集成电路封装芯片互连技术研究毕业论.doc

毕业设计报告（论文） 论 文 题 目： 集成电路封装芯片互连技术研究 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子工艺与管理 作者所在班级： 10252 作 者 姓 名 ： 鹿英建 作 者 学 号 ： 20103025218 指导教师姓名： 孙 燕 完 成 时 间 ： 2012 年 11 月 9 日 北华航天工业学院论文 I 摘 要 现代电子的高度先进性决定着现代科技的发展水平，而电子封装与互连技术作 为现代电子系统能否成功的关键技术支撑之一，也自然而然的随着电子业的发展而 越来越先进，日新月异。电子封装的基本技术，即当代电子封装常用的塑料、复合 材料、粘结剂、下填料与涂敷料等封装材料，热管理，连接器，电子封装与组装用 的无铅焊料和焊接技术。电子封装的互连技术，包含焊球阵列、芯片尺寸封装、倒 装芯片粘结、多芯片模块、混合微电路等各类集成电路封装技术及刚性和挠性印制 电路板技术，还有高速和微波系统封装。随着电子产品进入千家万户，甚至每人随 身都会带上几个、几十个集成电路产品（如手表、手机、各类 IC 卡、u 盘、MP3、 手提计算机、智能玩具、电子钥匙等），这些都要求电子产品更小、更轻、更高密 度的组装、更多的性能、更快的速度、更可靠，从而驱动了集成电路封装和电子组 装技术的飞速发展，促使电子组装产业向高密度、表面组装、无铅化组装发展，驱 使集成电路新颖封装的大量涌现。 关键词 集成电路 互连技术 电子封装 北华航天工业学院论文 II 目 录 第 1 章 绪论 .3 1.1 课题背景3 1.2 发展趋势4 第 2 章 电子封装工艺流程 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第 3 章 常见芯片互连方法 .5 3.1 引线键合技术（WBWB）5 3.2 载带自动键合技术（TABTAB）.6 3.3 倒装芯片键合技术（FCBFCB）.7 3.4 小结7 第 4 章 总结 .8 参考文献 .8 北华航天工业学院论文 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 21 世纪是信息时代, 信息产业是推动人类社会持续进步的重要力量.现代信息产业 涵盖众多制造领域, 其中芯片制造!电子封装及产品测试等均是必不可少的生产过程.电 子封装是一个多学科交叉的高新技术产业, 涉及机械!电子!材料!物理!化学!光学!力学! 热学!电磁学!通讯!计算机!控制等学科,成为信息产业发展的关键领域之一信息产品对微 型化!低成本!高性能!高可靠性的需求促进了电子封装朝着高密度封装的方向发展.因此, 新型元器件及功能材料的研发是金字塔结构的电子封装产业最具活力和最具含金量的关 键.芯片制造产业数十年来不断超越摩尔定律,生产出集成度越来越高的芯片,加速了晶圆 级!芯片级等高密度封装技术的出现. 国内封装产业随半导体市场规模快速增长，与此同 时，IC设计、芯片制造和封装测试三业的格局也正不断优化，形成了三业并举、协调发 展的格局。作为半导体产业的重要部分，封装产业及技术在近年来稳定而高速地发展， 特别是随着国内本土封装企业的快速成长和国外半导体公司向国内转移封装测试业务， 其重要性有增无减，仍是IC产业强项。封装环节技术竞争是以市场规模化为主的， 目前， 国内整个IC产业还属于幼嫩时期，产业规模小，竞争力弱，抵御市场波动能力差，政产 学研用相结合的原创新体系尚未建立，多渠道的投融资环境尚未形成，封测产业也毫不 例外，与国际先进水平相比仍有近10年差距。在整体产业化技术水平上，国内封测业仍 以DIP (双列直插封装)、SOP (小外形封装)、QFP (四边引脚扁平封装)等传统的中低端 封装形式为主，近年来企业销售量大幅增长，有多家企业封装能力达数十亿块，但销售 额却停滞不前，效益大幅下滑，技术水平参差不齐，趋于同质化竞争，主要体现在市场、 技术、成本、资金、人才等方面。产业链不够完善，难以满足国内设计和芯片制造发展 的要求，需要持续稳步扩大产业规模，加强技术创新，加快产品结构调整，加速人才培 育，加大对外合作交流。 ITRS (国际半导体技术路线图组织)针对半导体产业发展的挑战，提出“新摩尔定律” 概念的基本内涵是功能翻番，为Ic芯片和封装带来了层出不穷的创新空间。随着封装技 术的不断发展， MCP、SiP、SoP、PoP、SCSP、SDP、WLP等封装结构成为主流，并为趋于 z方向封装发展的3D (三维)集成封装、TVS (硅通孔)集成等技术研发奠定了坚实的基础， 可解决 艺=片技术发展的一些瓶颈问题，有可能引发半导体技术发展方式的根本性改变。 新型封装材料与技术推动封装发展，其重点直接放在削减生产供应链的成本方面，创新 性封装设计和制作技术的研发倍受关注，WLP设计与TSV技术以及多芯片和芯片堆叠领域 的新技术、关键技术产业化开发呈井喷式增长态势，推动高密度封测产业以前所未有的 速度向着更长远的目标发展。 