西安交通大学微电子制造技术第二十章装配与封装2

电信学院微电子学系1微电子制造技术半导体制造技术第20章封装与装配电信学院微电子学系2微电子制造技术目标1.描述装配和封装的总趋势与设计约束条件；2.说明并讨论传统装配方法；3.了解不同的传统封装的选择；4.了解7种先进装配和封装技术的优势与限制。电信学院微电子学系3微电子制造技术概述在芯片制造工艺完成后，通过电测试的芯片将进行单个芯片的装配和封装，通常被称为集成电路制造过程的后道工序。装配和封装在集成电路后道工序是两个截然不同过程，每个都有它特殊的工艺和工具。装配是指从硅片上分离出合格芯片，然后将其粘贴在金属引线框架或管壳上，再用细线将芯片表面的金属压点和提供芯片电通路的引线框架内端互连起来。装配完成后，再将装配好芯片封装在一个保护管壳内。最常用的封装是用塑料包封芯片，这种塑料包封提供芯片保护并形成更高级装配连接的管脚（列如，固定到电路板上）。传统的最终装配和封装工艺的慨况如图20.1所示。电信学院微电子学系4微电子制造技术Figure20.1传统的装配与封装硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片电信学院微电子学系5微电子制造技术集成电路封装的4个重要功能1.保护芯片以免由环境和传递过程引起损坏；2.为芯片的信号输入和输出提供互连；3.芯片的物理支撑；4.散热电信学院微电子学系6微电子制造技术四边形扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插封装(DIP)薄小型封装(TSOP)单列直插封装(SIP)Figure20.2典型IC封装形式电信学院微电子学系7微电子制造技术集成电路封装形式的约束条件性能RC时间延迟输入/输出(I/O)的个数压焊和粘贴信号上升时间频率响应开关瞬态散热尺寸/重量/外形芯片尺寸管壳尺寸压点尺寸和间距管壳引线尺寸和间距衬底载体压点尺寸和间距散热设计材料芯片基座(塑料、陶瓷或金属)载体(有机物、陶瓷)热膨胀失配引线金属化成本集成到现有工艺管壳材料成品率装配芯片粘贴方式封装粘贴(通过孔、表面贴装或凸点)散热装配包封电信学院微电子学系8微电子制造技术集成电路的封装层次第二级封装印刷电路板装配第一级封装：IC封装最终产品装配：电路板装到系统中的最终装配为在印刷电路板上固定的金属管脚管脚管脚插入孔中然后在PCB背面焊接表面贴装芯片被焊在PCB的铜焊点上.边缘连接电极插入主系统PCB组件主电子组件板电极Figure20.3电信学院微电子学系9微电子制造技术传统装配最终装配由要求粘贴芯片到集成电路底座上的操作构成。由于制造的大部分成本已经花在芯片上。因此在最终装配过程中成品率是至关重要的。在20世纪90年代后期，所有集成电路装配中估计有95％采用了传统的最终装配，并由下面4步构成：背面减薄分片装架引线键合电信学院微电子学系10微电子制造技术背面减薄在芯片的制造过程中，为了为了增加机械强度使破碎率降到最小，随着硅片直径的增大，硅片的厚度也随之增加(直径为300mm的硅片，其厚度约为775mm)。然而硅片厚度越厚，分(划)片就越困难，另外厚度越大其热阻就越大，越不利于芯片的散热。薄的硅片不仅热阻明显减小，还能在薄ULSI装配中有效减少热应力及最终集成电路管壳的外形尺寸和重量。背面减薄工艺使用设备与硅片的抛光类似，如图20.4所示。操作中应注意将引入到硅片的应力降到最低以防止硅片的破碎。电信学院微电子学系11微电子制造技术转动和摆动秆转动卡盘上的硅片向下施加力Figure20.4背面减薄电信学院微电子学系12微电子制造技术分片分片就是将背面减薄后的硅片使用金刚石刀刃划片锯把芯片从硅片上切下来。划片时应注意X、Y两个方向上的对准。锯刃通常切透硅片厚度的90～100％。硅片台锯刃Figure20.5分片电信学院微电子学系13微电子制造技术装架分片后硅片将进行装架操作。装架时每个好的芯片被粘贴到底座或引线框架上。粘贴工具要求灵活性以粘贴芯片到各种应用情况，包括引线框架、陶瓷基座和电路板。芯片引线引线框架塑料DIPFigure20.6装架电信学院微电子学系14微电子制造技术芯片粘贴芯片粘贴通常使用粘贴工艺如下：环氧树脂粘贴共晶焊粘贴玻璃焊料粘贴环氧树脂粘结最常用的方法之一，缺点是散热较差，为了获得较好的散热性能，可以在环氧树脂中加入银粉制成导热树脂。