2第二講_芯片貼裝與芯片互連

1、第二章 芯片貼裝與芯片互連,概述,概述,芯片封裝技術(shù)（一級(jí)）,單晶硅棒,概述,第二章 芯片貼裝與芯片互連,2.1 芯片制備 2.2 芯片貼裝 2.3 芯片互連,2.1 芯片制備,2.1 芯片制備,矽？晶圓？,1961，菲爾查德在硅晶片上制造的第一個(gè)集成電路,2.1 芯片制備,2.1 芯片制備,晶圓制備,硅的提純,2.1 芯片制備,晶圓制備,硅的提純,2.1 芯片制備,晶圓制備,晶棒制備 晶體生長技術(shù)：區(qū)熔法；布里曼生長法；CZ直拉法,優(yōu)點(diǎn)：工藝成熟，投量量； 適于生長大直徑單晶； 缺點(diǎn)：不可避免來自坩堝及 加熱棒的污染.,2.1 芯片制備,晶棒制備,2.1 芯片制備,晶圓制備,晶棒制備,2.

2、芯片制備,晶圓制備 硅棒制備,2.1 芯片制備,晶圓制備 硅棒制備,2.1 芯片制備,晶圓制備 晶圓切片,多線切割機(jī),2.1 芯片制備,晶圓制備 晶圓尺寸,據(jù)國外媒體報(bào)道，三大巨頭 英特爾 、三星和臺(tái)積電本周宣布，他們將于2012年合作開發(fā)450mm晶圓的試生產(chǎn) ；但是要研發(fā)450mm晶圓所需的設(shè)備，投資可能高達(dá)1000億美元 。,使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個(gè)處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個(gè)處理器核心。,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 臨時(shí)性地涂覆光刻膠到硅片上； 把設(shè)計(jì)圖形最終轉(zhuǎn)移到硅片上； IC制造中最重要的工藝； 占用40-50%

3、的芯片制造時(shí)間； 決定著芯片的最終尺寸.,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 涂膠,六甲基乙硅氮烷,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 曝光,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 顯影,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 濕法刻蝕,干法刻蝕,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 刻蝕多晶硅,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝 離子注入,2.1 芯片制備,光刻與刻蝕工藝,2.1 芯片制備,芯片切割,DBG法（先劃片后減?。?2.1 芯片制備,芯片切割,2.1 芯片制備,芯片切割,2.2 芯片貼裝,芯片貼裝（die mount/bonding/attachment) 目的：實(shí)現(xiàn)芯片與底座（chip carrier

4、）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,2.2 芯片貼裝（die mount),2.2.1 共晶粘貼法 2.2.2 焊接粘貼法 2.2.3 導(dǎo)電膠粘貼法 2.2.4 玻璃膠粘貼法,2.2 芯片貼裝,2.2.1 共晶粘貼法,2.2 芯片貼裝,2.2.1 共晶粘貼法 潤濕性的重要性； 預(yù)型片的使用（Au-2%Si合金）；,優(yōu)點(diǎn)：金-硅共晶焊接機(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)。,2.2 芯片貼裝,2.2.2 焊接粘貼法 所用氣氛：熱氮?dú)?工藝優(yōu)點(diǎn)：熱傳導(dǎo)性好,所用材料 硬質(zhì)焊料：金-硅、金-錫、金鍺

5、； （塑變應(yīng)力高，抗疲勞抗?jié)撟兲匦院茫?軟質(zhì)焊料：鉛-錫、鉛-錫-銦.,2.2 芯片貼裝,2.2.3 導(dǎo)電膠粘貼法 三種導(dǎo)電膠： （1）各向同性材料； （2）導(dǎo)電硅橡膠； （3）各向異性導(dǎo)電聚合物。 共同點(diǎn)：表面形成化學(xué)結(jié)合和導(dǎo)電功能。,2.2 芯片貼裝,2.2.3 導(dǎo)電膠粘貼法,2.2 芯片貼裝,2.2.3 導(dǎo)電膠粘貼法 芯片粘結(jié)劑： 環(huán)氧樹脂；聚酰亞胺；硅氧烷聚酰亞胺。 填充料： 銀顆?；蛘咩y薄片（75-80%） 使用考慮因素： 流動(dòng)性；粘著性；熱傳導(dǎo)性；電導(dǎo)性；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；吸水性.,2.2 芯片貼裝,2.2.4 玻璃膠粘貼法,類似于銀漿粘接技術(shù)，主要用于陶瓷封裝需 要嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度

6、. 優(yōu)點(diǎn)：所得芯片封裝無空隙、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、低結(jié)合應(yīng)力以及濕氣含量低； 缺點(diǎn)：有機(jī)成分與溶劑必須除去，否則危害可靠性。,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB) 2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)(TAB) 2.3.3 倒裝芯片鍵合技術(shù)(FCB/C4),芯片焊區(qū),芯片互連,I/O引線,半導(dǎo)體失效約有1/4-1/3是由芯片互連所引起， 因此芯片互連對(duì)器件可靠性意義重大！,2.3 芯片互連,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB) 主要的打線鍵合技術(shù)： .,楔形接點(diǎn),球形接點(diǎn),超聲波鍵合； 熱壓鍵合； 熱超聲波鍵合,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB),頻率：20-60

