连接技术在电子封装中的应用.doc

连接技术在电子封装中的应用南昌航空大学 航空制造工程学院 060142 200 序言 微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件(即集成电路芯片)组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源，并与外界进行信息交流。微电子封装包括单芯片封装(SCP)设计和制造，多芯片封装(MCM)设种封装基板设计和制造，芯片互连与组装设计和制造，芯片后封装工艺，各封装总体电性能、力学性能、热性能和可靠性设计、封装材料等多项内容。 1991年1月，日本IBM 研究所发表了两项关于裸芯片封装的关键技术，即使有机材料封装成为可能的树脂封装倒装技术以及积层印制电路板。树脂封装技术的出现终结了陶瓷封装基板的垄断地位，使得比氧化铝陶瓷的热膨胀系数( 9 10 - 6/ ) 大一倍的环氧树脂(110 - 6/ ) 基板的应用成为可能。在传统印制电路板上积层印制电路板比多层陶瓷基板单位面积配线密度高，其成本只有陶瓷基板的几分之一，使用的铜配线电气阻抗低，更容易实现高性能，可以说这两项技术使高性能、小型化、低功耗、低成本的电子封装技术成为可能。1 微电子封装的历史发展 微电子封装目前已经历了三个发展阶段1-2：第一阶段为20世纪80年代以前，封装的主体技术是针脚插装(PTH)；第二阶段从20世纪80年代中期开始，表面贴装技术(SMT)成为最热门的组装技术，改变了传统的PTH插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴装到印刷线路板(PCB )上，大大提高了集成电路的特性，而且自动化程度也得到了很大提高；第三阶段为20世纪90年代，随着器件封装尺寸的进一步小型化，出现了许多新的封装技术和封装形式，其中最具代表性的技术有球栅阵列(BGA )、倒装芯片(FC)和多芯片组件(MCM)等，这些新技术多采用了面阵引脚，封装密度大为提高，在此基础上，还出现了芯片规模封装(CSP)和芯片直接倒装贴装技术(DCA)。2 电子封装中的微连接技术21 芯片焊接技术在微电子封装第三阶段，出现了许多新的封装技术和封装形式，其中最具代表性的技术有球栅阵列(BGA)、倒装芯片(FC)和多芯片组件(MCM)等，这些新技术多采用了面阵引脚，封装密度大为提高，在此基础上，还出现了芯片规模封装(CSP)和芯片直接倒装贴装技术(DCA)。这些新型封装都可以通过引线键合、载带自动健合和倒装芯片键合等焊接技术来实现高密度、高可靠性封装5。211 引线键合技术引线键合技术(WB)技术又称线焊，即将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入输出引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来。通过加热、加压、超声波等能量方式去除表面氧化膜，借助于球一劈(BallWedge)或楔一楔(Wedge-Wedge)等键合工具实现连接。按外加能量形式的不同可分为热压键合、超声波键合、热超声波键合。根据键合工具的不同，又可分为球键合和楔键合。热压键合和热超声键合都是先用高压电火花使金属丝端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管壳基板上楔焊，故又称球楔键合。两种方法的区别在于热压键合采用加热加压，而热超声键合采用加热加压加超声。热超声键合通过加超声可降低热压温度，提高键合强度，提高了器件的成品率，将逐步取代了热压键合。球楔键合在芯片封装中是应用最广泛的一种键合方法。其原理是：对金属丝和压焊点同时加热加超声，接触面便产生塑性变形，并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之间的相互扩散而实现连接。