芯片封装工艺.doc

成都学院学士学位论文（设计）目 录1 绪论11.1 半导体封装11.2 半导体芯片封装的作用11.3 半导体芯片封装技术的发展趋势21.4 叠层式3D封装技术概述和研究意义21.5 封装主要原材料22 单芯片TSOP封装技术介绍32.1 前段生产工艺32.1.1 晶圆42.1.2 磨片42.1.3 装片52.1.4 切片62.1.5 贴片92.1.6引线键合122.2 后段生产工艺172.2.1 塑封182.2.2 后固化192.2.3 电镀192.2.4 切筋213 叠层式3D封装技术233.1 三维立体（3D）封装的特点233.2 三维立体（3D）封装的分类233.3 叠层式3D封装的结构形式233.4 3D封装在实际生产过程中主要技术和问题243.4.1 超薄圆片减薄243.4.2 薄裸芯片贴装253.4.3 低弧度金线及立体键合253.4.4 塑封料283.4.5 叠层式3D封装技术前景28结论29参考文献30致谢31II成都学院学士学位论文（设计）1 绪论1.1 半导体封装 半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆加工厂的晶圆通过划片工艺后被切割为一个一个独立的晶片（Die），然后将切割好的晶片用银浆贴装到相应的基板（引线框架）架的焊盘上，再用超细的金属（金锡铜铝）引线键合到晶片的接合焊盘（Bond Pad）和基板的相应引脚（Lead）上,并构成人们所要求的电路；然后再对烘烤后的独立晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后还要进行一系列的操作工序，封装完成后进行成品测试，最后入库出货。1.2 半导体芯片封装的作用金线引脚芯片塑封体（上模）环氧树脂粘合剂载片台塑封体（下模） 图1.1 TSOP封装的剖面图 封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。图1.1为TSOP封装的剖面图。（TSOP：Thin Small Outline Package 薄小外形封装）第一，保护：半导体芯片生产车间的要求很高，恒定的温湿度及严格的静电防护。在我们现实生活中温度一般在-4060，湿度可能达到100%，如果是汽车产品，其工作温度可能高达120以上。通过芯片封装可以有效缓解因环境改变和芯片发热产生的应力，防止芯片的失效。第二，支撑：支撑包括两个作用，一是支撑芯片，固定好芯片，以能与电路连接。二是芯片封装完成以后，形成一定的外形以支撑整个器件。第三，连接：连接是指将芯片的电极和外界的电路连通。半导体电子元器件的封装不仅起到连接内部集成电路芯片键合点和外部电气组建的作用，还为集成电路提供了一个稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用。因此，集成电路封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。封装质量的好坏与集成电路的整体性能优劣关系很大。1.3 半导体芯片封装技术的发展趋势l 封装尺寸变得越来越薄、越来越小l 引脚数变得越来越多l 焊盘大小、节距变得越来越小l 成本越来越低1.4 叠层式3D封装技术概述和研究意义随着大量电子产品朝着小型化、高密度化、高科靠性、低功耗方向发展，将多种芯片封装于同一腔体内的芯片叠层封装工艺将得到更为广泛的应用，其封装产品的特点就是更小、更轻盈、更可靠、低功耗。芯片叠层封装就是把多个芯片在垂直方向上堆叠起来，利用传统的引线封装结构，然后在进行封装。芯片叠层封装是一种三维封装技术，叠层封装不但提高了封装密度，降低了封装成本，同时提高了器件的运行速度，且可以实现器件的多功能化。随着叠层封装工艺技术的进步及成本的降低，多芯片封装的产品将更广泛地应用于各个领域，覆盖尖端科技产品和应用于广大的消费类产品。1.5 封装主要原材料晶圆：硅半导体积体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形。引线框架（Lead Frame）：提供电路连接和Die的固定作用；主要材料为铜，会在上面进行镀银、NiPdAu等材料；L/F易氧化，存放于氮气柜中，湿度小于40%RH。焊接金线（Gold Wire）：实现芯片和外部引线框架的电性和物理连接。金线采用的是99.99%的高纯度金，同时，出于成本考虑，目前还有采用铜线和铝线工艺的。优点是成本降低，同时工艺难度加大，良率降低。银浆（Epoxy）：由高纯度的(99.9% )金属银的微粒、粘合剂、溶剂、助剂所组成的一种机械混和物的粘稠状的浆料。