集成电路芯片封装技术.doc

引线键合应用范围:低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法,用于下列封装: 1、陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 2、 陶瓷和塑料(CerQuads and PQFPs) 3、芯片尺寸封装(CSPs) 4、板上芯片(COB)硅片的磨削与研磨: 硅片的磨削与研磨是利用研磨膏以及水等介质，在研磨轮的作用下进行的一种减薄工艺，在这种工艺中硅片的减薄是一种物理的过程。硅片的应力消除: 为了堆叠裸片，芯片的最终厚度必须要减少到了30m甚至以下。用于3D互连的铜制层需要进行无金属污染的自由接触处理。应力消除加工方法，主要有以下4种。硅片的抛光与等离子体腐蚀: 研磨减薄工艺中，硅片的表面会在应力作用下产生细微的破坏，这些不完全平整的地方会大大降低硅片的机械强度，故在进行减薄以后一般需要提高硅片的抗折强度，降低外力对硅片的破坏作用。在这个过程中，一般会用到干式抛光或者等离子腐蚀。 干式抛光是指不使用水和研磨膏等介质，只使用干式抛光磨轮进行干式抛光的去除应力加工工艺。等离子腐蚀方法是指使用氟类气体的等离子对工件进行腐蚀加工的去除应力加工工艺。 TAIKO工艺: 在实际的工程应用中，TAIKO工艺也是用于增加硅片研磨后抗应力作用机械强度的一种方法。在此工艺中对晶片进行研削时，将保留晶片外围的边缘部分（约3mm左右），只对圆内进行研削薄型化，通过导入这项技术，可实现降低薄型晶片的搬运风险和减少翘曲的作用，如图所示。激光开槽加工: 在高速电子元器件上逐步被采用的低介电常数(Low-k)膜及铜质材料，由于难以使用普通的金刚石磨轮刀片进行切割加工，所以有时无法达到电子元件厂家所要求的加工标准。为此，迪思科公司的工程师开发了可解决这种问题的加工应用技术。减少应力对硅片的破坏作用 先在切割道内切开2条细槽(开槽)，然后再使用磨轮刀片在2条细槽的中间区域实施全切割加工。通过采用该项加工工艺，能够提高生产效率，减少甚至解决因崩裂、分层(薄膜剥离)等不良因素造成的加工质量问题。DFL7160将短脉冲激光聚焦到晶片表面后进行照射。激光脉冲被Low-k膜连续吸收，当吸收到一定程度的热能后，Low-k膜会瞬间汽化。由于相互作用的原理，被汽化的物质会消耗掉晶片的热能，所以可以进行热影响极少的加工。GaAs化合物半导体的薄型晶片切割: GaAs晶片因为材料比较脆，在切割时容易发生破裂或缺损，所以难以提高通常磨轮刀片切割的进给速度。如果利用激光全切割技术，加工进给速度可以达到磨轮刀片切割进给速度的10倍以上，从而提高生产效率。(进给速度仅为一例。实际操作时，因加工晶片的不同会有所差异。)采用激光全切割工艺，加工后的切割槽宽度小，与刀片相比切割槽损失少，所以可以减小芯片间的间隔。对于为了切割出更多小型芯片而致使加工线条数增多的化合物半导体晶片而言，通过减小芯片间的间隔，可以提高1枚晶片中可生产的芯片数量。 DBGDAF激光切割: 1 DBG (Dicing Before Grinding) :这种技术将传统的“背面研削晶片切断”的工艺倒过来，先将晶片半切割，然后利用背面研削进行芯片分割。2 DAF (Die Attach Film) :这是一种薄膜状的接合材料，用于薄型芯片叠层等。DBGDAF激光切割的工艺: 将DBG加工后的晶片转放到框架上，剥离掉表面保护胶带后，从晶片表面一侧对DAF进行全切割。晶片已经分离成了芯片，所以就可以从芯片间照射激光，只将DAF切断。DAF激光切割的优点:1、可改善DAF的加工质量 采用激光切割技术可以抑制采用磨轮刀片切割DAF时产生的毛边。2、能够进行高速切割，提高生产效率 与磨轮刀片切割相比，可以提高DAF全自动切割时的加工速度。3、利用特殊校准，可以解决芯片错位问题隐形切割技术: 隐形切割是将激光聚光于工件内部，在工件内部形成改质层，通过扩展胶膜等方法将工件分割成芯片的切割方法 。切割步骤： 1.激光切割在硅片内部形成改质层 2.扩展粘贴硅片的蓝膜使得硅片分离开共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。其熔化温度称共晶温度。共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下所有成分的融合。