集成电路芯片封装技术第2章

第二章封装工艺流程[e-mail]2.1.1为什么要学习封装工艺流程熟悉封装工艺流程是认识封装技术的前提，是进行封装设计、制造和优化的基础。芯片封装和芯片制造不在同一工厂完成它们可能在同一工厂不同的生产区、或不同的地区，甚至在不同的国家。许多工厂将生产好的芯片送到几千公里以外的地方去做封装。芯片一般在做成集成电路的硅片上进行测试。在测试中，先将有缺陷的芯片打上记号（打一个黑色墨点），然后在自动拾片机上分辨出合格的芯片。第二章封装工艺流程2.1.2封装工艺流程概况流程一般可以分成两个部分：在用塑料封装之前的工序称为前段工序，在成型之后的操作称为后段工序。成型工序是在净化环境中进行的，由于转移成型操作中机械水压机和预成型品中的粉尘达到1000级以上（空气中0.3μm粉尘达1000个/m3以上）。现在大部分使用的封装材料都是高分子聚合物，即所谓的塑料封装。第二章封装工艺流程概述硅片减薄芯片互连硅片切割芯片帖装成型技术打码去飞边毛刺上焊锡切筋成型芯片封装技术（一级）2.2芯片切割2.2.1、为什么要减薄半导体集成电路用硅片4吋厚度为520μm，6吋厚度为670μm。这样就对芯片的切分带来困难。因此电路层制作完成后，需要对硅片背面进行减薄，使其达到所需要的厚度，然后再进行划片加工，形成一个个减薄的裸芯片。第二章封装工艺流程2.2.2减薄工艺硅片背面减技术主要有：磨削、研磨、化学抛光干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀等离子增强化学腐蚀、常压等离子腐蚀等第二章封装工艺流程减薄厚硅片粘在一个带有金属环或塑料框架的薄膜（常称为蓝膜）上，送到划片机进行划片。现在划片机都是自动的，机器上配备激光或金钢石的划片刀具。切割分部分划片（不划到底，留有残留厚度）和完全分割划片。对于部分划片，用顶针顶力使芯片完全分离。划片时，边缘或多或少会存在微裂纹和凹槽这取决于刀具的刃度。这样会严重影响芯片的碎裂强度。2.2.2减薄工艺先划片后减薄和减薄划片两种方法第二章封装工艺流程DBG(dicingbeforegrinding)在背面磨削之前，将硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再进行磨削。DBT(dicingbythinning)在减薄之前先用机械的或化学的方法切割出一定深度的切口，然后用磨削方法减薄到一定厚度后，采用常压等离子腐蚀技术去除掉剩余加工量。。这两种方法都很好地避免了或减少了减薄引起的硅片翘曲以及划片引起的边缘损害，大大增强了芯片的抗碎能力。芯片切割DBG法（先划片后减薄）第二章封装工艺流程芯片贴装（diemount/bonding/attachment)目的：实现芯片与底座（chipcarrier）的连接.要求：机械强度化学性能稳定导电、导热热匹配可操作性第二章封装工艺流程2.3芯片贴装芯片贴装，也称芯片粘贴，是将芯片固定于封装基板或引脚架芯片的承载座上的工艺过程。第二章封装工艺流程•共晶粘贴法•焊接粘贴法•导电胶粘贴法•玻璃胶粘贴法贴装方式2.3.1共晶粘贴法一般工艺方法陶瓷基板芯片座上镀金膜-将芯片放置在芯片座上-热氮气氛中（防氧化）加热并使粘贴表面产生摩擦（去除粘贴表面氧化层）-约425℃时出现金-硅反应液面，液面移动时，硅逐渐扩散至金中而形成紧密结合。第二章封装工艺流程优点：金-硅共晶焊接机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高,高温性能好，不脆化。缺点：生产效率低，不适应高速自动化生产。2.3.1共晶粘贴法预型片法，此方法适用于较大面积的芯片粘贴。优点是可以降低芯片粘贴时孔隙平整度不佳而造成的粘贴不完全的影响。第二章封装工艺流程2.3.2焊接粘贴法焊接粘贴法是利用合金反应进行芯片粘贴的方法。优点是热传导性好。一般工艺方法将芯片背面淀积一定厚度的Au或Ni，同时在焊盘上淀积Au-Pd-Ag和Cu的金属层。然后利用合金焊料将芯片焊接在焊盘上。焊接工艺应在热氮气或能防止氧化的气氛中进行。