球楔键合要求产生的金属丝端球圆正。目前能满足此条件的材料为金丝和铜丝。金丝具有电导率大、耐腐蚀等优点，适用于高速键合和封装工艺。其不足是在高温条件下，金丝与芯片铝电极之间容易产生金属间化合物AuA1 和Au2Al，最终导致器件失效。铜丝产生的球形圆正度好，价格低，目前已进入应用领域，预计可成为理想的键合材料。超声键合利用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。其原理是：当劈刀加超声功率时，劈刀产生机械运动，在负载的作用下，超声能量被金属丝吸收，使金属丝发生流变，并破坏工件表面氧化层，暴露出洁净的表面，在压力作用下很容易相互粘合而完成冷焊。楔压焊常用的材料是掺硅铝丝。在高密度封装中，焊盘的中心间距缩小，当中心问距小于120 m时，球焊难以实现，需要采用超声波楔焊。目前，25Ixm金丝、90m焊盘中心间距的超声波楔焊机已成功地进入应用领域5。21.2 载带自动键合技术引线键合技术方便灵活、工艺简单、成本低、散热性好，但焊点面积较大而不利于组装密度的提高。载带自动键合技术(TAB)为了弥补引线键合技术之不足而发展起来的，但直至20世纪80年代后期才获得了较快发展。TAB技术是在类似于胶片的聚合物柔性载带上粘接金属薄片，在金属薄片上腐蚀出引线图形，然后与芯片上的凸台进行热压焊或热压再流焊而实现连接。聚合物柔性载带一般为聚酞亚胺；金属薄片通常采用Cu箔，少数为AI箔；芯片凸点材料一般为Au、NiAu、CuAu。采用TAB 可提高生产效率和连接质量，其键合强度是引线键合的310倍，缺点是工艺复杂，成本高，芯片通用性差，芯片上凸台的制作和返修比较困难。由于TAB技术能适应超窄引线间距、多引脚和薄外形封装要求，虽载带价格较贵，但引线问距最小可达到150Ixm，且TAB技术比较成熟，自动化程度相对较高，是一种高生产效率的内引线键合技术，应用越来越普遍。21.3 倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术(FCB)是目前半导体封装的主流技术，是将芯片的有源区面对基板键合。在芯片和基板上分别制备了焊盘，然后面对面键合，键合材料可以是金属引线或载带，也可以是合金焊料或有机导电聚合物制作的焊凸。倒装芯片键合引线短，焊凸直接与印刷线路板或其他基板焊接，引线电感小，信号间窜扰小，信号传输延时短，电性能好，是互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法。22 树脂芯凸点COG 封装技术随着LCD面板的高精细化，驱动电路的电极数目急剧增加， 对窄间距封装的要求越来越高。LCD 常用的封装方式是COG，一般提高COG封装节距的方法，大多是减小焊料凸点或凸点间凹槽的宽度。但减少凸点的宽度，不利于凸点捕捉ACF(各项异性导电膜) 的导电微粒，缩小凹槽的宽度,容易导致导电微粒相接触而短路。可见传统方法提高COG的封装节距已经走到了尽头3 。放弃使用ACF，可以避免上述两种问题。而新研制的树脂芯凸点COG封装就是这样的一种技术，此技术把凸点自身具备原先导电微粒的功能，可以打破COG封装节距的瓶颈。23 低温焊接技术传统电子封装焊料的关键：是使用共晶点为183的锡铅焊料。近年来无铅焊料的使用还未普及，无铅焊料的熔点普遍高于锡铅焊料，在连接时需要更高的温度，消耗更多的能源，同时产生更大的热应力。无铅焊料的实施，使焊接温度提高，对电器元件耐热性要求也提高，这几方面因素都使实际的能耗增加了。部件的耐热性提高同时还意味着废旧产品处理的难度增大。使用高熔点焊料, 提高部件耐热性，都变相增加了成本，而这也给用户带来了负担。目前电子封装件中，最大的发热部件是半导体芯片，芯片封装的制造工艺最高温度约为125，而温度越高性能劣化越严重。