7、kHz； 振幅：20-200m； 冷焊？,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB),2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB),2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB) 打線鍵合的線材 鋁線：鋁-1%硅合金； 0.5-1%鎂的鋁線； 鋁鎂硅合金或鋁銅合金. 金線： 含5-100ppm 鈹 含30-100ppm 銅 其他線材： 銀線，銅線,PCB或封裝不能加熱 的情況之下； 間距小于60 micron.,用量超過90% 間距大于60micron。,2.3 芯片互連,2.3.1 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

8、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。,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB) 鍵合拉力測試 鍵合剪切力測試,2.3 芯片互連,2.3.1 打線鍵合技術(shù)(WB) 焊接方法 絲球焊 超聲楔焊,絲球焊,絲球焊工藝,絲球焊設(shè)備-自動(dòng)化設(shè)備,絲球焊設(shè)備-半自動(dòng),劈刀端部形狀-1,劈刀端部形狀-2,劈刀頭部凹槽形狀,第一鍵合點(diǎn)形狀,第二鍵合點(diǎn),完整的絲球焊鍵合,鍵合強(qiáng)度與超聲頻率的關(guān)系,超聲楔焊,2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù),2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB

9、的關(guān)鍵技術(shù) 2.3.2.2 TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料 2.3.2.3 TAB的特點(diǎn),2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB的關(guān)鍵技術(shù) （1）芯片凸點(diǎn)制作技術(shù),光刻膠做掩膜,2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB的關(guān)鍵技術(shù) （1）芯片凸點(diǎn)制作技術(shù),2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB的關(guān)鍵技術(shù) （1）芯片凸點(diǎn)制作技術(shù),凸塊轉(zhuǎn)移技術(shù),2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB的關(guān)鍵技術(shù) （2）TAB載帶制作技術(shù) 單層帶（Cu箔）-工藝簡單； 熱穩(wěn)定性好，價(jià)位低；不能做電性測試，

10、容易變形。 雙層帶（Cu-PI雙層）； 高溫穩(wěn)定性好，可作電性測試，電性能優(yōu)良；價(jià)位高，亦彎曲，容易變形。 三層帶（Cu-粘貼劑-PI）-最為常用 可作電性測試，適合大規(guī)模生產(chǎn)；價(jià)位高，不適用于高溫鍵合。,載帶上Cu箔引線的圖形結(jié)構(gòu)與制作工藝,2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.1 TAB的關(guān)鍵技術(shù) （3）載帶引線和芯片凸點(diǎn)的內(nèi)引線焊接與外引線焊接技術(shù),熱壓組合鍵合方法,單點(diǎn)熱壓鍵合方法,激光鍵合,TAB外引線鍵合,2.3.2.2 TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料 基帶材料 要求 高溫性能 與Cu箔的粘接性、熱匹配性好 尺寸穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好；機(jī)械強(qiáng)度高 材料 聚酰亞胺(PI)薄膜

11、，早期最廣泛使用的材料，價(jià)格稍高 聚乙烯對(duì)苯二甲酸脂(PET)薄膜 苯丙環(huán)丁稀(BCB)薄膜 導(dǎo)體材料 Cu箔 與基帶連接牢固；導(dǎo)熱、導(dǎo)聚乙烯對(duì)苯二甲酸脂(PET)薄膜 苯丙環(huán)電性能好；易于電鍍。 厚度有18、35、70微米 鋁箔使用較少 規(guī)格 寬度以35mm最常用。另有70mm和158mm等規(guī)格。 金屬材料 Au，Ni，Pb/Sn焊接材料 芯片凸點(diǎn)金屬材料 Au，Cu/Au，Au/Sn，Pb/Sn,2.3 芯片互連,2.3.2 載帶自動(dòng)鍵合技術(shù) 2.3.2.3 TAB的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)輕、薄、短、??； 電極尺寸、電極與焊區(qū)的間距比WB大為減??； 可容納更多引腳，提高安裝密度； 可對(duì)IC芯片進(jìn)行電老

12、化、篩選和測試； 焊點(diǎn)鍵合拉力比WB高3-10倍。,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),封裝結(jié)構(gòu),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)結(jié)構(gòu),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-蒸發(fā)沉積凸點(diǎn),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-電鍍法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-植球法,2.4 芯片互連,2.4

13、.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-印刷凸點(diǎn),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-釘頭凸點(diǎn),2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-微球法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-微球法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù),凸點(diǎn)形成工藝-Tachy dotsTM法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) (2)凸點(diǎn)芯片的倒裝焊 倒裝焊互連基板的金屬焊區(qū)要求： 焊區(qū)與芯片凸點(diǎn)金屬具有良好的浸潤性； 基板焊區(qū)：Ag/Pd、Au、Cu(厚膜） Au、Ni、Cu（薄膜）,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) (2)凸點(diǎn)芯片的倒裝焊,熱壓焊倒裝焊法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) (2)凸點(diǎn)芯片的倒裝焊,再流焊倒裝焊法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) (2)凸點(diǎn)芯片的倒裝焊,環(huán)氧樹脂光固化倒裝焊法,2.4 芯片互連,2.4.3 倒裝芯片鍵合技術(shù) (2)凸點(diǎn)芯片的倒裝焊,各向異性導(dǎo)電膠,導(dǎo)電粒子含量：10%,2.4 芯片互連,2.4.3 倒