第3章微电子的封装技术(XXXX)

第三章微电子的封装技术可靠性与系统工程学院元器件教研室付桂翠[e-mail]2015年10月12日本章内容提要微电子封装的工艺与类型12微电子的失效机理封装的作用电源与信号的分配使芯片与电路流通电流；散热通道硅芯片面积很小，发热量却很大；封装可以一定程度上增大芯片的表面积；机械支撑固定芯片、连接引线的机械支撑作用；环境保护隔绝灰尘和空气中的水、氧气、二氧化碳等腐蚀性物质；防止芯片上细小的电路被划断。微电子封装技术的发展第一阶段在二十世纪七十年代之前，以插装型封装为主；包括金属圆形封装、陶瓷双列直插封装CDIP和塑料双列直插封装PDIP；PDIP性能优良、成本低廉又能批量生产；不足之处是密度、频率难以提高第二阶段在二十世纪八十年代以后，以表面安装类型的四边引线封装为主；塑料有引线片式载体PLCC、塑料四边引线扁平封装PQFP、塑料小外形封装PSOP以及无引线四边扁平封装等封装；PQFP密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装；主导产品；存在的问题：封装密度、I/O数以及电路频率方面还是难以满足微处理器发展的需要。第三阶段在二十世纪九十年代以后，以面阵列封装形式为主；球栅阵列封装BGA、芯片尺寸封装CSP；第四阶段多芯片组件MCM；3D(Dimension)封装和系统封装(SysteminPackage，SiP)。封装发展的历程结构方面TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP；材料方面是金属→陶瓷→塑料；引脚形状是长引线直插→短引线或无引线贴装→球状凸点；装配方式是通孔插装→表面安装→直接安装。微电子封装的分级一级封装:器件级封装将一个或多个IC芯片用适宜的材料封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB)和倒装芯片键合(FCB)连接起来，使之成为有实用功能的器件或组件;二级封装:板级封装将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装到印制板或其它基板上，成为部件或整机;所采用的安装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术(SMT)和芯片直接安装技术(DCA);三级封装：系统级封装将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统.微电子封装的分级封装的分类按封装材料分金属采用金属作为壳体或底座，芯片安装在外壳或底座上；散热能力和电磁场屏蔽性良好；常用于高可靠要求和定制的专用气密封装。陶瓷价格低于金属封装;采用多层布线，具有的布线密度很高；导热率高，适合于散热能力强的器件;航空航天、军事及许多大型计算机方面有广泛应用;塑料重量轻、尺寸小，重量约为陶瓷封装的1/2，适合于薄型封装;成本低，约为陶瓷封装的55%;存在一些可靠性的问题•吸收潮气;•表面组装元件焊接加热时封装会出现爆裂；•管芯容易产生金属化腐蚀，需要干燥包装；•增加防静电包装。金属封装陶瓷封装塑料封装封装的分类按封装的气密性气密封装•金属封装、陶瓷封装；•可靠性较高，价格较贵，主要用于恶劣环境和高可靠要求的芯片封装；•特殊领域(如航空、航天等高可靠领域)非气密性封装•塑料封装器件级封装工艺典型工艺流程晶片减薄和划片芯片贴装引线键合塑封成型打标切筋打弯晶片减薄划片芯片贴装引线键合塑封成型激光打标切筋打弯检测芯片互连方法---引线键合热压焊金属表面紧紧接触，控制时间、温度、压力；表面粗糙、有氧化层形成、有化学沾污、吸潮等会影响到键合效果，降低键合强度；温度在300℃到400℃。超声焊用20~60KHz的超声振动提供焊接所需的能量；可避免高温；焊点之间的间距小于120微米。热压超声热压焊：加热加压;热压超声：加热加压加超声;加超声：降低热压温度，这可以大大降低在铝焊盘上形成Au-Al金属间化合物的可能性；延长器件寿命，同时降低了电路参数的漂移。