北华航天工业学院论文 1.1 发展趋势 据预测，未来5年IC产业结构将进一步得到优化，芯片的设计、制造、封测形成较为 均衡的产业结构，其比重将依次分别为28、35、37。封测业进入国际主流领域， 实现SiP、倒装芯片FC、BGA、CSP、MCP等新型封装形式的规模生产能力。重点发展 BGA、PGA、CSP、MCP、SiP先进封测技术，推动多叠层多芯片SiP、300mm新型WLP、高 性,CPU封装、MIS、高密度TSV、汽车电子MEMS封装、BGACSP、高功率高导热 低成本封测工艺技术的开发。加强封测业的技术创新，重点支持SiP关键技术，推进超薄 芯片封装、超细节距封装等封测工艺和设计技术开发，扶持TSV、铜互连、3DSiP、传 感器封装、IGBT封装及产业化。一些新型封装材料和技术为创新型封装设计铺路领航， 不断改进产品性能。例如，引线框架功率IC封装使用的晶圆背部涂层技术、液态和粉 末状压膜材料与压膜技术、热压倒装芯片(极细节距倒装芯片、Su凸柱1Au凸点倒装芯 片的互联)，可改进焊接互连可靠性的环氧助焊技术、金属化、芯片减薄及清洗、散热及 电路性能、嵌入式工艺、凸点技术等。在封装划片工艺及优化方面，用于低K薄晶圆划片 的多束全切割激光技术可获得很窄的划片切形、极小的热效应区、很高的芯片强度值(典 型值800MPa1 000MPa)，同时还能保证很高的生产效率，将使其在划片工艺中得到广泛 应用。 第 2 章电子封装工艺流程 随着半导体器件封装的小型化、片状化、薄型化和焊球阵列化,对半导体封装技术要 求越来越高。由于封装材料复杂性的不断增加,半导体封装技术也越来越复杂,封装和工艺 流程也越来越复杂。 大规模集成电路封装工艺简介所谓封装就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,通 过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与 其他器件连接,它起着安装、固定、密封,保护芯片及增强电热性能等方面的作用。1.1 以 焊接技术为基础的互连工艺以焊接技术为基础的互连工艺普遍采用叠层型三维封装结构, 即把多个裸芯片或多芯片模块(MCM)沿 Z 轴层层叠装、互连,组成三维封装结构。 叠层型三维封装的优点是工艺相对简单,成本相对较低,关键是解决各层间的垂直互连 问题。根据集成功率模块的特殊性,主要利用焊接工艺将焊料凸点、金属柱等焊接在芯片 的电极引出端,并与任一基板或芯片互连。目前的技术方案包括焊料凸点互连(SolderBall Interconnect)和金属柱互连平行板结构(Metal Posts Interconnected Parallel PlateStructures- MPIPPS)等。 北华航天工业学院论文 下面为具体的封装工艺流程图： 第 3 章 常见芯片互连方法 3.1 引线键合技术（WB） 引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。 引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线 键合前,先从金属带材上截取引线框架材料(外引线) , 用热压法将高纯S i或G e的半导 体元件压在引线框架上所选好的位置, 并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层 或在其局部镀上一层金; 然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件(电路)与引线 框架键合起来, 键合后的电路进行保护性树脂封装引线键合有两种基本形式: 球键合与 楔键合 。这两种引线键合技术的基本步骤包括: 形成第一焊点(通常在芯片表面), 形成 线弧, 最后形成第二焊点(通常在引线框架/基板上)。两种键合的不同之处在于: 球键合 中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球, 然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点, 而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。引线键合过程 北华航天工业学院论文 如图1所示。 引线键合作为半导体生产后道工序中的关键,在未来相当长一段时间内仍将是封装内 部连接的主流方式。 3.2 载带自动键合技术（TAB） TAB 技术中用一种载带来运载芯片的引线排。它与电影的胶卷十分相似, 被卷在一 带卷上。载带的宽度为8 70mm。在其特定位置上开出一窗口。窗口为蚀刻出一定的印刷 线路图形的金属箔片( 0035mm 厚) 。引线排从窗边伸出, 并与载带相连。载带的边上 有供传输带用的齿孔。 当带卷转动时, 载带依 靠齿孔便往前运动, 使 带上的窗口精确对准 带下的芯片。