将芯片（die）固定在焊盘（die pad），还具有导电和散热的作用。银浆需要在零下50以下存放，使用前24小时需要回温。银浆有使用寿命，在使用银浆时，必须注意银浆的期限是否到期，到期的银浆需更换掉。塑封料/环氧树脂（Mold Compound）：在熔融状态下将Die和Lead Frame包裹起来，提供物理和电气保护。使用前需要回温24小时，在零下5保存。2 单芯片TSOP封装技术介绍2.1 前段生产工艺6、将芯片贴在涂好银浆的引线框架上9、检验贴片和键入金线的质量8、用引线将引线框架的引脚和芯片的焊盘连接起来7、银浆的烘烤5、检查，晶圆上的芯片的质量4、切割晶圆，芯片被沿切割槽切开3、将晶圆粘贴到有沾性的蓝膜上2、对晶圆进行质量检查，看是否符合顾客要求1、晶圆出厂一般比封装需要厚的多，要磨到客户指定厚度第三次光学检查To EOL磨片装片划片贴片烘烤引线键合第二次光学检查晶圆光学检查 2.1.1 晶圆硅半导体积体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。在硅晶片上加工，可以制作成各种电路元件结构，能够成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅，而在地壳表面有取之不尽，用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经过电弧炉提炼，盐酸氯化，和蒸馏后，可以制成高纯度的多晶硅，其纯度高达0.99999999999。晶圆图2-1 晶圆当听到几寸的晶圆厂，如果硅晶圆的直径越大，代表著这座晶圆厂有较好的技术。另外还有scaling技术可以将电晶体与导线的尺寸缩小，这两种方式都可以在一片晶圆上，制作出更多的硅晶粒，提高品质与降低成本。所以这代表6寸、8寸、12寸晶圆当中，12寸晶圆有较高的产能。当然，生产晶圆的过程当中，良品率是很重要的条件。随工单：生产一个批次产品的唯一凭据，它包含生产产品每道工序所有需要的信息和客户的要求。产品是跟随工单相对应的，随工单和产品一起流入一道一道的工序。 2.1.2 磨片晶圆出厂一般比封装需要厚的多，要磨到客户指定厚度。磨片工序基本流程：Back Grinding 磨片Taping 粘胶带De-Taping 去胶带 图2-2 磨片工艺示意图 图2-2是磨片工艺示意图将从晶圆厂出来的Wafer进行背面研磨，研磨晶圆达到封装需要的厚度（8mils10mils）。 磨片时，需要在正面（Active Area）贴胶带保护电路区域，同时研磨背面。研磨之后，去除胶带，测量厚度。通常，TSOP单芯片封装的晶圆厚度为0.28mm左右。 磨片工序应严格按照顾客要求，达到客户所需产品的晶圆厚度。若磨片后，厚度高于客户要求，那么要重返磨片工序；而厚度低于顾客要求，则需要重新购买顾客所提供的一样的晶圆重新磨片，再重返磨片工序。磨片工序后，须进行第一次光学检查，主要检测晶圆厚度和晶圆背部打磨情况是否良好。2.1.3 装片装片工序是在晶圆的背面贴上有粘性蓝膜。装片机工作原理：首先把晶圆正面朝下，把晶圆固定在有真空吸盘工作台上，其次铺上专用的不锈刚固定铁环，然后在铁环上铺上有粘性蓝膜，最后用压力滚轮施加一定压力，将晶圆、蓝膜和铁环很平展的粘合在一起。装片后，如图2-3所示。图2-3 装片后效果图装片时，需要注意晶圆方向，按照客户要求将晶圆贴到有粘性蓝膜上。若有角度偏移，在划片工序时，在切割刀运作时容易切偏，导致切坏芯片，而在粘片工序时，吸嘴会经常抓不起芯片，导致后工序的麻烦。2.1.4 切片 在一个晶圆上，通常有几百个至数千个芯片连在一起。它们之间留有80m150m的间隙，此间隙被称之为切割道（Saw Street）。将每一个具有独立电气性能的芯片分离出来的过程叫做划片（Dicing Saw）。每分钟3.5万转的高转速的切割刀在晶圆的切割道中切割，而在切割的同时，承载着晶圆的工作台以设定的速度向晶圆跟刀片接触点的切线方向直线运动，用离子水冲走切割晶圆产生的硅屑。 台阶式切割机工作原理：台阶式切割使用两个划片刀（图2-4），第一划片刀较厚，依程序切入晶圆内某一深度，第二划片刀较薄，它沿第一划片刀切割的中心位置切透整个晶圆并深入承载薄膜的1/3厚度。高速旋转的金刚石刀片在切割槽中来回移动，将芯片分离。Life Time：9001500M;Spindlier Speed：3050Krpm;Feed Speed：3050/s图2-4 划片刀 划片冷却水的添加剂：在划片机冷却水中添加某些化学添加剂，能够有效地降低水在晶圆/划片刀的表面张力，从而消除了切割晶圆时出现的硅屑及金属颗粒在晶圆表面和划片刀表面的堆积，清洁了芯片表面，并减少了芯片的背部崩角。