电子封装工艺设备（PPT55页)

陈仁章机电工程学院桂林电子科技大学主要内容封装工艺与设备的关系电子产品封装概述集成电路高密度封装电子整机性能产品的封装技术半导体封装技术半导体封装技术发展的5个阶段：封装技术将一个或多个芯片有效和可靠地封装互连起来，以达到：1，提供给芯片电流通路；2，引入或引出芯片上的信号；3，导出芯片工作时产生的热量；4，保护和支撑芯片，防止恶劣环境对它的影响。IC发展的历程及其封装形式膜IC（无源）厚膜IC薄膜IC有源半导体ICIC双极型MOS型小规模IC（SSI）中规模IC（MSI）大规模IC（LSI）超大规模IC（VLSI）特大规模IC（ULSI）混合IC（HLC）先进HISQFPBGACSPFCMCM/MCP3D系统封装（Sip/Sop)微机电系统（MEMS/MOEMS）系统级芯片（SoC)封装工艺与设备封装技术封装工艺工艺设备先进的封装设备和制造工艺是密不可分的，没有设备的工艺无疑是之上谈兵，没有工艺的设备则必然是无源之水。设备与工艺要紧密结合在一起。工艺设备促进决定先进封装技术先进分装技术晶圆级封装叠层封装技术系统级封装3D系统集成片式元件晶圆处理工艺设备晶圆减薄晶圆测试晶圆划片晶圆测试工艺设备晶圆测试技术：晶圆上芯片的探针测试，确定其功能与性能；是制造工艺中降低成本的一种手段。前道制芯工艺探针测试台晶圆背面磨削减薄晶圆探针测试台即探针台，用来测试晶圆上每个芯片电路特性的。通过探针卡实现芯片上每个焊区与测试仪的稳定连接，由测试仪判定芯片的好坏。主要完成：1，电气测试2，参数测试探针测试台的分类主要包括：1，X-Y向工作台2，可编程承片台3，探针卡/探针卡支架4，打点器、探边器5，操作手柄6，与测试仪相连的通信接口探针测试台手动探针半自动/自动探针用于各种半导体器件芯片的电能参数测试，用手动控制进行器件特性分析和工艺验证分析。在人工完成第一个芯片对准后，按程序实现晶圆上所有芯片测试功能的测试设备。CJ-5型双电测四探针测试仪晶圆减薄工艺设备主要方式：磨削、研磨、化学机械抛光（CMP）、干式抛光（drypolishing）、电化学腐蚀（electrochemicaletching）、湿法腐蚀（wetetching）、等离子辅助化学腐蚀（PACE）、常压等离子腐蚀（ADPE）①旋转工作台磨削（surfacegrindingonarotarytable）D≤100mm，工作台4旋转做圆周进给运动。②晶圆自旋转磨削（waferrotatinggrinding）晶圆和磨轮绕各自的轴回旋，磨轮垂直向下进行纵向切入磨削。磨轮进给系统向下运动的速度越小，对未加工材料破坏越小。纵向切入：将旋转的研削磨轮自上而下地切入自旋的被加工物，并研削加工至规定厚度尺寸的研削方法。晶圆减薄机关键零部件⑴承片台⑵分度工作台⑶空气静压电主轴⑷磨轮进给系统⑸折臂机械手研磨应力去除技术化学机械式抛光（CMP）湿式化学腐蚀(wetetching)干式腐蚀(dryetching)干式抛光(drypolishing)目的：去除研磨后的变质层，使芯片的强度得到提高。晶圆划片工艺设备划切刃具支撑（金刚刀支架、主轴或激光器）、Z向划切深度控制、Y向分度定位、X向划切进给以及θ向平行调整。具备四维基本运动。①砂轮划片机X轴：带动被划材料快速进入开槽划片运动。Y轴：带动空气空气主轴准确送进所需划切槽距。Z轴：主轴升降，实现所需的开槽和划片深度。θ轴：实现所需划切角度。②干式激光划片机砂轮式划片具固有的划切道宽度问题，激光划片机大大减小其宽度。③微水导激光划片机主要优势：消除热影响区。微水导激光基本原理传统激光总会有能量残留在划切道上，该能量的累积和传导是造成热损伤的主要原因。而微水导激光因水柱的作用，将每个脉冲残留的热量迅速带走，不会积累在工件上。芯片互连工艺设备芯片互连芯片键合引线键合载带自动芯片键合技术将芯片安装固定在封装基板或外壳上，常用的键合材料包括导电环氧树脂、金属焊料等。分共晶键合和黏合剂键合两种方式。