在大多数例子中，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差100。 为什么不用单一金属？（热导率更好） 因为热膨胀系数不匹配共晶粘贴材料：常见的组合为AuSi和AuSn 共晶粘贴的其他方法（AuSn）：见图共晶粘贴（电镀法）：电镀Au/Sn多层结构另一种可选择的蒸发Au/Sn多层结构的方法是使用电镀淀积元素层。为了达到这种类型的结构，衬底将来回“穿梭”于一个金电镀槽和锡电镀槽。在淀积步骤以后，层在共熔温度下(200-250)经过典型的退火，来达到互混合。电镀的一个优势是，能够只在导电材料或者通过一个图形化的光掩膜来淀积层。这使得非常昂贵的AuSn在需要图形化层的时候，可以很有效的被利用。 共晶粘贴法（蒸发法）：AuSn蒸发-蒸发工艺中，在一个高真空的腔室内，坩埚内容纳的淀积材料暴露在电子束下被蒸发。所蒸发的金属于是就淀积在一个悬空于坩埚上方的衬底上。由于蒸发工艺并不是高度方向性的，淀积同样也会发生在腔室的壁上。通过在电子束下持续旋转多个坩埚，不同材料的层能够在同一轮工艺中被淀积。 蒸发的一个主要的优势是它的高淀积速率，金淀积速率10mm/秒是个典型的例子。这将使大的衬底正面金属化获得理想的淀积，在此高淀积速率是个优势，淀积并不针对特定的区域。除此之外，衬底在淀积工艺中要旋转，使得在一个200mm的晶圆上厚度均匀性偏差小于1%。 共晶粘贴注意事项：在塑料封装中此方法难以消除IC芯片与铜引脚架之间的应力，故使用较少。这是由于芯片、框架之间的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）严重失配，且应力又无处分散，所以合金焊料贴装可能会造成严重的芯片开裂现象。由于Au-Si共晶合金焊接是一种生产效率很低的手工操作方法，不适应高速自动化生产。因而，只在一些有特殊导电性要求的大功率管中，使用合金焊料或使用焊膏（Solder Paste）连接芯片与焊盘贴装，其他情况应用得很少。 各向异性导电胶（ACA）与传统锡铅焊料相比具有很多优点。首先，适合于超细间距，可低至50m，比焊料互连间距提高至少一个数量级，有利于封装进一步微型化；其次，ACA具有较低的固化温度，与焊料互连相比大大减小了互连过程中的热应力和应力开裂失效问题，因而特别适合于热敏感元器件的互连和非可焊性表面的互连；第三，ACA的互连工艺过程非常简单，具有较少的工艺步骤，因而提高了生产效率并降低了生产成本；第四，ACA具有较高的柔性和更好的热膨胀系数匹配，改善了互连点的环境适应性，减少失效；第五，节约封装的工序；第六，ACA属于绿色电子封装材料，不含铅以及其他有毒金属。由于上述的一系列优异性能，使得细间距而ACA技术迅速在以倒装芯片互连的IC封装中得以广泛地应用。特别是许多电子长期用液晶显示屏作为人机信息交换的界面，如个人数字助理（PDA）、全球定位系统（GPS）、移动电话、游戏机、笔记本电脑等产品，其内部的IC连接大部分都是通过ACA或者ACF（ACF，anisotropic conductiveadhesive film，各向异性导电膜，ACA的一种形式）互连的，即COG（Chip-on-Glass）和COF（Chip-on-Flex）两种互连技术。 芯片粘贴方法的不同： 1.共晶粘贴法 ：高功率器件，需要高速散热，成本很高。（如高功率晶体管，Laser，LED显示，陶瓷封装） 2.焊接粘贴法 ：普遍使用的粘贴方法，散热快，大功率器件（cpu，塑料封装） 3.导电胶粘贴法 ：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粘贴剂中有机物气体成分泄漏而降产品的可靠度，因此不适用于高可靠度的封装。 4.玻璃胶粘贴法 ：玻璃胶粘贴法的优点为可以得到无空隙、热稳定性优良、低接合应力与低湿气含量的芯片粘贴；它的缺点为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。