崩角：崩角分为正面崩角（FSC- Front Side Chipping）及背面崩角（BSC Back Side Chipping）。由于硅材料具有脆性，切割刀的切割方式会对晶圆的正面和背面产生一定的机械应力，这样可能会在芯片的边缘产生崩角。崩角图2-5 崩角示意图 崩角问题会降低芯片的机械强度，一开始的芯片边缘裂隙在后面的封装工艺中或在芯片产品的使用中会进一步扩散，从而很可能造成芯片断裂，从而导致芯片的电性失效。另外，如果用于保护芯片内部电路、防止划片损伤的密封环（Seal Ring）内部发生崩角时，芯片的电气、可靠性都会受到影响。 封装工艺设计限定了崩角不可以进入芯片边缘的密封圈。如果把崩角的大小作为评核晶圆切割质量的一个重要指标，晶圆切割能力指数（Cpk）可以用公式来计算，如下图2-6。图2-6 切割能力指数的计算 D1、D2代表切割道中保留完整的部分，正面崩角的大小用FSC来表示。根据封装工艺设计规则，D1、D2的最小值可以为0，允许崩角存在的区域宽度D为（街区宽度-刀痕宽度)的一半，FSCave为D1、D2的平均值，tsc为D1、D2的方差。依照统计学原理，对于一个合格的划片工艺，它的切割能力指数需要大于1.51。影响晶圆划片机切割质量的重要原因： 划片工具和材料主要有两个：划片刀（Dicing blade）、承载薄膜(Mounting tape)；划片参数主要有：切割模式、切割参数（步进速度、划片刀转速、切割的深度等）。然而对于由不同的半导体工艺制作的晶圆需要对划片工具和材料的选择和切割参数的优化，才能实现最佳的切割质量并且使切割成本达到最低。 划片刀的选择和优化：划片刀又叫作金刚石划片刀，它主要包含三个元素，分别为金刚石颗粒的大小、金刚石颗粒的密度及其粘结材料。其中在晶圆的切割过程中，金刚石颗粒主要是当作研磨剂来使用，金刚石颗粒通常是由CBN(Cubic Boron Nitride)合成而来。金刚石颗粒尺寸大小是在m 8m之间。为了更好的获取其划片质量，我们通常选用带棱角的金刚石颗粒。金刚石颗粒的密度是指金刚石颗粒在金刚石刀片的体积中占的比重。通常划片刀片供应商会生产出不同规格的金刚石颗粒密度，用来适应不同芯片的应用。粘结剂一般采用金属镍，把金刚石颗粒粘结在一起。划片刀的选择一般来说需要注意划片质量、划片刀的寿命和它的生产成本。金刚石颗粒尺寸大小影响划片刀的寿命和划片质量。大一点的金刚石颗粒度可以在相同的刀具转速下，划磨去更多的硅，所以刀具的寿命可以得到延长。但是，这样会降低切割质量（尤其是正面崩角）。所以，对金刚石颗粒的大小选择需要考虑到划片质量和制造成本，选择适合的划片刀，对于划片工艺是很重要的。承载薄膜的选择:承载薄膜（Mounting Tape）就是在装片工序粘贴在晶圆的背面的有沾性的蓝膜，用来在完成划片工艺后，将已分离的芯片（Die）仍然能固定在薄膜上以便于下一道粘片工序。薄膜的粘性度对划片划片质量来说是一个很重要的特性。实验证明，粘性度较高的薄膜与硅片的粘结力能够有效地减低晶圆背面的崩角问题。然而，在下一道粘片工艺中，人们又希望硅片和薄膜之间的粘接力越小越好，这样粘片工艺才可以获得一个稳健的条件，用来避免顶针（Ejector Pin）设置过高和吸片时间（Pick Up Time）设置过长造成芯片的断裂问题和生产效率的降低。考虑到划片与粘片前后两道工序，人们经常选择紫外光敏薄膜（UV Tape）作为晶圆的承载薄膜。 划片模式的选择：划片机一般包括两种切割模式，单刀切割模式（Single Cut）和台阶式的切割模式（Step Cut）。台阶式的切割模式使用两个划片刀，第一划片刀较厚，依程序切入晶圆内某一深度，第二划片刀较薄，它沿第一划片刀切割的中心位置切透整个晶圆并深入承载薄膜的1/3厚度。台阶式切割的优点在于：减小了划片刀在切割过程中对晶圆施加的压力；减少了必须使用较高的刀高刀宽比的划片刀所带来的机械摆动和严重的崩角问题；提供了选择不同类型的划片刀的可能性来分别优化正面崩角分层及背面崩角。而在划片生产工序中，由于操作人员的马虎，有时未按要求将错误规格的切割刀安装在切割机上，当切割机运作时，导致大量好的芯片被切坏。因为客户所给的晶圆和他们所期望的产品数量是对应的。而且晶圆的价格一般很昂贵，这样会造成严重的生产事故，给公司带来严重的经济损失。这样，操作人员在更换切割刀时需仔细核对切割刀规格，并还可以找人核对信息是否正确。 划片后应进行第二次光学检查，主要是针对Wafer Saw之后在显微镜下进行Wafer的外观检查，是否有出现废品。