微电子封装技术讲义06071

第一章：绪论第二章：微电子封装的分类第三章：微连接原理第四章：微连接技术第五章：插装元器件与表面安装元器件的封装技术第六章：BGA和CSP封装技术第七章：多芯片组件(MCM)第八章:未来封装技术展望1.1概述1.1.1微电子封装的定义1.1.2电子封装的作用和重要性1.1.3封装工艺1.2微电子技术相关知识1.2.1微电子技术促进封装的发展1.2.2微电子技术的专业用语1.2.3集成电路芯片设计目的1.2.4集成电路的分类1.2.5芯片制造的主要工艺1.2.6半导体集成电路的特点1.3电子封装技术的级别1.3.1零级封装技术（芯片互连级）1.3.2一级封装技术1.3.3二级封装技术1.3.4三级封装技术1.4国内外微电子封装技术发展现状1.1概述1.1.1微电子封装的定义微电子封装的定义：所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。（科学的定义）“封装”这个词用于电子工程的历史并不很久。在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装或装配”。当时还没有“封装”这一概念。狭义的封装技术可定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素，在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。（最基本的）广义的电子封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为能适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术。（功能性的）当前中国计算机、数字电视、手机、数码相机等产品需求的集成电路芯片数量非常巨大，信产部软件与集成电路促进中心发布的《2004年度中国集成电路企业发展状况及IP现状调研报告》中指出，中国具有的巨大集成电路市场空间吸引着国外大量的一流公司来华投资，因此，几乎所有的核心技术都掌握在外国公司手里。中国集成电路设计企业总数有460多家，依然缺乏核心的竞争力及市场手段。1.1.2电子封装的作用和重要性一般来说，电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能。即:(1)为半导体芯片提供机械支撑和环境保护；(2)接通半导体芯片的电流通路；(3)提供信号的输入和输出通路：(4)提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本。同时，电子封装对系统的小型化常起着关键作用。因此，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能。同时必须具有高的可靠性和低的成本。可以说，无论在军用电子元器件中，或是民用消费类电路中，电子封装具有举足轻重的地位。电子封装不仅影响着信息产业及国民经济的发展，乃至影响着每个家庭的现代化。电子封装的作用和地位如此重要。要使信息产业发展，必须重视电子封装技术的重要性。微电子封装的技术要求1、电源分配：微电子封装首先要通过电源，使芯片与电路能流通电流。还有不同部件所需的电源也不同，因此，将不同部件的电源分配恰当，以减少电源的不必要损耗，这一点尤为重要。2、信号分配：为使电信号延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O引出的路径达到最短。对于高频信号，还应考虑信号的串扰，以进行合理的信号分配布线和接地线分配。3、机械支撑：微电子封装为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。4、散热通道：各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的微电子器件封装，还要考虑附加的散热方式，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。5、环境保护：半导体器件和电路的许多参数，以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体器件和电路制造过程中的许多工艺措施也是针对半导体表面问题的。半导体芯片制造出来后，在没有将其封装之前，始终都处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件极为恶劣，必须将芯片严加密封和包封。所以，微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。1.1.3封装工艺一、封装前晶片的准备（1）晶片打磨（2）背部镀金二、划片划片有两种方法：钻石划片分离和锯片分离（1）钻石划片法：钻石划法是第一代划片技术。此方法要求晶片在精密工作台上精确地定位，然后用尖端镶有钻石的划片器从划线的中心划过。划片器在晶片表面划出了一条浅痕。晶片通过加压的圆柱滚轴后芯片得以分离。当滚轴滚过晶片表面时，晶片沿着划痕线分离开。当晶片超过一定厚度时，划片法的可靠性就会降低。封装的步骤主要有贴膜、贴片、划片、键合等。（2）锯片法：厚晶片的出现使得锯片法的发展成为划片工艺的首选方法。此工艺使用了两种技术，并且每种技术开始都用钻石锯片从芯片划线上经过。对于薄的晶片，锯片降低到晶片的表面划出一条深入1/3晶片厚度的浅槽。芯片分离的方法仍沿用划片法中所述的圆柱滚轴加压法。第二种划片的方法是用锯片将晶片完全锯开成单个芯片。键合装片划片贴片卸膜来料检查清洗贴膜磨片键合检查塑封后烘电镀打标切筋打弯包装品质检验产品出贷切筋检验一般封装工艺框图具体封装工艺流程如下：用高倍显微镜检查具有图形矩阵的硅片/芯片在制造和搬运过程中产生的缺陷。来料检查lncominglnspection磨片之前，在硅片表面上贴一层保护膜以防止在磨片过程中硅片表面电路受损，在划片之前，会去除此保护膜。贴膜TapeAttaching对硅片背面进行减薄，使其变得更轻更薄，以满足封装工艺要求。磨片Backgrinding在将硅片切割成单个芯片之前，使用保护膜和金属框架将其固定。贴片WaferMounting将硅片切成单个的芯片，并对其进行检测，只有切割后经过检测合格的芯片可进入下道工序。