微电子封装技术

微电子封装技术董海青李荣茂微电子封装技术书名：微电子封装技术书号：978-7-111-52788-6作者：李荣茂出版社：机械工业出版社第2章封装工艺流程2.1流程概述2.2芯片减薄2.3芯片切割2.4芯片贴装2.5芯片互连技术2.6成形技术2.7后续工艺2.1流程概述芯片封装工艺流程一般可以分为两个部分：前段操作和后段操作。前段操作一般是指用塑料封装（固封）之前的工艺步骤，后段操作是指成形之后的工艺步骤。封装技术的基本工艺流程为：硅片减薄→硅片切割→芯片贴装→芯片互连→成形技术→去飞边毛刺→切筋成形→上焊锡→打码等。2.2芯片减薄目前大批量生产所用到的主流硅片多为6in、8in和12in，由于硅片直径不断增大，为了增加其机械强度，厚度也相应地增加，这就给芯片的切割带来了困难，所以在封装之前要进行减薄处理。硅片的背面减薄技术主要有磨削、研磨、干式抛光、化学机械平坦工艺、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。2.2芯片减薄磨削的磨轮及工作示意图2.3芯片切割硅片减薄后粘贴在一个带有金属环或塑料框架的薄膜（蓝膜）上，送到芯片切割机进行切割，切割过程中，蓝膜起到了固定芯片位置的作用。切割的方式可以分为刀片切割和激光切割两个大类。作为切割工艺的改进，相继又开发出先切割后减薄和减薄切割方法。2.3芯片切割先切割后减薄DBG法示意图2.4芯片贴装芯片贴装也称为芯片粘贴，是将芯片固定于框架或封装基板上的工艺过程。贴装的方式主要共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法和玻璃胶粘贴法。2.4芯片贴装共晶粘贴法是利用金-硅合金（一般是69%的金和31%的Si），在363℃时的共晶熔合反应使IC芯片粘贴固定。一般的工艺方法是将硅片置于已镀金膜的陶瓷基板芯片座上，再加热至约425℃，借助金-硅共晶反应液面的移动使硅逐渐扩散至金中而形成的紧密结合。2.4芯片贴装共晶粘贴法示意图2.4芯片贴装焊接粘贴法工艺是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。其优点是热传导好。工艺是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。这样就可以使用Pb-Sn合金制作的合金焊料将芯片焊接在焊盘上。焊接温度取决于Pb-Sn合金的具体成分比例。2.4芯片贴装导电胶粘贴法不要求芯片背面和基板具有金属化层，芯片座粘贴后，用导电胶固化要求的温度时间进行固化，可以在洁净的烘箱中完成固化，操作起来比较简便易行。导电胶进行芯片贴装的工艺过程如下：用针筒或注射器将黏着剂涂布在芯片焊盘上，然后将芯片精确地放置到焊盘的黏着剂上面。导电胶粘贴法的缺点是热稳定性不好，容易在高温时发生劣化及引发黏着剂中有机物气体成分泄露而降低产品的可靠度，因此不适用于高可靠度要求的封装。2.4芯片贴装玻璃胶粘贴芯片时，先以盖印、网印、点胶等技术将玻璃胶原料涂布在基板的芯片座上，将IC芯片放置在玻璃胶上后，再将封装基板加热至玻璃熔融温度以上即可完成粘贴。玻璃胶粘贴法的优点是可以得到无空隙、热稳定性优良、低结合应力与低湿气含量的芯片粘贴；其缺点是玻璃胶中的有机成分与溶剂必须在热处理时完全去除，否则对封装结构及其可靠度将有所损害。2.5芯片互连技术将芯片压焊块与封装外壳的引脚相连接，使芯片实现既定的电路功能。芯片互连常见的方法有（WireBonding，WB）、载带自动键合（TapAutomatedBonding，TAB）、倒装芯片键合（FlipChipBonding，FCB）三种。2.5芯片互连技术芯片互连的示意图2.5.1打线键合WB是将半导体芯片焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。主要的打线键合方式有热压键合（ThermocompressionBonding，也称为T/CBonding）、超声波键合（UltrasonicBonding，也称为U/SBonding）和热超声波键合（ThermosonicBonding，也称为T/SBonding）三种。2.5.1打线键合热压键合技术热压键合技术利用加热和加压力，使金属丝与Al或Au的金属焊区压焊在一起。通过加热和压力，使焊区金属发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”目的。2.5.1打线键合热压键合技术2.5.1打线键合热压键合技术2.5.1打线键合超声波键合又称超声焊，利用超声波产生的能量，通过磁致伸缩换能器，在超高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，使劈刀相应振动；同时，在劈刀上施加压力。劈刀在这两种力的共同作用下，带动金属丝在被焊区的金属化层表面迅速摩擦，使金属丝和金属表面产生塑性形变。2.5.1打线键合超声波键合2.5.1打线键合热超声波键合热超声波键合技术为热压键合技术与超声波键合技术的混合技术。热超声波键合必须首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焊区的键合。2.5.1打线键合打线键合的材料不同的键合方法，所选用的引线键合材料也不同。热压焊、金丝球焊主要选用Au丝，超声焊主要用Al丝和Si-Al丝。2.5.1打线键合打线键合的材料金丝具有优良的抗氧化性。金丝线表面要光滑和清洁以保证强度和防止丝线堵塞，纯金具有很好的抗拉强度和延展率，比较常用的金线纯度为99.99%。为了增加其机械强度，一般加入铍（Be）或者铜（Cu）。2.5.1打线键合打线键合的材料铝丝铝丝是超声波键合最常见的引线材料，标准的铝丝一般加入1%Si或者1%Mg以提高强度。2.5.1打线键合打线键合的材料铜丝铜材料相对便宜，资源充足，在塑料封装中抗波动（在垂直长度方向平面内晃动）能力强，使用中主要问题是键合性问题，需要加保护气体以避免被氧化。2.5.1打线键合打线键合的材料银丝银丝的主要优点有：①银对可见光的反射率高达90%，在LED应用中有增光效果；②银对热的反射或排除也居金属之冠，因此可以降低芯片温度，延长LED寿命；③银的耐电流性大于金和铜；④银丝比铜丝好存放。2.5.1打线键合打线键合的材料合金丝比较常用的合金丝主要有Au-Al丝和Au-Cu丝。需要注意的是，为减小金属丝的硬度，改善其延展性，并净化表面，用作键合的金属丝一般要经过退火处理，对所压焊的底层金属也作相应的退火处理。