引线键合热压超声金丝球焊(a)劈刀下降，焊球被锁定在端部中央；(b)在压力、超声、温度的作用下形成连接；(c)劈刀上升到弧形最高度；(d)高速运动到第二个键合点，形成弧形；(e)在压力、超声、温度的作用下形成第二个连接；(f)之后劈刀上升至一定位置，送出尾丝，夹住引线，拉断尾丝；(g)引燃电弧，形成焊球，进入下一个循环。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)芯片互连方法---倒装焊(FCB)源于IBM公司;在裸芯片电极上形成连接用的凸点，将芯片电极面朝下经钎焊或其他工艺将凸点和封装基板互连;是用凸点代替引线实现芯片与基板的电气互连;优点引线电感变小、串扰变弱、信号传输时间缩短，从而提高电性能；大幅缩小封装的尺寸，提高了组装的密度;FCB使球栅阵列(BGA)封装、芯片尺寸封装（CSP）技术得以快速发展。ChipUnderfillSubstrateBump倒装焊(FCB)工艺步骤凸点制作：常采用光刻结合电镀或其他金属薄膜技术；倒装装配：一般采取热压焊等方法，将已做好凸点的芯片与基板上对应部分键合在一起；片间注入：在键合好的芯片和基板之间注入树脂，填充连接凸点以外的空间，以增强焊点的可靠性。器件级封装的分类及其特点插装型封装分类TO封装单列直插式封装(SIP)双列直插((DIP)式封装Z型引脚直插(ZIP)式封装针栅阵列(PGA)式封装等TO金属封装TO塑料封装单列直插式封装双列直插式封装Z型引脚直插式封装针栅阵列式封装插装型封装双列直插式封装20世纪60年代开发出来的最具代表性的IC芯片封装结构；70年代大量应用于中、小规模IC芯片的主导封装产品，至今仍大量沿用；陶瓷全密封型、塑封型、窄节距型等；其引脚数一般不超过100个；安装：插入到芯片插座上。表面安装型封装分类小外形晶体管(SOT-SmalloutlineTransistor)封装;小外形IC封装(SOP-SmallOutlinePackage);有引脚片式载体(LCC-LeadChipCarrier)封装;四边引线扁平封装(QFP-QuadFlatPackage);球栅阵列封装(BGA-BallGridArrayPackage);芯片尺寸封装(CSP-ChipScalePackage);SOTSOPCLCCPLCCQFPBGACSP表面安装型封装四边引线扁平封装(QFP)按照材料可分为PQFP和CQFP；CQFP气密性好和价格较高，主要用于军事通信装备及航空航天等可靠性要求较高或使用环境苛刻的尖端电子设备中；缺点是当引脚中心距小于0.65mm时，引脚容易弯曲；表面安装型封装表面安装型封装球栅阵列封装(BGA)基板下面按阵列方式引出球形引脚的方式。按照基板的种类分为塑封PBGA；陶瓷封装CBGA；优点I/O引脚数增多，提高了封装密度引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。引脚牢固，不会象QFP那样存在引脚易变形的问题引脚短，信号路径短，减小了引脚电感和电容，改善了电性能。芯片尺寸封装(CSP)封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，面积只比晶片大不超过1.4倍；无引线框架和焊丝等，体积特别小；面积小；容纳引脚多；布线长度短，寄生电容很小，信号传输延迟时间短大多数CSP都将芯片面朝下安装，能从芯片背面散热，且效果良好。多芯片组件无论采用何种封装技术后的裸芯片，在封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些；MCM把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMT技术组成多种多样的电子模块系统；优点可以使内部封装的晶片之间更快的传递信息；减小芯片的体积和重量；使芯片具有更高的稳定性；缺点MCM的设计和研发的工序比较复杂；成本也相对较高。