第二章封装工艺流程所用材料硬质焊料：金-硅、金-锡、金锗；（塑变应力高，抗疲劳抗潜变特性好）软质焊料：铅-锡、铅-锡-铟.2.3.3导电胶粘贴法导电胶是银粉与高分子聚合物（环氧树脂）的混合物。银粉起导电作用，而环氧树脂起粘接作用。第二章封装工艺流程导电胶有三种配方：（1）各向同性材料，能沿所有方向导电。（2）导电硅橡胶，能起到使器件与环境隔绝，防止水、汽对芯片的影响，同时还可以屏蔽电磁干扰。（3）各向异性导电聚合物，电流只能在一个方向流动。在倒装芯片封装中应用较多。无应力影响。三种导电胶的特点是：化学接合、具有导电功能。导电胶贴装工艺第二章封装工艺流程膏状导电胶：用针筒或注射器将粘贴剂涂布到芯片焊盘上（不能太靠近芯片表面，否则会引起银迁移现象），然后用自动拾片机（机械手）将芯片精确地放置到焊盘的粘贴剂上，在一定温度下固化处理（150℃1小时或186℃半小时）。固体薄膜：将其切割成合适的大小放置于芯片与基座之间，然后再进行热压接合。采用固体薄膜导电胶能自动化大规模生产。导电胶粘贴法的缺点是热稳定性不好，高温下会引起粘接可靠度下降，因此不适合于高可靠度封装。玻璃胶粘贴法与导电胶类似，玻璃胶也属于厚膜导体材料（后面我们将介绍）。不过起粘接作用的是低温玻璃粉。它是起导电作用的金属粉（Ag、Ag-Pd、Au、Cu等）与低温玻璃粉和有机溶剂混合，制成膏状。•优点：所得芯片封装无空隙、热稳定性优良、低结合应力以及湿气含量低；•缺点：有机成分与溶剂必须除去，否则危害可靠性。第二章封装工艺流程在芯片粘贴时，用盖印、丝网印刷、点胶等方法将胶涂布于基板的芯片座中，再将芯片置放在玻璃胶之上，将基板加温到玻璃熔融温度以上即可完成粘贴。由于完成粘贴的温度要比导电胶高得多，所以它只适用于陶瓷封装中。在降温时要控制降温速度，否则会造成应力破坏，影响可靠度。2.4芯片互连芯片互连是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上的金属焊区相连接。芯片互连常见的方法：第二章封装工艺流程打线键合（WBwirebonding）倒装芯片键合(FCBflipchipbonding，C4)载带自动键合（TABtapeautomatebonding）这三种连接技术对于不同的封装形式和集成电路芯片集成度的限制各有不同的应用范围。打线键合适用引脚数为3-257；载带自动键合的适用引脚数为12-600；倒装芯片键合适用的引脚数为6-16000。可见C4适合于高密度组装。2.4.1打线键合技术第二章封装工艺流程打线键合技术超声波键合（UltrasonicBonding,U/Sbonding）热压键合（ThermocompressionBondingT/Cbonding）热超声波键合（ThermosonicBonding,T/Sbonding）提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以相同或不同。WB技术作用机理球形键合第一键合点第二键合点楔形键合第一键合点第二键合点2.4.1打线键合技术介绍（1）超声波键合第二章封装工艺流程优点：键合点尺寸小，回绕高度低，适合于键合点间距小、密度高的芯片连接。缺点：所有的连线必须沿回绕方向排列（这不可能），因此在连线过程中要不断改变芯片与封装基板的位置再进行第2根引线的键合。从而限制了打线速度。2.4.1打线键合技术介绍（2）热压键合第二章封装工艺流程先将金属线穿过毛细管状的键合工具（称为瓷嘴或焊针），该工具是由碳化钨或氧化铝等耐高温材料制成；然后再电子点火或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力作用使线的末端灼烧成球（直径约为金属线直径的2-3倍），键合工具再将金属球压至已经预热到150-250℃的第一金属焊垫上进行球形键合。此时球形键合点受压稍有变形，其目的一是增加键合面积，二是穿破表面氧化层，以形成紧密键合。球形键合完成后，键合工具升起并引导金属线至第二键合点上进行楔形接合（不需烧成金属球，而是将金属线直接压到焊区上）。