2.1.5 贴片贴片(Die Attach)工序基本流程:银浆固化芯片粘接点银浆吸嘴吸住芯片贴片工序主要材料（如表2-1）和主要指标：表2-1 贴片工序原材料及其作用原材料作用银浆将Die固定在Die Pad上；散热作用；导电作用框架提供电路连接和Die的固定作用吸嘴当顶针顶起芯片的时候吸起芯片，把芯片粘接在焊盘点入银浆的所在位置顶针顶起芯片，让吸嘴能将芯片吸住点胶头用来把银浆能准确点入框架焊盘所需位置料盒是用来装已经粘接好芯片框架的铁盒 三点一线：是指顶针、芯片、吸嘴，必须在同一条线上，吸嘴抓起芯片，将芯片准确粘接在点入银浆的框架焊盘中。它是贴片工序最重要的指标。 全自动贴片机是由计算机控制，集光机电气一体的高精度自动化设备，主要由机架、PCB传送及承载机构、驱动系统（X/Y轴运动机构，Z/轴运动旋转机构）、定位及对中系统、贴装头、供料器、光学识别系统、传感器和计算机控制系统组成，其通过吸取位移定位放置等功能，实现了将SMD元件快速而准确地贴装。 贴装头是贴片机关键部件，安装在PCB上方，可配置一个或多个机械夹具或真空吸嘴，通过安装多种形式的传感器使各机构能够协同工作。贴装头拾取元件后能在校正系统的控制下自动校正位置，并将元件准确的贴装到指定位置，和供料器一起决定着贴装能力。贴装头是贴片机发展进步的标志，已由早期的单头机械对中发展到多头的光学对中。 贴装头拾取元件一般是采用真空负压吸嘴来吸住元件，依据达到一定真空度来判断拾起元件是否正常，当元件侧立或“卡带”未能被吸起时将发出报警。贴装头贴装元件是根据元件高度实现输入厚度值，当贴装头下降到此位置后释放元件，这种有时会因为元件厚度偏差出现贴装过早或过迟现象，从而引起移位或“飞片”缺陷。光学系统原理：贴片机对中是指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心，使元件的中心与贴装头主轴中心线保持一致。贴片机光学系统主要采用摄像机，摄像机作为计算机感觉实物图像的传感部件。摄像机感觉到在它的视野内的物的光强分布，随即将其转化为模拟电信号，然后通过A/D转化器被数字化转换成离散数值，这些离散的数值表示视野内实物给定点的平均强度，这样规则的空间网格把得到的数字影像覆盖，每个网格叫一个像元，一个图像占据一定的像元数，如图2-7所示。计算机对上述像元阵列进行处理，所得图像特征与事先输入计算机的参考图像进行比较判断，并根据其结果向执行机构发出指令。 视频图像数字图像 图2-7 图像数字化处理 贴片精度评定要求：对每一种元件贴装后的大量误差数据的统计学处理，行业内通常假设误差数据服从正态分布。根据给定的工艺极限值：Chip类为0.10mm；IC：0.05mm。可以采用下式计算设备能力指标和工艺能力指标Cpk的值： Cpk=（给定上限-给定下限）/6 （2-1） 其中为样本的标准偏差，下同。 Cp=(1-K)Cpk （2-2） Cp表示贴片机处于稳定状态下（设备、元件、基板、工艺等），进行实际加工的能力。其中K=(工艺目标-工艺平均值)/(给定上限一给定下限)/2。贴片机工作原理主要可以分以下3步：第一步：顶针(Ejector pin) 从wafer下方的Mylar顶起芯片，同时真空嘴将芯片往上吸，使芯片脱离蓝膜。吸嘴芯片顶针蓝膜 图2-8a 贴片工艺示意图第二步：点胶头将银浆点入到框架的焊盘（Pad）中。银浆引线框架图2-8b 贴片工艺示意图 第三步：吸嘴以一定的力将芯片粘接在点有银浆的框架（L/F）的焊盘（Pad）上。 吸嘴 图2-8c 贴片工艺示意图贴片工序中，操作人员在装已切割晶圆（wafer）的时候，需要注意所装的wafer是否是客户要求的芯片，仔细核对water上的型号（Device），批次号（Lot NO）是否跟随工单信息一样。还需注意框架型号，银浆型号及使用寿命，吸嘴类型，顶针型号都要以随工单的信息一样。烘烤：将粘接好芯片框架的料盒，放入烘烤箱进行银浆固化。银浆固化应该在N2环境（是为了防止氧化）进行。2.1.6引线键合 利用高纯度的金线（Au） 、铜线（Cu）或铝线（Al）把 焊盘（Pad）和管脚 （Lead）通过焊接的方法连接起来。Pad是芯片上电路的外接点，Lead是框架（ Lead Frame）上的连接点。引线键合（W/B）是封装工艺中最为关键的一部工艺。下面介绍W/B工序中主要工具和焊点。 Capillary：陶瓷劈刀。W/B工艺中最核心的一个Bonding Tool，内部为空心，中间穿上金线，并分别在芯片的Pad和Lead Frame的Lead上形成第一和第二焊点。 EFO：打火杆。用于在形成第一焊点时的烧球。打火杆打火形成高温，将外露于Capillary前端的金线高温熔化成球形，以便在Pad上形成第一焊点（Bond Ball）。 Bond Ball：第一焊点。指金线在Cap的作用下，在Pad上形成的焊接点，一般为一个球形。 Wedge：第二焊点。指金线在Cap的作用下，在Lead Frame上形成的焊接点，一般为月牙形（或者鱼尾形）。 