共晶焊粘贴共晶焊粘贴需要在芯片背面淀积一层金，然后使用合金方式将金粘贴到具有金属化表面的基座上。玻璃焊料粘贴玻璃焊料有银和悬浮在有机媒介中的玻璃颗粒组成，芯片不需要金属化，可直接粘贴在Al2O3陶瓷基座上。优点是实现密封保护器件免受潮气和沾污。电信学院微电子学系15微电子制造技术芯片环氧树脂引线框架Figure20.7芯片粘结（环氧树脂粘贴）电信学院微电子学系16微电子制造技术SiliconGoldfilm金/硅共晶合金Al2O3Figure20.8芯片粘结（Au-Si共晶贴片）电信学院微电子学系17微电子制造技术引线键合引线键合是将芯片表面的金属压点和引线框架上或基座上的电极内端进行电连接(图20.9)。键合线是Au、Al或含金的合金线，直径通常在25到75mm之间。引线键合的工艺有三种，区别在于各自的引线端点所使用的能量类型不同。分别是：热压键合超声键合热超声球键合电信学院微电子学系18微电子制造技术压模混合物引线框架压点芯片键合的引线管脚尖Figure20.9从芯片压点到引线框架的引线键合电信学院微电子学系19微电子制造技术柱器件压点Figure20.10热压键合电信学院微电子学系20微电子制造技术引线楔压劈刀(1)劈刀向上移动导给劈刀更长的引线(3)超声能压力引线框架(4)劈刀向上移动在压点旁将引线折断(5)(2)Al压点超声能压力芯片Figure20.11超声线键合顺序电信学院微电子学系21微电子制造技术(2)H2火焰球(1)金丝毛细管劈刀(5)压力和加热形成压点引线框架(6)劈刀向上移动在压点旁将引线折断在压点上的焊球压力和超声能芯片(3)劈刀向上移动并导入更长的引线Die(4)Figure20.12热超声球键合电信学院微电子学系22微电子制造技术柱器件测试中的芯片钩样品卡Figure20.13引线键合拉力试验电信学院微电子学系23微电子制造技术传统封装IC有许多传统封装形式，封装必须保护芯片免受环境中潮气和沾污的影响及传运时的损坏。IC封装形成了在引线框架上互连到芯片压点的管脚，它们用于第二级装配电路板。芯片压点的间距范围从60～100µm。引线框架电极从该压点间距扇出到用在电路板上更大的压点间距。早期主要是普遍的金属壳封装，现在它仍然用于分立器件和SSI。芯片被粘贴在镀金头的中心，并用引线键合到管脚上。在管脚周围形成玻璃密封，一个金属盖被焊到基座上以形成密封。例子是金属TO型（晶体管外形）封装如图所示。两种最广泛使用的传统IC封装材料是：塑料和陶瓷电信学院微电子学系24微电子制造技术Figure20.14TO-型金属封装电信学院微电子学系25微电子制造技术塑料封装芯片引线框架连接边连接边去除线Figure20.15从引线框架上去除连接边电信学院微电子学系26微电子制造技术Figure20.16A双列直插封装(DIP)电信学院微电子学系27微电子制造技术Figure20.16B单列直插封装(SIP)电信学院微电子学系28微电子制造技术Figure20.16C薄小型封装(TSOP)电信学院微电子学系29微电子制造技术Figure20.16D双列存储器模块(SIMM)电信学院微电子学系30微电子制造技术Figure20.16E四边形扁平封装(QFP)电信学院微电子学系31微电子制造技术具有J型管脚的塑料电极芯片载体(PLCC)Figure20.16F电信学院微电子学系32微电子制造技术无引线芯片载体(LCC)Figure20.16G电信学院微电子学系33微电子制造技术陶瓷封装分层耐熔陶瓷加工顺序陶瓷互连层4层分层Figure20.17电信学院微电子学系34微电子制造技术陶瓷针栅阵列（PGA）Photo20.2电信学院微电子学系35微电子制造技术薄层陶瓷CERDIP封装陶瓷盖玻璃密封陶瓷基座金属管脚环氧树脂和引线框架上的芯片剖面标志槽横截平面Figure20.18电信学院微电子学系36微电子制造技术为IC管壳准备的测试管座Figure20.19电信学院微电子学系37微电子制造技术先进的装配与封装先进的集成电路封装设计包括：•倒装芯片•球栅阵列(BGA)•板上芯片(COB)•卷带式自动键合(TAB)•多芯片模块(MCM)•芯片尺寸封装(CSP)•园片级封装