由于键合工具顶端是圆锥形的，所以得到的焊点通常为新月状。由于热压焊是在高温下进行的，通常使用的金属线为金线（抗氧化性强）。为降低成本有时也用铝线。铝线的2个焊接点是楔形的。原因是铝线不易在线的末端灼烧成球。（3）热超声波键合热超声波键合是热压键合与超声波键合的混合技术。在工艺过程中，先在金属线末端成球，再使用超声波脉冲进行金属线与金属接垫之间的接合。此过程中接合工具不被加热，仅给接合的基板加热(温度维持在100-150℃)。其目的是抑制键合界面的金属间化合物（类似于化学键，金属原子的价电子形成键）的成长，和降低基板高分子材料因高温产生形变。第二章封装工艺流程不同键合方法采用的键合材料也有所不同：热压键合和金丝球键合主要选用金（Au）丝，超声键合则主要采用铝（Al）丝和Si-Al丝（Al-Mg-Si、Al-Cu等）键合金丝是指纯度约为99.99％，线径为l8～50μm的高纯金合金丝，为了增加机械强度，金丝中往往加入铍(Be)或铜。WB线材及其可靠度打线键合技术(WB)影响因素：1.金铝金属间化合物（AuAl2或Au5Al2)是主因；2.线材、键合点与金属间化合物之间的交互扩散产生的孔洞；3.其他，键合点金属化工艺与封装材料之间的反应，亦可生成金属间化合物。2.4.2载带自动键合技术第二章封装工艺流程载带自动健合技术是在类似于135胶片的柔性载带粘结金属薄片，（像电影胶片一样卷在一带卷上，载带宽度8-70mm。在其特定的位置上开出一个窗口。窗口为蚀刻出一定的印刷线路图形的金属箔片。引线排从窗口伸出，并与载带相连，载带边上有供传输带用的齿轮孔。当载带卷转动时，载带依靠齿孔往前运动，使带上的窗口精确对准带下的芯片。再利用热压模将导线排精确键合到芯片上。可见TAB技术与一般的压丝引线技术不同。后者的特点是将一根、一根的引线先后分立的快速的键合到搭接片上。TAB技术中内引线键合后还要作后道工序，包括电学测试、通电老化，外引线键合、切下，最后进行封装工艺。过去，TAB技术不受重视的原因：（1）TAB技术初始投资大；（2）开始时TAB工艺设备不易买到，而传统的引线工艺已得到充分的发展，且其生产设备也容易买到；（3）有关TAB技术资料和信息少。但是随着芯片信息容量及随之而来的引脚数的增加，传统的分立引线工艺显得力不从心。为降低引线成本的需要，TAB技术越来越受到人们的青睐，促使许多半导体厂家积极开发研究。第二章封装工艺流程TAB技术较之常用的引线工艺的优点：•1）TAB结构轻、薄、短、小，封装高度1mm•2）TAB电极尺寸、电极与焊区间距较之WB小•3）TAB容纳I/O引脚数更多，安装密度高•4）TAB引线电阻、电容、电感小，有更好的电性能•5）可对裸芯片进行筛选和测试•6）采用Cu箔引线，导电导热好，机械强度高•7）TAB键合点抗键合拉力比WB高（3-10倍）•8）TAB采用标准化卷轴长带，对芯片实行多点一次焊接，自动化程度高第二章封装工艺流程TAB技术分类TAB按其结构和形状可分为：Cu箔单层带、Cu-PI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金属带等四种。2.4.2载带自动键合技术TAB技术的关键材料基带材料：要求耐高温，与金属箔粘贴性好，热匹配性好，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低。例如，聚酰亚胺（PI）、聚乙烯对本二甲酸脂（PET）和苯并环丁烯（BCB）TAB金属材料：要求导电性能好，强度高，延展性、表面平滑性良好，与各种基带粘贴牢固，不易剥离，易于用光刻法制作出精细复杂的图形，易电镀Au、Ni、Pb/Sn焊接材料，例如，Al、Cu。芯片凸点金属材料：一般包括金属Au、Cu、Au/Sn、Pd/Sn。第二章封装工艺流程2.4.2载带自动键合技术TAB的关键技术芯片凸点制作技术TAB载带制作技术载带引线与芯片凸点的内引线焊接和载带外引线焊接技术第二章封装工艺流程2.4.2载带自动键合技术TAB的关键技术--芯片凸点制作技术第二章封装工艺流程IC芯片制作完成后其表面均镀有