W/B四要素：压力（Force）、超声（USG Power）、时间、温度。下面以金线球焊接为列。金丝球焊机，是一款利用超声波引线键合技术，在超声波能量与压力共同作用下，用金线把集成电路芯片电极与框架上的焊盘连接，从而实现封装前的芯片(硅片)内部引线焊接的机电一体化高科技设备。应用于发光二极管，中小型功率三极管和集成电路的内部引线焊接。它的电路控制系统主要包括电源板系统、超声控制系统、主控制系统、恒温控制系统和打火烧球系统等。打火烧球系统是焊线机电路控制系统中的重要部分。 在焊线前，必须先做好准备工作，包括焊线机的检查、劈刀的安装、劈刀穿线，调整尾丝长度，手动打火烧球一次，将尾丝烧制成一个金丝直径25倍的金球。焊线使用高纯度（99.999%）金线，金线的直径一般为0.001in。在处理过程开始时，通过陈伟电子火焰熄灭臂（Electronic Flame-off EFO）的机器，在焊线端部形成球形。在这个过程中，EFO臂旋转到从陶瓷毛线管突出的金焊线下，EFO臂和焊线之间形成电弧，对焊线的末端进行加热，形成小球。毛细管下降到设备上并且接触到焊球，当和焊盘接触时，施加超声并加热，从而将金焊球焊接到金属焊盘上。第一个焊接称为球焊。毛细管上升并朝着并且朝着第二个焊点移动，形成脑股的焊线回路。毛细管和第二个焊盘接触，将焊线焊接到焊盘上，同时将焊线剪掉。这第二个焊接由于形状原因称为锲焊。在正常的情况下，球焊在设备焊盘上形成，而锲焊在基片的焊盘上形成。但在特殊的情况下（比如在需要或得很低的回路高度时），上面的两个焊接会反过来。其工作原理流程图大致如下图2-9。Cap牵引金线上升Cap下降到芯片的Pad上，加Force和Power形成第一焊点EFO打火杆在磁嘴前烧球Cap运动轨迹形成良好的Wire LoopCap下降到Lead Frame形成焊接Cap上提，完成一次动作Cap侧向划开，将金线切断，形成鱼尾图2-9 引线键合流程图打火烧球系统简介：打火工作开始时，打火杆释放电火花将劈刀尖部(尖部有贯通孔，孔中穿有金丝)的金丝烧熔成球。焊线机提供60V直流电压，作为打火烧球系统的供电电源。经可控电源部分变换成高频(一般在几十KHz，本打火烧球系统选择46KHZ)方波电压加到变压器的初级线圈上。在级可得到州高两到三万伏的高压，把此高压加到打火杆，打出电火花，将金丝烧熔制成金球。打火烧球系统可以通过焊线机主控制与手动来控制打火的时间、电流的控制。根据金丝球焊线机的基本工作原理，设计的打火烧球系统需要满足以下几点要求：(1)打火烧球时间：5100ms(2)打火烧球电流：820mA(3)变压器在初级线圈的高频方波电压频率一般为46KHz,，输出电压是在10000-20000V之间。(4)可焊金丝线直径：0.7mil2.0mil (0.01778mm0.0508mm) (5) 金丝直径的2到5倍，负电子打火成球，并设有烧球未成功，则报警。金丝球焊线机的环境要求：清洁无尘；室内温度：2028；相对温度：70%；周围无干扰振动，置机工作台要牢固，每机一桌。 上面介绍的打火系统可以得出：打火烧球系统可以看出其是一个打火杆和可控的特殊开关电源所组成的智能系统。下面对开关电源进行简要的概述，如图2-10所示为开关电源原理框图：交流输入EMI滤波器直流输出整流滤波器整流滤波高频变压器变换电路取样比较放大控制驱动图2-10 开关原理框图主电路工作的原理如下：其实就是把工频交流电压经过一系列的处理转换成直流电压，工频交流电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波，过滤并消除交流电源的高次谐波，然后整流电路变换为直流后再次滤波，滤除整流后的低次谐波，从而获得直流电压；然后再将获得的直流电压通过变换电路转换为高频方波或者准方波电压，通过高频变压器降压(或升压)且隔离后，再经高频变压器整流、整流滤波电路，最后输出直流电压。 控制电路工作的原理如下：首先电源连接上负载以后，通过取样电路获得它的输出电压，将此输出电压跟基准电压做出比较，将它们的误差值放大，从而用于控制驱动电路，并对变换器中功率开关管的占空比控制，这样通过输出电压升高(或降低)用来获得稳定的输出电压。开关电源可以为打火杆输入打火烧球所需要的高压。控制打火烧球的时间可以由开关电源的工作和停止控制，打火烧球输出电流的大小的问题可以由控制开关电源输出电压的大小控制。主要工艺参数选择：键合温度是指外部提供的温度，引线键合工艺对温度有很高的要求。引线键合工艺中更注意实际温度的改变对键合强度的影响。如果温度过高，不仅会产生一些多余的氧化物影响键合的质量，还由于热应力应变的影响，键合头零部件的可靠性也会随之下降。