封装技术的发展及应用3D封装在MCM的基础上将多块晶片垂直叠加在一起，形成三维的晶片组，然后再将其打包封装；优点芯片小型化；由于垂直方向互连长度缩短，可以减小连线电阻、寄生电容和电感，系统的功率可降低30%；类型叠层型3D•在2D封装的基础上，将每一层封装上下叠装互连起来，或直接将两个芯片面对面“对接”起来或背对背封装起来，从而实现立体封装；•用于要求体积小、容量大的高端手机的高密度存储器中。封装内的裸片堆叠封装内有封装堆叠封装堆叠微电子的失效机理热机械失效电致失效电化学失效半导体和微电子器件失效机理电致失效热/机械失效电化学失效疲劳蠕变脆性断裂塑性变形界面分层应力迁移电迁移闩锁效应热载流子效应栅氧化层击穿静电放电金属迁移腐蚀金属间化合物热/机械失效热疲劳器件在循环载荷作用下，在较低的应力作用下发生断裂的现象。塑性变形当施加的应力超过材料的弹性限度或者材料的屈服点，就会发生塑性变形;在外力消失后，物体的塑性形变仍然会保留；蠕变：材料在长时间恒温、恒压下，即使应力没有达到屈服强度，也会慢慢产生塑性变形的现象；材料的形变不仅仅由所施加的应力决定，还依赖于应力作用的时间和温度；实例：焊点失效焊点失效由于温度造成的焊点失效，是表面封装电子器件的主要失效原因；失效模式：电信号传输失真，即电接触不良、短路、断路；失效机理•芯片与基板之间的热膨胀系数存在差异；•焊点内产生热应力而造成疲劳损伤；•焊料自身熔点较低，随着时间的推移，焊点会产生明显的粘性行为而导致蠕变损伤；在蠕变和低周疲劳交互作用的同时，焊点内出现热激活，动态回复，应变硬化和动态再结晶等物理现象。实例：焊点失效封装界面分层粘连在一起的不同层之间出现剥离和分离的现象;主要原因有：表面缺陷、沾污、表面存在水汽和挥发物、材料不均或表面粗糙等;例如：塑封器件在从室温到极端寒冷环境的热循环过程中，塑封材料与基片或引线框之间的热膨胀系数差异造成分层和开裂;管脚分层芯片表面分层热/机械相关的机理镀通孔热疲劳多层印刷线路板(PWB)中的贯穿的通孔，用导电材料如铜、镍或焊料等进行电镀，用于为不同板层的导电金属提供电连接。外因：温度循环内因：•镀铜层与PWB材料热膨胀系数不匹配；•镀层有初始裂纹或缺陷；结果：在较低的应力作用下产生裂纹；表现形式：电信号传输失真、电接触不良、断路等；电致失效电相关机理电迁移在强电流流过金属线时，金属离子会在电流及其它因素的相互作用下移动并在线内形成孔隙、裂纹、小丘；外因：大电流密度、温度内因：金属线线宽小；材料：不同材料抗电迁移能力不同；铝、铜铝合金、铜结果：造成金属化的开路和短路，使器件漏电流增加。电迁移电迁移EM在强电流流过金属线时，金属离子会在电流及其它因素的相互作用下移动并在线内形成孔隙或裂纹；造成金属化的开路和短路，使器件漏电流增加。互连线电迁移焊点电迁移电迁移影响电迁移的几何因素在大电流密度下，金属互连线上会产生机械应力梯度；在一定的电流密度范围内，电迁移寿命随长度的增加而减小；当线宽变得可以和晶粒大小相比拟甚至更小时，晶界扩散会减少且向晶格扩散和表面扩散转化。转角、台阶、接触孔的存在会加大局部应力梯度，加速电迁移。各种金属材料的电迁移铝：熔点较低、扩散系数较高，抗电迁移能力较差；•在铝中添加少量的铜、镁、硅、钛等溶质元素后，引线的抗电迁移性能得到很大改善；在特大规模集成电路中，铜取代铝铜合金成为一种更好的选择。电化学失效银迁移（SilverMigration）失效机理在直流电压梯度存在，且潮湿的环境中，水分子渗入含银导体表面，并电解形成氢离子和氢氧根离子，银在电场及氢氧根离子的作用下，电解产生银离子。在电场的作用下，银离子从高电位向低电位迁移，并形成絮状或枝蔓状扩展失效模式造成无电气连接的导体间形成旁路，绝缘下降乃至短路金属迁移化学相关的机理银迁移（SilverMigration）外因：电场、潮湿内因：含银，间隔结果：银离子从高电位向低电位迁移，并形成絮状或枝蔓状扩展.失效模式造成无电气连接的导体间形成旁路，绝缘下降乃至短路。化学相关的机