2.5.1打线键合打线键合的可靠度影响打线键合可靠度的因素包括应力变化、封胶和芯片粘贴材料与线材的反应、腐蚀、金属间化合物形成与晶粒成长引致的疲劳及浅变因素等影响。键合的可靠度常通常以拉力试验与键合点剪切试验检查测试。2.5.1打线键合打线键合的设计引线弯曲疲劳、键合点剪切疲劳、相互扩散、柯肯达尔效应、腐蚀、枝晶生长、电气噪声、振动疲劳、电阻改变、焊盘开裂是要考虑的方面。其主要因素有：1）芯片技术、材料和厚度。2）键合焊盘材料、间距、尺寸。3）时钟频率、输出高或者低电压。4）每单位长度的最大允许互连电阻。5）最大的输出电容负载。6）晶体管导电电阻。7）最大的互连电感。2.5.1打线键合键合材料选择引线要考虑以下因素：材料、丝线直径、电导率、剪切强度、抗拉强度、弹性模量、柏松比、硬度、热膨胀系数等是关键因素。焊盘材料要考虑以下因素：电导率、可键合性、形成IMC和柯肯达尔效应倾向、硬度、抗腐蚀能力、热膨胀系数。2.5.1打线键合清洗为了保证很好的键合性和可靠性，材料的表面污染是个极其重要的问题，则清洗至关重要。常用的清洗方法有：分子清洗、等离子体清洗和紫外线－臭氧清洗。Cl-和F-很难被这些方法清洗，因为是化学结合，于是各种溶剂清洗技术如气相氟碳化合物、去离子水等可选用。2.5.2载带自动焊（TAB）技术TAB技术就是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O或基板上的金属布线焊区用具有引线图形金属箔丝连接的技术工艺。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术TAB技术就是将芯片焊区与电子封装外壳的I/O或基板上的金属布线焊区用具有引线图形金属箔丝连接的技术工艺。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术载带2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术优点：结构轻、薄、短、小；电极宽度电极节距小；更高的I/O引脚数；引线寄生效应小；方便芯片筛选和测试；Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高；键合拉力大；2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术分类：TAB技术中的载带按其结构和形状可以分为Cu箔单层带、PI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金属带四种，以三层带和双层带使用居多。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键材料：TAB技术的关键材料包括基带材料、Cu箔引线材料和芯片凸点金属材料。基带材料要求高温性能好，与Cu箔的粘结性好，耐高温，热匹配性好，收缩率小且尺寸稳定，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键材料：引线材料要求导电性能好，强度高，延展性和表面平滑性良好，与各种基带粘贴牢固，不易剥离；常用的凸点金属材料一般包括Au、Cu/Au、Au/Sn、Pb/Sn等。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：一是芯片凸点的制作技术；二是TAB载带的制作技术；三是载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：芯片凸点的制作技术IC芯片制作完成后，表面均镀有钝化保护层，厚度高于电路键合点，因此必须在IC芯片的键合点上或TAB载带的内引脚前端先生长键合凸块才能进行后续的键合。TAB技术根据凸块位置区分为凸块式TAB与凸块式芯片TAB两类。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：芯片凸点的制作技术对于TAB所使用的凸点（多为Au）来说，凸点的形状一般有蘑菇状凸点和柱状凸点两种。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：芯片凸点的制作技术2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：载带的制作技术根据用户使用要求和I/O引脚的数量、电性能要求的高低（决定是否进行筛选和测试）以及成本的要求等，来确定选择单层带、双层带、三层带或双金属层带。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：载带的制作技术TAB载带的制作技术包括单层制作技术、双层制作技术、三层制作技术和双金属层制作技术。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：焊接技术TAB的焊接技术包括载带内引线与芯片凸点之间的内引线焊接和载带外引线与外壳或基板之间的外引线焊接两大部分，还包括内引线焊接后的芯片焊点保护以及筛选和测试等。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：焊接技术将载带内引线键合区与芯片凸点焊接的方法主要是热压焊和热压再流焊。焊接时的主要工艺操作为对位、焊接、抬起和芯片传送四步。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：焊接技术TAB外引线焊接既可以按照常规方法进行焊接，这时芯片面朝上；也可以将芯片面朝下对外引线进行焊接，此时称倒装TAB。2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术2.5.2载带自动焊（TAB）技术载带自动焊（TAB）技术关键技术：焊接技术将凸点制作在载带Cu箔内引线键合区上的TAB技术就称为凸点载带自动焊（BTAB）技术。2.5.3倒装焊（FCB）技术倒装焊（FCB）技术FCB则是芯片朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。互连线非常短，互联产生的杂散电容、互联电阻和互联电感均比WB和TAB小得多。2.5.3倒装焊（FCB）技术倒装焊（FCB）技术2.5.3倒装焊（FCB）技术倒