如果温度过低，将无法除去金属表面上氧化膜层等杂质，不能使金属原子间的良好密切接触。 键合时间：一般键合时间都在几十毫秒，并且由于键合点的不同，键合时间也不会一样。通常来说，键合时间越长，金属球所吸取的能量就越多，键合点的直径就变得越大，界面强度也相应增加但引线的颈部强度反而降低。然而过长的时间，会将键合点的尺寸变得过大，导致空洞生成并且键合点超出焊盘边界概率会变大。人们发现键合温度升高会使颈部区域发生再次结晶，导致引线颈部强度降低，引线颈部断裂的可能性增大了，所以对键合时间的选择对打火烧球是很重要的。 超声功率和键合压力：在所有的对键合质量和外观的因素中，超声功率影响最大，因为超声功率和键合压力对金属球的变形起着主导地位。如果超声功率过大，会导致根部的断裂、焊盘破裂等；如果超声功率过小，这样会使焊点过小、尾丝翘起。研究证明导致焊盘破裂的最大原因是超声波的水平振动。超声功率和键合压力它们是两个相互关联的参数。一般增大键合压力可以增大超声功率，这样会使超声能量通过引线键合工具更多的传递到引线键合点处，但研究发现键合压力过大会阻碍引线键合工具的正常运动，并且超声能量的传导会得到抑制，从而导致引线键合区域的中心会产生一些污染物跟金属氧化物，使中心区域不能键合。键合质量的判定标准：破坏性实验一般用来判定键合质量的好坏。通常通过键合剪切力测试、键合拉力测试这些方法。影响键合拉力测试结果的因素除了引线键合工艺参数以外，还有引线参数（材质的不同、直径的大小、强度和刚度）、引线弧线高度等等。因此除了确认键合拉力测试的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。需要注意的主要有四个位置：第一键合点的界面；第一键合点的颈部； 第二键合点处；引线轮廓中间。第三次光学检验:检查贴片（Die Attach）和引线键合（Wire Bond）之后有无废品。1、用环氧树脂将芯片及用于承载芯片的引线框架一起封装2.2 后段生产工艺2、继续对环氧树脂封装体进行高温老化处理。8、对外观及引脚进行100%检查。7、用机械模具将器件冲压成形。6、此工序主要是切断引脚之间的连筋5、打上器件的身份识别。4、镀锡后，对锡层进行高温老化处理。3、在引脚外镀上一层纯锡，增强导电性能。To Test塑封后固化电镀电镀后烘烤打印切筋成形第四道光学检查 1、用环氧树脂将芯片及用于承载芯片的引线框架一起封装2.2.1 塑封环氧模塑料（EMCEpoxy Molding Compound）：即环氧树脂模塑料、环氧塑封料，是由环氧树脂为基体树脂，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入硅微粉等为填料，以及添加多种助剂混配而成的粉状模塑料。塑料封装（简称塑封）材料95以上采用EMC，塑封过程是用传递成型法将EMC挤压入模腔,并将其中的半导体芯片包埋，同时交联固化成型，成为具有一定结构外型的半导体器件。表2-2 塑封原材料及其作用原材料百分比作用环氧树脂5-10%与硬化剂反应后提供交联结构硬化剂5-10%与环氧树脂反应提供交联结构 填充剂（二氧化硅，氧化硅）60-90%提高强度，减少吸水性等 阻燃剂10%阻燃脱模剂（天然腊）1%提供连续成型能力 催化剂（胺化物，磷化物）1%加速环氧树脂与硬化剂的反应偶联剂1%增强有机物和无机物之间的结合塑封工序的工作原理：模具分为上下模，模具上有根据封装体尺寸所预先定好的模腔，其工作温度在通常在165-185范围内。模具上把需要封装的引线框架放置好，再放入固体的环氧树脂饼料，然后闭合上模具并施加合模高压力（一般30吨以上的压力）。合模以后，给注塑杆上施加一定的压力，环氧树脂饼料在高压下进行液化，然后在注塑杆的引导作用下，模腔中充满环氧树脂。由于环氧树脂的特性是先液化再进行固化，于是在被挤入模具腔中后，环氧树脂它将再固化，形成我们所需要芯片的外形和尺寸。-L/F置于模具中，每个Die位于Cavity中，模具合模。-块状EMC放入模具孔中-高温下，EMC开始熔化，顺着轨道流向Cavity中-从底部开始，逐渐覆盖芯片-完全覆盖包裹完毕，成型固化图2-11 塑封原理图 2.2.2 后固化用于Molding后塑封料的固化，保护IC内部结构，消除内部应力。Cure Temp：175+/-5；Cure Time：8Hrs。(1)初固化阶段：胶合之后，在室温下放置一段时间，达到一定的强度，表面开始硬化，不发粘，但固化并未结束，称为初固化或凝胶。(2)基本固化阶段：这里有两种情况，一种是继续在室温条件下进行固化，但固化反应不完全，内应力较大，胶层不稳定，不能保证长期使用的稳定可靠性；另一种是趋于完全固化，即在升温条件下，使固化继续进行，使交联反应进一步进行，使体系接近完全固化的程度。