集成电路芯片封装第2章-芯片互连技术

第2章封装工艺流程——芯片互连技术前课回顾1.集成电路芯片封装工艺流程2.成型技术分类及其原理转移成型技术（TransferMolding）、喷射成型技术（InjectMolding）、预成型技术（Pre-Molding）3.常见芯片互连方法有哪些？一、引线键合技术（WB）主要内容二、载带自动键合技术（TAB）三、倒装芯片键合技术（FCB）1、引线键合技术概述引线键合技术是将半导体裸芯片（Die）焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区（Pad）用金属细丝连接起来的工艺技术。一、引线键合技术（WB）2、引线键合技术分类和应用范围常用引线键合方式有三种：热压键合超声波键合热超声波（金丝球）键合特点：低成本、高可靠、高产量等，WB成为芯片互连主要工艺方法，用于下列封装:·陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP·陶瓷和塑料封装QFP·芯片尺寸封装(CSP)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。3、WB技术作用机理（1）超声波键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常用于Al丝键合，键合点两端都是楔形。（2）热压键合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形，常用于Au丝键合。（3）金丝球键合：用于Au和Cu丝的键合。采用超声波能量，键合时要提供外加热源。3、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4、引线键合接点外形采用导线键合的芯片互连5、引线键合技术实例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。6、WB线材及其可靠度键合对金属材料特性的要求：可塑性好，易保持一定形状，化学稳定性好；尽量少形成金属间化合物，键合引线和焊盘金属间形成低电阻欧姆接触。6、WB线材及其可靠度柯肯达尔效应：两种扩散速率不同的金属交互扩散形成缺陷：如Al-Au键合后，Au向Al中迅速扩散，产生接触面空洞。通过控制键合时间和温度可较少此现象。1）金属间化合物形成——常见于Au-Al键合系统，紫斑和白斑2）引线弯曲疲劳——引线键合点跟部出现裂纹。3）键合脱离——指键合点颈部断裂造成电开路。4）键合点和焊盘腐蚀腐蚀可导致引线一端或两端完全断开，从而使引线在封装内自由活动并造成短路。7、WB可靠性问题1、载带自动键合（TAB）技术概述载带自动焊(TapeAutomatedBonding，TAB)技术是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集成电路封装技术；将芯片焊区与电子封装体外壳的I/O或基板上的布线焊区用有引线图形金属箔丝连接，是芯片引脚框架的一种互连工艺。二、载带自动键合技术（TAB）2、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。TAB技术首先在高聚物上做好元件引脚的引线框架，然后将芯片按其键合区对应放在上面，然后通过热电极一次将所有的引线进行键合。TAB工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的键合在一起，然后对芯片进行密封保护。载带自动键合（TAB）技术3、TAB技术工艺流程3、TAB技术工艺流程3、TAB技术工艺流程4、TAB关键技术TAB工艺关键部分有：芯片凸点制作、TAB载带制作和内、外引线焊接等。TAB关键技术-凸点制作5、载带制作工艺实例—Cu箔单层带1）冲制标准定位传送孔2）Cu箔清洗3）Cu箔叠层4）Cu箔涂光刻胶（双面）5）刻蚀形成Cu线图样6）导电图样Cu镀锡退火50~70µm6、内引线键合(ILB)内引线键合是将裸芯片组装到TAB载带上的技术，通常采用热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。当芯片凸点是软金属，而载带Cu箔引线也镀这类金属时，则用“群压焊”。TAB关键技术-封胶保护然后，筛选与测试环氧树脂：盖印或点胶7、外引线键合OLB测试完成8、TAB技术的关键材料1）基带材料基带材料要求高温性能好、热匹配性好、收缩率小、机械强度高等，聚酰亚胺（PI）是良好的基带材料，但成本较高，此外，可采用聚酯类材料作为基带。2）TAB金属材料制作TAB引线图形的金属材料常用Cu箔，少数采用Al箔：导热性和导电性及机械强度、延展性。3）凸点金属材料芯片焊区金属通常为Al，在金属膜外部淀积制作粘附层和钝化层，防止凸点金属与Al互扩散。典型的凸点金属材料多为Au或Au合金。8、TAB技术的关键材料8、TAB技术的关键材料9、TAB的优点1）TAB结构轻、薄、短、小，封装高度1mm2）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1、倒装芯片键合技术倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种键合方法：通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而WB和TAB则是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接基板和载体上，倒装芯片又称为DCA（DirectChipAttach）FCB省掉了互连引线，互连线产生的互连电容、电阻和电感均比WB和TAB小很多，电性能优越。三、倒装芯片键合技术（FCB）凸点下金属层(UBM)芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的多层金属膜(UnderBumpMetallurgy)，一般称为凸点下金属层，主要起到粘附和扩散阻挡的作用。1、倒装芯片键合技术2、倒装芯片键合技术应用凸点类型和特点按材料可分为：焊料凸点、Au凸点和Cu凸点等按凸点结构可分为：周边型和面阵型按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形、叠层等3、FCB技术-芯片凸点类型形成凸点的工艺技术有很多种，主要包括蒸发/溅射凸点制作法、电镀凸点制作法、置球法和模板制作焊料凸点法等。4、FCB技术-凸点制作方法制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可以在PCB上直接将芯片进行FCB焊接。将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括：Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工艺）和Au-Ni-Cu（薄膜工艺）PCB的焊区金属化与基板相类似。5、FCB技术-凸点芯片的倒装焊接倒装焊接工艺热压或热声倒装焊接：调准对位-落焊头压焊（加热）5、FCB技术-凸点芯片的倒装焊接再流倒装焊接（C4技术）对锡铅焊料凸点进行再流焊接6、FCB键合技术-再流倒装焊接•环氧树脂光固化倒装焊接法•各向异性导电胶倒装焊接法7、倒装芯片键合技术-其他焊接方法利用光敏树脂固化时产生的收缩力将凸点和基板上金属焊区互连在一起。各向同性导电胶各向异性导电胶8、倒装芯片下填充（1）目的：缓冲焊点受机械振动和CTE失配导致基板对芯片拉力作用引起的焊点裂纹和失效，提高可靠性。（2）倒装芯片下填充方法对准焊料凸点回流下填充固化细缝的毛细管虹吸作用9、FCB技术特点优点：1）互连线短，互连电特性好2）占基板面积小，安装密度高3）芯片焊区面分布，适合高I/O器件4）芯片安装和互连可同时进行，工艺简单、快速缺点：1）需要精选芯片2）安装互连工艺有难度，芯片朝下，焊点检查困难3）凸点制作工艺复杂，成本高4）散热能力有待提高课后作业（20110915）课本P46：14,15