（陶瓷封装）导线键合应用范围: 低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法，用于下列封装：: 陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片 陶瓷和塑料 (CerQuads and PQFPs) 芯片尺寸封装 (CSPs) 板上芯片 (COB)三种键合（焊接）机理:超声焊接：利用超声波（60120KHz）发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在25ms内与键合区紧密接触而完成焊接。常用于Al丝的键合。键合点两端都是楔形。热压焊：利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围，从而达到键合目的。基板和芯片温度达到 约150 C ，常用于金丝的键合，一端是球形，一端是且楔形，常用于金丝的键合。热声焊：用于Au和Cu丝的键合。它也采用超声波能量，但是与超声不同点的是：键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。外加热量的目的是激活材料的能级，促进两种金属的有效连接以及金属间化合物（IMC ）的扩散和生长。球形键合: 将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中，引线在电火花作用下受热成液态，由于表面张力的作用而形成球状，在摄像和精密控制下，劈刀下降使球接触晶片的键合区，对球加压，使球和焊盘金属形成冶金结合完成焊接过程，然后劈刀提起，沿着预定的轨道移动，称作弧形走线，到达第二个键合点（焊盘）时，利用压力和超声能量形成月牙式焊点，劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。楔形键合:其穿丝是通过楔形劈刀背面的一个小孔来实现的，金属丝与晶片键合区平面呈3060的角度，当楔形劈刀下降到焊盘键合区时，劈刀将金属丝按在其表面，采用超声或者热声焊而完成键合。劈刀常常是通过氧化铝或者碳化钨进行粉末烧结而成。对于一些单一用途的工具，也可以用玻璃、红宝石和碳化钛来代替键合头镀层光滑涂层 较长的使用寿命， 要进行抛光， 使得第二键合点光亮， 减少金属的残留和聚集粗糙的涂层 仅仅内斜面抛光， 第二键合点强度高， 第一键合点光亮 提高超声能作用TAB优点:1. 半导体上芯片的键合只需较少的键合区域，比丝焊更小的焊区间距。这就在节约了芯片面积的同时使得芯片间的互连可容纳更多的终端（最高可达到1000左右）。 2. 相对于普通的组装而言，外引线键合对电路板的空间要求要少的多；也要比丝焊芯片互连要求的空间小。组装比丝焊更简单也更快。 3. 每个键合区域的金凸点给下面的Al金属镀层提供了一个密封的空间。这降低了被腐蚀的可能性，提高了可靠性。因此，TAB 适用于不需要另外包装的场合。（上面提及的环氧树脂滴注还是最常用的）。 4. 丝焊每次只能键合一个焊点，而群体焊操作起来的效率则高得多，并且有更高的产品收益。 5. TAB 载带还可以用作单独的，灵活的（flexible）小印刷电路板，在小印刷电路板上同样可以组装其它元件。TAB缺点:1.它要求非标准的的Si芯片工艺（沉积金凸点）。 2.它要求特殊的载带与导体图案之间的装配，这很昂贵而且费时。 3.PCB上的组装要求专门的设备，每个不同几何图案的组件要有专门的工具。对每个组件进行单独组装/焊接不仅浪费时间而且昂贵。 4.对印刷电路板进行修理(替换一个缺陷元件)要求很苛刻. 5.很少标准电路可用于TAB形式。很少有公司在中间商的基础上提供产品. 6.有关尺寸与加工的标准很少，这就增加了成本倒装芯片优点 :小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5）减小了高度和重量。 功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达400个。性能增加: 短的互连减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道 提高了可靠性: 大芯片的环氧填充确保了高可靠性。 倒装片可减少三分之二的互连引脚数。提高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行效的冷却。低成本：批量的凸点降低了成本。倒装芯片缺点：裸芯片很难测试、凸点芯片适应性有限