共晶键合：涂敷共晶键合材料，加热、加压，并驱动芯片往复摩擦。黏合剂键合：涂布黏合剂，然后放置芯片，在烘箱中加热固化，形成键合界面。芯片键合设备主要组成部分：①承片台：承载着芯片的蓝膜框架，驱动其在XY两个方向运动以便取芯。②点胶系统：涂覆黏合剂，分点蘸式和喷涂式。③键合头：完成芯片的拾取和放置，分摆臂式和直线式。④视觉系统：由光路、照明和摄像头组成。用于芯片自动定位。⑤物料传输系统：负责料条（引线框架或PCB基板）的自动操作。⑥上/下机箱及基座：固定支撑设备以及容纳电系控制系统和其他附件。芯片键合机芯片键合机的关键技术是：整机运动控制、点浆、芯片拾取机构以及图像识别系统。芯片键合设备的关键在于高速、精确、可靠地拾取和放置芯片。键合头运动的精度和速度是保证设备精度、可靠性、一致性和效率的关键。引线键合技术互连工艺确立芯片和外部的电气连接。半导体内部的互连方式分为引线连接和非引线连接两种。引线连接即引线键合（wirebonding）非引线连接分为载带自动键合（TAB）与倒装芯片（FC）两种。WBTABFC引线键合设备主要组成部分：①XY工作台：提供形成复杂线弧形状所需的键合面内的高速精度运动。②键合头：提供键合过程中垂直于键合面的运动，同时承载超声波换能器、线夹、电子打火杆等小构件。③视觉系统：由光路、照明和摄像头组成。用于芯片自动定位和焊后检查。④物料传输系统：负责料条（引线框架或PCB基板）的自动操作。⑤上/下机箱及基座：固定支撑设备以及容纳电系控制系统和其他附件。引线键合机引线键合主要工艺参数：（1）键合温度：指外部提供的温度。常安装传感器监控瞬态温度。（2）键合时间：键合时间长，引线球吸收能量多，键合点直径大，界面强度大，但键合点过大会超出焊盘边界导致空洞生成。（3）超声功率：对键合球的变形起主导作用。超声波的水平振动是导致焊盘破裂的最大原因。（4）键合压力：增大超声功率通常需要增大键合压力，但压力过大会阻碍键合工具的运动。（5）线弧控制：IC封装尺寸减小以及I/O引脚增加，线弧间距越来越近。载带自动焊技术载带自动焊（TAB）是一种将IC芯片安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的IC组装技术。载带内引线键合到IC芯片上，外引线键合到常规封装或PWB上。焊接过程：⑴对位⑵焊接⑶抬起⑷芯片传送（1）供片（2）冲压焊接（3）回应载带自动键合工艺设备主要组成部分：①承片台：承载、固定芯片并移动芯片与其上方的载带引脚进行对准。②热压头：把对准的芯片焊区和载带引脚压合在一起，加热加压键合。③视觉系统：由光路、照明、摄像头、图像采集卡和视觉算法组成。④物料传输系统：负责TAB工艺中柔性载带的自动操作。TAB设备是一次性完成芯片上所有焊区连接和芯片机械固定的并行芯片互连设备，具有较高生产效率。主要设备：热压焊机：加热加压使被焊接金属产生足够的塑性变形，形成原子间结合。（热压）回流焊机：熔化软钎焊料，实现焊端与焊盘的机械电气连接。芯片封装工艺设备芯片封装工艺气密封装工艺塑料封装工艺金属封装陶瓷封装气密封装工艺大多能防止液体及气体渗透。金属封装：尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产、价格低、性能优良陶瓷封装：提供IC芯片气密性的密封保护，具有优良的可靠度。气密封装设备主要有平行焊缝机和激光熔焊机平行焊缝机平行焊缝机工作原理平行焊缝机属于电阻熔焊，通过电流在接触电阻处产生焦耳热量，形成局部熔融状态，凝固后形成一个焊点。激光熔焊机直接将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。塑料封装工艺设备塑料封装类型①通孔插装式安装芯片双列直插式封装（PDIP）、单列直插式封装（SIP）、针栅阵列封装（PPGA）②表面贴装小外形封装（SOP）、引线片式载体（PLCC）、四边引线扁平封装（PQFP）塑封设备模塑技术的工艺设备包括：①排片机：对线框进行塑封前的自动排片以及预热处理，实现工序自动化。