第二讲_芯片贴装与芯片互连

第二章芯片贴装与芯片互连,概述,概述,芯片封装技术（一级）,单晶硅棒,概述,第二章芯片贴装与芯片互连,2.1芯片制备2.2芯片贴装2.3芯片互连,2.1芯片制备,2.1芯片制备,矽？晶圆？,1961，菲尔查德在硅晶片上制造的第一个集成电路,2.1芯片制备,2.1芯片制备,晶圆制备,硅的提纯,2.1芯片制备,晶圆制备,硅的提纯,2.1芯片制备,晶圆制备,晶棒制备晶体生长技术：区熔法；布里曼生长法；CZ直拉法,优点：工艺成熟，投量量；适于生长大直径单晶；缺点：不可避免来自坩埚及加热棒的污染.,2.1芯片制备,晶棒制备,2.1芯片制备,晶圆制备,晶棒制备,2.芯片制备,晶圆制备硅棒制备,2.1芯片制备,晶圆制备硅棒制备,2.1芯片制备,晶圆制备晶圆切片,多线切割机,2.1芯片制备,晶圆制备晶圆尺寸,据国外媒体报道，三大巨头英特尔、三星和台积电本周宣布，他们将于2012年合作开发450mm晶圆的试生产；但是要研发450mm晶圆所需的设备，投资可能高达1000亿美元。,使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心。,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺临时性地涂覆光刻胶到硅片上；把设计图形最终转移到硅片上；IC制造中最重要的工艺；占用40-50%的芯片制造时间；决定着芯片的最终尺寸.,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺涂胶,六甲基乙硅氮烷,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺曝光,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺显影,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺湿法刻蚀,干法刻蚀,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺刻蚀多晶硅,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺离子注入,2.1芯片制备,光刻与刻蚀工艺,2.1芯片制备,芯片切割,DBG法（先划片后减薄）,2.1芯片制备,芯片切割,2.1芯片制备,芯片切割,2.2芯片贴装,芯片贴装（diemount/bonding/attachment)目的：实现芯片与底座（chipcarrier）的连接.要求：机械强度化学性能稳定导电、导热热匹配可操作性,2.2芯片贴装（diemount),2.2.1共晶粘贴法2.2.2焊接粘贴法2.2.3导电胶粘贴法2.2.4玻璃胶粘贴法,2.2芯片贴装,2.2.1共晶粘贴法,2.2芯片贴装,2.2.1共晶粘贴法润湿性的重要性；预型片的使用（Au-2%Si合金）；,优点：金-硅共晶焊接机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高,高温性能好，不脆化。缺点：生产效率低，不适应高速自动化生产。,2.2芯片贴装,2.2.2焊接粘贴法所用气氛：热氮气工艺优点：热传导性好,所用材料硬质焊料：金-硅、金-锡、金锗；（塑变应力高，抗疲劳抗潜变特性好）软质焊料：铅-锡、铅-锡-铟.,2.2芯片贴装,2.2.3导电胶粘贴法三种导电胶：（1）各向同性材料；（2）导电硅橡胶；（3）各向异性导电聚合物。共同点：表面形成化学结合和导电功能。,2.2芯片贴装,2.2.3导电胶粘贴法,2.2芯片贴装,2.2.3导电胶粘贴法芯片粘结剂：环氧树脂；聚酰亚胺；硅氧烷聚酰亚胺。填充料：银颗粒或者银薄片（75-80%）使用考虑因素：流动性；粘着性；热传导性；电导性；玻璃化转变温度；吸水性.,2.2芯片贴装,2.2.4玻璃胶粘贴法,类似于银浆粘接技术，主要用于陶瓷封装需要严格控制烧结温度.优点：所得芯片封装无空隙、热稳定性优良、低结合应力以及湿气含量低；缺点：有机成分与溶剂必须除去，否则危害可靠性。,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)2.3.2载带自动键合技术(TAB)2.3.3倒装芯片键合技术(FCB/C4),芯片焊区,芯片互连,I/O引线,半导体失效约有1/4-1/3是由芯片互连所引起，因此芯片互连对器件可靠性意义重大！,2.3芯片互连,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)主要的打线键合技术：.,楔形接点,球形接点,超声波键合；热压键合；热超声波键合,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB),频率：20-60kHz；振幅：20-200m；冷焊？,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB),2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB),2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)打线键合的线材铝线：铝-1%硅合金；0.5-1%镁的铝线；铝镁硅合金或铝铜合金.金线：含5-100ppm铍含30-100ppm铜其他线材：银线，铜线,PCB或封装不能加热的情况之下；间距小于60micron.,用量超过90%间距大于60micron。