再利用热 压模将导线排精确键合 到芯片上。也就是说, 全部的引线一起键合 到芯片上。内引线键合 如图所示。TAB 技术中 内引线键合后还要作后 道工序, 包括电学测试、 通电老化, 外引线键合、 切下, 最后进行封装工艺。这些都在载带上顺序完成。引线就键合到触突上。 TAB 技术是将芯片上的I/ O 搭接片用引线排与外界相连接的技术。芯片中内部电路 用铝条连接到输入/ 输出( I/ O) 口的搭接片上。除搭接片处外, 芯片中的铝条上面通 常 复盖有钝化膜。在搭接片处, 因为要引线, 这里有开口, 则无钝化膜, 铝搭接片( pad) 处是暴露的, 称为凹槽( die) 。为了适应高密度的I/ O 引线的要求, TAB 技术中采用 引线排全体同时一起键合连接。为了提高气密性, 防止开孔中铝被腐蚀, 在铝搭接片上 需制备出缓冲触突( bump) 。触突的高度一般为15 25m。压制触突的过程称为 bumping。用 金作为缓冲触突的材料, 提高了抗腐蚀性能, 因为它软( 9999%含量) , 引线键合时起 到缓冲应力的作用, 防止搭接片或芯片的开裂。为了防止金与铝的反应, 在铝的搭接片 上需蒸发或溅射一层势垒金属。势垒层一般是TiW 或T-i Pd, T-i Pt , Cu-Cr, 厚度为 200 300nm, 便足以起到金和铝的扩散阻挡作用。其另一个重要作用是使金触突牢固地 北华航天工业学院论文 粘着在铝搭接片上。引线再键合到触突上, 通过触突与铝搭接片电接触与芯片内部电路 相电连接。 3.3 倒装芯片键合技术（FCB） 倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种 键合方法：通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而 WB 和 TAB 则是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接基板和载体上， 倒装芯片又称为 DCA（Direct Chip Attach ）FCB 省掉了互连引线，互连线产生的互连 电容、电阻和电感均比 WB 和 TAB 小很多，电性能优越。 凸点下金属层(UBM)： 芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的 多层金属膜(Under Bump Metallurgy)，一般称为凸点下金属层，主要起到粘附和扩散阻 挡的作用。 FCB 技术-芯片凸点类型 按材料可分为：焊料凸点、Au 凸点和 Cu 凸点等 按凸点结构可分为：周边型和面阵型 凸点类型和特点 按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形、叠层等 FCB 技术-凸点芯片的倒装焊接 制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和 Si 基板，也可以在 PCB 上直接将芯片进行 FCB 焊接。将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点 和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括：Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工 艺）和 Au-Ni-Cu（薄膜工艺）PCB 的焊区金属化与基板相类似。 倒装芯片键合技术-其他焊接方法：环氧树脂光固化倒装焊接法（利用光敏树脂固化 时产生的收缩力将凸点和基板上金属焊区互连在一起） ；各向异性导电胶倒装焊接法。 FCB 技术特点 优点 1）互连线短，互连电特性好 2）占基板面积小，安装密度高 3）芯片安装和互连可 同时进行，工艺简单、快速 缺点： 需要精选芯片 2）安装互连工艺有难度，芯片朝下，焊点检查困难 3）凸点制做工 艺复杂，成本高 4）散热能力有待提高。 3.4 小结 电子封装新技术和新工艺的不断涌现, 促使高密度封装逐渐由球栅阵列封装，倒装 北华航天工业学院论文 芯片等Z D 封装形式向叠层芯片封装，叠层晶圆封装，叠层模组封装，埋入式有源基板 封装等3 D 封装形式转变。叠层芯片或叠层多晶圆的3 D 集成封装技术是下一代高密度 封装的主流方向, 其中的核心技术是硅通孔(thro ugh silieon via , T SV ) 。TS V 被称为第四代封装技术, 其在高度方向的堆叠密度最大, 产品外形尺寸最小,极大地改善 了芯片的速度并降低功耗。同时,先进的芯片封装技术将越来越广泛地应用在半导体光电!新 能源器件等领域。本课题组将继续深人研究芯片高密度封装互连新技术的科学基础问题, 解决技术难点,并实现应用。 第 4 章 总结 科技与电子在第三次科技革命以后成为不可分割的两个概念，现代高新科技的水平 几乎由电子的发展水平来体现。正是由此，如今对于电子的研究从未减少投入，更是从 未间断。