②预热机：对塑封料的预热、产品的预热。③传递模压机：通过加压，将热固性材料引入闭合模腔内制造塑封元件。④铸模设备：将所需的原料分别置于两组容器中搅拌，再输入铸孔中使其发生聚合反应完成塑封。⑤去溢料机：清除塑料封装中塑封树脂溢出、贴带毛边、引线毛刺。先进封装工艺设备先进封装BGA封装工艺倒装芯片键合晶圆级CSP封装系统级封装三维芯片集成球栅阵列（BGA）封装工艺是按二维（平面）排列的焊料球与印刷线路板连接后的集成电路外部封装形式。典型BGA封装结构倒装芯片键合工艺设备芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连。优点：1，克服了引线键合焊区中心极限问题。2，在芯片的I/O分布更便利。3，为高频率、大功率器件提供更完善的信号倒装芯片键合技术倒装芯片焊接的工序为：上基板吸取芯片芯片翻转浸蘸助焊剂倒贴芯片回流焊基板预热底部填充胶涂布基板二次加热底部填充胶固化成品系统倒装芯片工艺流程图主要过程：⒈UBM制作⒉凸点生成⒊倒装键合⒋底部填充倒装芯片键合设备关键部件①视觉检测系统：为整机的机械运动提供位置参数，控制机械机构运动。②三维工作台：接收视觉系统输出，完成芯片和基板的定位和对中。③精密键合头：具有真空吸附功能，芯片定位后加压以及超声波键合。④多自由度机密对准系统：用于对准，确保贴装精度及速度。⑤超声换能系统：提供超声能并转换成超声振动能。倒装键合机运动机构组成晶圆级CSP封装（WLCSP）工艺设备形成封装体的各工艺步骤均在未分切的完整晶圆上完成的封装形式。WLCSP的特性优点①原芯片尺寸最小封装方式；②数据传输路径短、稳定性高；③散热特性佳；晶圆级封装设备重布线/UBM制作：投影光刻机、接近光刻机、刻蚀机、溅射台、CVD凸点生成：上述设备以及电镀设备、丝网印刷机、金丝球焊机、回流炉。测试、打印、包装：测试/打标/分选机WLCSP封装原理图系统级封装（SiP）工艺设备在单一标准封装体内集成各种器件实现多种功能，将数种功能合并入单一模组中，达到系统级多功能的封装形式。系统集成的主要技术路线：①系统级芯片集成技术（SoP,system-on-chip）;②多芯片封装技术(MCM,multichipmodule);③系统级封装技术(Sip,system-in-package)。SiP横截面示意图。其主要设备与晶圆级设备接近或相同。三维芯片集成工艺设备三维立体封装（3D）是在垂直于芯片表面的方向上堆叠，互连两片以上裸片封装。典型的3D封装结构叠成型3D封装方法三维封装技术①芯片堆叠互连②硅通孔（TSV）3D互连技术③叠层多芯片模块3D封装④叠成封装（POP）厚、薄膜电路封装工艺设备薄膜电路封装LTCC基板工艺设备厚膜电路封装厚膜电路封装工艺①厚膜图形形成：多层厚膜印刷法；多层生片共烧法。②厚膜金属化：在陶瓷基板上烧结形成钎焊金属层、电路及引线接点。③陶瓷基板：氧化铝陶瓷基板，较好的传导性、机械强度和耐高温性。④浆料：导体、电阻和绝缘浆料。⑤丝网网版制作：直接制版法；间接制版法。⑥厚膜丝网印刷：利用丝网印刷工艺。⑦厚膜电路组装：组装形成厚膜混合集成电路。厚膜电路工艺设备⑴丝网印刷机：采用丝网印刷将定量的焊膏涂覆在PCB各制定位置上。⑵厚膜电路光刻机：进一步提高丝网印刷的精细度。⑶烧结炉：加热隧道，传送产品的部件。⑷激光调阻机：高能激光脉冲聚焦在被调片阻上，改变横截面调阻。A.激光器；B.光束定位系统；C.程控衰减系统；D.修调设定器；E.光学扫描系统；F.阻值及电压测定系统；G自动功率测量系统。薄膜电路封装工艺薄膜混合集成电路适用于各种电路，特备是精度要求高、稳定性好的模拟电路。基板清洗电极制作溅镀曝光显影刻蚀激光划切保护层制作电镀测试包装发货薄膜电路工艺流程低温共烧陶瓷（LTCC）基板工艺设备是一种新型的微电子封装技术，是一种多层陶瓷技术，将无源元件埋置到多层陶瓷的内部，实