实际系统运作温度一般在室温至100，125就是必要的耐热性条件。但是，一般的无铅焊料(SnZn、SnAg、SnAgCu等) 熔点都较高，在工业上焊接时，温度要高于熔点几十度，约为240260。元件耐热性须达到这个温度区间，但是在使用过程中则没有必要。这个问题是封装技术必须解决的难题，低熔点的无铅焊料(SnBi 、In 等) 的焊接温度比高熔点无铅焊料的焊接温度低50以上。使用低温无铅焊料，有如下几点优势12 ：连接时热应力低；瑕疵较少；可靠性高；部件耐热性要求低；成本降低；产品废弃后处理较容易；对环境负荷小， 低温焊接时可用热塑性树脂代替现在的热固性树脂，有实现循环利用的可能，低温焊接时氧化速度降低，有利于连接及清洗工序，焊接时电力消耗降低。综合这几点优势，低温焊接若能够在世界范围内普及，对人类的长远利益有着不可估量的影响。在减少环境负荷的同时降低成本，这样的技术才称得上是真正的环境调和型技术。3 发展前景预测随着集成电路的发展，未来微电子器件内连接的对象将日趋复杂，尺寸更加微细，焊点间距更加密集，连接工艺将趋于多样化，设备趋于精密化，热源将逐渐由电能向超声能、激光能扩展。芯片封装内部连接方式呈现出引线向焊球和硅片无焊球连接等非引线方式以缩短电气连接路径并缩小封装尺寸的总趋势。在传统的引线键合之外发展了倒装芯片连接和硅片键合工艺。引线键合在可预见的未来仍将是半导体封装内部连接的主流方式。倒装芯片将作为高性能、高成本的内部连接方式迅速发展并和引线键合长期共存，共同和硅片键合应用在SiP、MCM、3D等新型封装中11。微连接用材料将向高性能、低成本高可靠性、微细化、绿色化方向发展。目前微连接所采用的无铅焊料与传统SnPh焊料相比，仍然存在浸润性差、熔点高、金属溶解速度快这三个不可忽视的弱点。而国际上推荐使用的几种无铅焊料在价格、浸润性、稳定性等方面虽然各有优势，却很难形成统一，至今仍未找到一种可以在各方面超越并替代SnPb焊料的合金系统。因此各类新型无铅焊料的设计与研制，可焊性与可靠性研究，相关焊接工艺的研究均是当前无铅焊料研究工作中的几大前沿课题。4 结语低温焊接、连接部树脂补强以及与Si热膨胀系数相近基板的出现，为各种高密度封装、三维封装打下了坚实基础。封装技术的提高跟得上半导体芯片密度的提高，才能实现高性能与低成本的双赢局面。随着半导体芯片与封装密度之间差距的逐步缩小，两者设计上也走向融合。无论从尺寸上还是电气上，从芯片的三极管到封装的人机界面，都紧密结合向着单一系统的方向前进，究极的裸芯片封装时代即将来临。若能实现半导体工业与封装技术的同步发展，在两者共同努力下，定能有力推动电子封装的发展，向着分子层面器件不断进步。参考文献：1范琳，袁桐，杨士勇微电子封装技术与聚合物封装材料的发展趋势J新材料产业，2005，7(8)：88972李枚微电子封装技术的发展与展望J半导体杂志，20O0，25(2)：32363ENDOH K,NOZAWA K,HSAHIMOTO N .Development of the MAPLE methodC/Proc of Japan IEMT Symp.Japan，1993:187-1904张蕾，侯金保，张胜，等K640合金过渡液相扩散焊接工艺对接头的影响J新技术新工艺一热加工技术，2004(11)：50-515葛劢冲微电子封装中芯片焊接技术及其设备的发展J电子工业专用设备，2000，29(4)：5-86贾松良，胡 涛，朱继光倒装焊芯片的焊球制作技术J半导体技术，2000，25(5)：25287黄卓，张力平，陈群星，等电子封装用无铅焊料的最新进展J半导体技术，2006，31(11)：8158188张曙光，何礼君，张少明，等绿色无铅电子焊料的研究与应用进展fJ材料导报，2004，18(6)：72759马鑫，董本霞无铅钎料发展现状J电子工艺技术，2002，23(2)：47-5210CHANG T