划片Dicing将切割好的芯片从划片贴膜上取下，将其放到引线框架或封装衬底（或基座）条带上。装片DieAttaching用金线将芯片上的引线孔和框架衬垫上的引脚连接，使芯片能与外部电路相连。键合WireBonding塑封元件的线路，以保护元件免受外力损坏，同时加强元件的物理特性，便于使用，塑封后的芯片要对塑封材料进行固化，使其有足够的硬度和强度经过整个封装过程。同时，使用铅或锡等电镀材料进行电镀，防止引线框架生锈或者受到其他污染。塑封Molding根据客方的需要，使用不同的材料在封装的表面进行打印标记，用于识别。打标Marking去除管脚根部多余的塑膜和管脚连接边，并将引线弯曲。切筋打弯Trimming&Forming封装好的芯片最后要经过品质检验合格才能出货。品质检验QualityAssurance产品出货Shipping1.2微电子技术相关知识1.2.1微电子技术促进封装的发展微电子技术的迅猛发展,集成电路复杂度的增加,一个电子系统的大部分功能都可集成在一个单芯片内(即片上系统),这就相应的要求微电子封装具有更高的性能、更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸或更大的芯片、受命晚大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。芯片尺寸的增大要求封装内腔扩大；片频率的提高（每年平均提高约18%）要求封装电性能不断改善,否则器件的最高工作频率将受限于封装;单片功耗的增大要求封装散热性能提高;电源电压的不断减小,要求引线承受电流的能力提高或电源引线数增加.为了提高整机的封装密度，适应整机小型化的需要，封装的高度也在不断降低。总之微电子技术的不断发展和整机市场的强烈需求，正在促使微电子封装数量和产值不断提高，技术不断发展。1.2.2微电子技术的专业用语一、晶圆(晶片，wafer)：多指单晶硅圆片，由普通硅沙拉制提炼而成，是最常用的半导体材料，按其直径一般分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格,近来的趋势要向18英寸规格发展。现在也有用毫米(mm)来说它的规格的,那么12英寸差不多是300mm。硅圆片越大，同一硅圆片上可生产的IC就多，可降低成本，硅圆片直径越大,其经济性能就越优越。但对材料技术和生产技术要求更高。我国与国外技术之相差约为2-3代。芯片密度从SSI发展到ULSI的进步推动了更大尺寸芯片的开发。分立器件和SSI芯片边长平均约为100mils（0.1英寸），而ULSI芯片每边长为500mils（0.5英寸）或更大。IC是在称为晶圆（的薄硅片上制造成的。在圆形的晶上制造方形或长方形的芯片导致在晶圆的边缘处剩余下一些不可使用的区域，当芯片的尺寸增大时这些不可使用的区域也随之增大，如下图所示。为了弥补这种损失，半导体业界采用了更大尺寸的晶圆。随着芯片的尺寸增大，1960年时的1英寸直径的晶圆已经被200毫米和300毫米（8英寸和2英寸）的晶圆所取代。注：1mils=1/1000英寸金属直径的一种量度。相同的直径芯片尺寸完整芯片数量69以下图仅供参考，具体数请记数字1240典型的集成电路晶圆包含100至数百个芯片（也叫做小片，die），如下图所示。这个数字在几十年内或多或少地保持不变，因为单片晶圆上的芯片数目和晶圆尺寸是并行啬的：在100mm晶圆上制备0.2cm确良大小的芯片数目,与在300mm晶圆片上制备0.2cm芯片数目是相同的.在极限情况下,一个芯片占用一个晶圆片,如太阳能电池、半导体闸流、管或们置敏感辅射传感器。每片晶圆片只能制备数个含有5cm长管道的微流体分离器件和含有大曲率半径的光波导器件，对于标准逻辑芯片或微机械压力传感器，一片晶圆片则可制备数千个芯片。2测试芯片用墨点标注的芯片（随机和无功能的芯片）光刻对准标记用墨点标注的芯片（边缘芯片和无功能的芯片）分离芯片的划片线边缘芯片（100mm直径晶圆片留6mm）硅圆片的规格直径小于150MM的圆片，要在晶锭的整个长度上沿一定的晶向磨出平边，以指示晶向和掺杂类型：直径更大的圆片，在边缘磨出缺口。如下图所示：二、集成电路(IC)集成电路:半导体晶片经过平面工艺加工制造成元件、器件和互连线、并集成在基片表面、内部或之上的微小型化电路或系统。通常所说的“芯片”是指封装好的集成电路。如果不能生产芯片，就好像我们盖房子的水平已经不错了,但是，盖房子所用的砖瓦还不能生产一样，要命的是，这个“砖瓦”还很贵。一般来说，“芯片”成本最能影响电子产品整机的成本。三、光刻光刻：指用光技术在晶圆上刻蚀电路，IC生产的主要工艺手段。四、前道工序前工序：IC制造过程中,硅锭切片、晶圆光刻的工艺(即所谓流片)被称为前工序，这是IC制造的最要害技术。五、后道工序后工序：晶圆流片后，其切割（划片）、封装等工序被称为后工序。六、线宽线宽：是指IC生产工艺可达到的最小导线宽度。线宽是IC工艺先进水平的主要指标，线宽越小，集成度就高，在同一面积上就集成更多电路单元。其标准有早期地4000纳米、1000纳米、600纳米；现在的350纳米、250纳米、150纳米、130纳米等等。实际2001年投入使用了130纳米生产工艺，2003年已投入使用90纳米生产工艺，2005年将投入使用65纳米生产工艺，有人预计45纳米生产工艺将于2007年投入使用。七、摩尔定律摩尔定律：芯片中的晶体管数量每隔18个月将会翻一番。１９７５年他又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。英特尔公司创始人戈登·摩（GordonMoore）提出，１９６５年４月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章预言，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的１２个月延长到如今的近１８个月，但“摩尔定律”依然有效。过去40年里，摩尔定律在芯片的设计发展中一直是正确的，其结果完全符合摩尔先生的预测。当时，最复杂的计算机芯片中仅有64个晶体管，后来奔腾III处理器中，晶体管的数量已达2800万个。目前最先进的集成电路已含有１７亿个晶体管。人们经常讨论摩尔定律的适用期限，但是已经证明：即使晨很短的时间，最新的关于IC按比例缩小的预测是不准确的：在1994年，预测0.1um工艺会在2007年用到。能用1。2V电压在1GHz