总的来说，无论哪一种胶粘剂，高温固化总比室温固化的交联强度高。 (3)后固化阶段：为提高胶接性能，对于基本固化后的状态，还要进一步处理，即在一定的温度下，继续保持一定的时间。这样能够补充固化，进一步提高固化程度，并可有效地消除内应力，提高胶接强度。对于胶接性能要求高的情况或具有可能的条件时，都要进行后固化。 2.2.3 电镀ABS是丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)、苯乙烯(Stylrene)的聚合物，它具有一定的表面硬度、韧性、耐冲击性、表面光泽，并具有抗化学腐蚀性、易加工等特性。 简单地说，ABS电镀就是将ABS中的B(丁二烯)以化学方式腐蚀掉，使产品表面呈现一些疏松的细孔，再附着一层导体(比如铜)使其能够导电，随后再参照金属电镀的方式进行电镀，在其表面镀上一层金属薄膜。所以，ABS电镀是化学镀与电镀的混合。电镀工艺流程框图简介： 镀铬镀镍镀铜烘干全检包装出货原材料IQC粗化脱脂分类上挂具中和活化化学镍IPQC敏化还原图2-12 电镀流程框图下面以硫酸铜镀浴为例：镀铜溶液的主要成分是硫酸铜和硫酸，在直流电压的作用下，在阴、阳极上发生如下反应：阴极：Cu2+获得电子被还原成金属铜，在直流情况下电流效率可达98%以上。 Cu2+ 2e Cu （2-3）某些情况下镀液中存在少量Cu+，将发生如下反应：Cu+ + e Cu （2-4）还可能出现Cu2+的不完全还原： Cu2+ e Cu+ （2-5）由铜的还原电位比H+正得多，所以一般不会有氢气析出。阳极： 阳极反应是溶液中Cu2+的来源：Cu - 2e Cu2+ （2-6）在少数情况下，阳极也可能发生如下反应： Cu - e Cu+ （2-7）溶液中的Cu+在足够量硫酸的存在下，可能被空气中的氧气氧化成Cu2+：4Cu+ + O2+ 4 H+ 4 Cu2+ + 2 H2O （2-8）当溶液酸度不足时，Cu+ 会水解形成Cu2O，形成所谓铜粉：4 Cu+ + 4 H2O 2Cu(OH)2 + 4 H+ + Cu2O （2-9）氧化亚铜的生成会使镀层粗糙或呈海绵状，因此在电镀过程中应尽量避免一价铜的出现。Before PlatingAfter Plating图2-13 芯片电镀前后打印：打码是在封装模块顶部印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识，包括制造商信息、国家、器件代码等，主要是为了便于识别和可跟踪。打码方法有多种，其中最常用的是印码（Print）方法：包括油墨印码(ink marking)和激光印码(Laser Marking)两种。图2-14 打印 2.2.4 切筋切筋成型其实是两道工序：切筋和打弯，通常同时完成。切筋工艺，是指用切筋刀切除框架外引脚之间的堤坝（dam bar）和在框架带上连在一起多余的地方；打弯工艺则是将引脚弯成产品所需要的形状，用来适合芯片装配的需要。对于打弯工艺，最主要的问题是引脚发生了变形。对于镀通孔工艺(PTH)装配，因为引脚数目较少和较粗，基本不会发生问题。然而对表面组装技术（SMT）来讲，特别是框架的引脚数特别多和微细间距框架器件，一个比较突出的问题是引脚的非共面性（lead non Coplanarity）。切筋工艺过程如果处理不恰当，成型后降温过程中会引起的框架翘曲 。图2-15 切筋效果图对于SO、QFP(引脚宽度小于25mil) b & c的切筋，有一次完成,亦有分二次完成。(A) 切断(B) 弯至所要尺寸(D) 切断外侧引脚相连完成所需要宽度(C) 弯至所需角度图2-16 SO、QFP切筋过程PLCC (SOJ)的切筋示意图 ：图2-17 PLCC(SOJ)切筋过程(A) 切断(B) 弯小圓弧(C) 弯90度 (F)(E)(D) 弯至所需尺寸CAMCAM注：（D）可以分为两部动作（E），（F）。3 叠层式3D封装技术现代便携式电子产品对微电子封装提出了更高的要求，其对更轻、更薄、更小、高可靠性、低功耗的不断追求推动微电子封装朝着密度更高的三维封装方式发展。三维（3D）封装突破传统的平面封装的概念，使得组装效率大幅度的提高。它使单个封装体内可以堆叠多个芯片并将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小；再则，它将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路。最后，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快、引脚数目多等优点。