將研磨料（如顆粒狀的塑料球）與高壓空氣一起沖洗模塊。在去飛邊毛刺過(guò)程中，介質(zhì)會(huì)將框架引腳的表面輕微擦磨，這將有助于焊料和金屬框架的粘連。,水去飛邊毛刺,用水去飛邊毛刺工藝是利用高壓的水流來(lái)沖擊模塊，有時(shí)也會(huì)將研磨料與高壓水流一起使用。用溶劑來(lái)去飛邊毛刺通常只適用于很薄的毛刺。溶劑包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)或雙甲基呋喃（DMF）。,2.7 上焊錫 封裝后要對(duì)框架外引線進(jìn)行上焊錫處理，目的是在框架引腳上做保護(hù)層和增加其可焊性。上焊錫可用二種方法，電鍍和浸錫。 電鍍工序： 清洗-在電鍍槽中進(jìn)行電鍍-沖洗-吹干-烘干（在烘箱中） 浸錫工序： 去飛邊-去油-去氧化物-浸助焊劑-熱浸錫（熔融焊錫，Sn/Pb=63/67）-清洗-烘干 二種方法比較： 浸錫容易引起鍍層不均勻，中間厚，邊上?。ū砻鎻埩ψ饔茫ｋ婂冎虚g薄角周?chē)瘢姾杉坌?yīng)）。電鍍液還會(huì)造成離子污染。,第