,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)影响因素：金铝金属间化合物（AuAl2或Au5Al2)是主因；线材、键合点与金属间化合物之间的交互扩散产生的孔洞；其他，键合点金属化工艺与封装材料之间的反应，亦可生成金属间化合物。,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)键合拉力测试键合剪切力测试,2.3芯片互连,2.3.1打线键合技术(WB)焊接方法丝球焊超声楔焊,丝球焊,丝球焊工艺,丝球焊设备-自动化设备,丝球焊设备-半自动,劈刀端部形状-1,劈刀端部形状-2,劈刀头部凹槽形状,第一键合点形状,第二键合点,完整的丝球焊键合,键合强度与超声频率的关系,超声楔焊,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术2.3.2.2TAB技术的关键材料2.3.2.3TAB的特点,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术（1）芯片凸点制作技术,光刻胶做掩膜,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术（1）芯片凸点制作技术,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术（1）芯片凸点制作技术,凸块转移技术,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术（2）TAB载带制作技术单层带（Cu箔）-工艺简单；热稳定性好，价位低；不能做电性测试，容易变形。双层带（Cu-PI双层）；高温稳定性好，可作电性测试，电性能优良；价位高，亦弯曲，容易变形。三层带（Cu-粘贴剂-PI）-最为常用可作电性测试，适合大规模生产；价位高，不适用于高温键合。,载带上Cu箔引线的图形结构与制作工艺,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.1TAB的关键技术（3）载带引线和芯片凸点的内引线焊接与外引线焊接技术,热压组合键合方法,单点热压键合方法,激光键合,TAB外引线键合,2.3.2.2TAB技术的关键材料基带材料要求高温性能与Cu箔的粘接性、热匹配性好尺寸稳定；化学稳定性好；机械强度高材料聚酰亚胺(PI)薄膜，早期最广泛使用的材料，价格稍高聚乙烯对苯二甲酸脂(PET)薄膜苯丙环丁稀(BCB)薄膜导体材料Cu箔与基带连接牢固；导热、导聚乙烯对苯二甲酸脂(PET)薄膜苯丙环电性能好；易于电镀。厚度有18、35、70微米铝箔使用较少规格宽度以35mm最常用。另有70mm和158mm等规格。金属材料Au，Ni，Pb/Sn焊接材料芯片凸点金属材料Au，Cu/Au，Au/Sn，Pb/Sn,2.3芯片互连,2.3.2载带自动键合技术2.3.2.3TAB的优点结构轻、薄、短、小；电极尺寸、电极与焊区的间距比WB大为减小；可容纳更多引脚，提高安装密度；可对IC芯片进行电老化、筛选和测试；焊点键合拉力比WB高3-10倍。,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,封装结构,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点结构,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-蒸发沉积凸点,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-电镀法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-植球法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-印刷凸点,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-钉头凸点,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-凸点转移法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-微球法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-微球法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-TachydotsTM法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术(2)凸点芯片的倒装焊倒装焊互连基板的金属焊区要求：焊区与芯片凸点金属具有良好的浸润性；基板焊区：Ag/Pd、Au、Cu(厚膜）Au、Ni、Cu（薄膜）,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术(2)凸点芯片的倒装焊,热压焊倒装焊法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术(2)凸点芯片的倒装焊,再流焊倒装焊法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术(2)凸点芯片的倒装焊,环氧树脂光固化倒装焊法,2.4芯片互连,2.4.3倒装芯片键合技术(2)凸点芯片的倒装焊,各向异性导电胶,导电粒子含量：10%,2.4芯片互连,2.4.