3.1 三维立体（3D）封装的特点 缩小封装尺寸，提高互联效率，降低芯片的功耗和较低的成本。当然它也不是全是优点。其主要的缺点是：如果堆叠中的一层集成电路出现问题，所有堆叠的裸片都将失效。此外，封装技术的难度的提高也会增加一部分成本。 3.2 三维立体（3D）封装的分类 3D封装形式有许多种类，一般情况下可以分为以下三类: 有源基板型3D封装，埋置型3D封装和叠层型3D封装。所谓埋置型3D封装，就是在多层基板底层埋置IC芯片,顶部组装IC芯片, 基顶层之间的高密度互连;有源基板型,就是在硅或GaAs衬底上制造多种集成电路和多层布线,顶层组装模拟集成电路芯片和其它一系列元器件;第三种是叠层型3D封装, 它是在2D封装的基础上,把多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆片进行叠层互连,构成立体封装,这种结构称作叠层型3D封装。3.3 叠层式3D封装的结构形式叠层式3D封装可以通过以下三种方法实现:叠层裸芯片封装(见图3-1),封装内封装(PiP)(见图3-2)和封装上封装(PoP)(见图3-3)。图3-1 二芯片堆叠3D封装图3-2 封装内封装图3-3封装上封装 裸芯片堆叠3D封装主要通过以下两种方式来实现的，一种是将很多同一尺寸的裸芯片绝缘堆叠，用引线将这些裸芯片连接，如图3-4所示；另一种方式是在裸芯片的上面搭载尺寸小一点的裸芯片。封装体堆叠的3D封装通常将大量同一种类型的较小规模存储器封装来重叠，这样可以构成大规模的存储器。一般是根据原有标准封装体的端子排布情况，重叠在一起的小规模存储器封装体的相同端子，将这些相同端子钎焊在一起，这样使封装体之间的电气连接。 图3-4 同一尺寸的裸芯片堆叠 3.4 3D封装在实际生产过程中主要技术和问题 3.4.1 超薄圆片减薄如果不是用于3D封装，目前0.30.4mm的晶片厚度是没有问题，但如果晶片用于3D封装则需要减薄，以保证形成通孔的孔径与厚度的比例在合理范围内。并且最终封装的厚度可以接受。例如即使不考虑层堆叠的要求，单是芯片间的通孔互连技术就要要求上次芯片的厚度在2030m，这是现有等离子开孔及金沉积技术比较使用的厚度。未来芯片厚度将达到25m甚至更小。晶圆减薄目前采用磨削加工，要经过粗磨、细磨、精磨和抛光等不同的加工工序。晶片减薄技术中需要解决磨削过程晶片适中保持平衡状态，减薄后不会发生翘曲、下垂、表面损伤扩大、晶片破裂等问题。下面对翘曲原因和对策进行简介2。翘曲原因：实践证明，减薄后，圆片翘曲主要是由机械切削造成的损伤层引起，当圆片很薄时，使圆片自身抗拒上述应力的能力就很弱，体现在外部，就是圆片翘曲，另外，圆片厚度越大，圆片自身抗拒内部应力的能力越强。翘曲对策：机械磨削是常用的背面减薄技术，通常可以分为两阶段：即前段粗磨和后段细磨两部分，因为细磨把圆片研磨的比较光滑，而且细磨砂轮金刚砂直径通常在小于20m，细磨时产生热量是较较高的，所以，细磨磨削量都较小，一般小于40m。从晶圆翘曲的原因来看，减少机械磨削造成的损伤层是减少减薄后晶圆翘曲的技术关键，所谓3D封装中的减薄技术有别于以前的晶圆减薄技术，就在于砂轮的选择，最大限度地降低机械磨削所造成的损伤层量，降低晶圆翘曲度，我们需要选择机械磨削合适的砂轮。 3.4.2 薄裸芯片贴装确定芯片的厚度和划片膜的选用：通常情况下，对于直插式的DIP封装的塑封体比较厚，一般在4mm左右，所以封在塑封体内的芯片厚度约为400m，对于表面贴装的QFP/SOP等封装，其塑封体的厚度一般为2mm左右，所以封在塑封体内的芯片厚度为300m，但三维叠层的LQFP64因为是双芯片叠层装片，因为到引线框架的焊盘平面和塑封体顶部之间的距离大约只有0.81mm，金线顶部和塑封体顶部需要有100m的空间，因此我们使用厚度小于200m芯片。当芯片厚度小于200m，由于芯片尺寸较大，因此芯片的强度就降低，它所能承受的外力会变的较小，为减少装片时芯片的所受到的力，必须选用粘接力较小的划片承载薄膜。芯片粘接材料的选择: 因为第一层芯片和引线框焊盘直接接触的，采用一般普通的工艺就可以，用导电胶来直接粘接芯片和引线框焊盘，然而对于第一层芯片的正面要跟第二层芯片背面的连接，如果还是采用导电胶的话，会在这两芯片之间形成一个非常大的寄生电容，因为该电容的介质层厚度为第一层芯片表面的钝化层厚度，它的钝化层厚度比较小，所以产生的寄生电容较大。为此，第二层芯片和第一层的粘接材料，我们采用必须绝缘胶，并且将绝缘胶厚度需要控制在3040m，这样寄生电容介质层厚度的增大，用来降低了芯片之间的寄生电容。另一方面，如果两层芯片之间直接用导电胶来粘接的话，当第一层芯片表面钝化层发生缺陷以后，就会形成电通路使得电路报废，从而芯片发生失效。根据这两点，两层芯片的粘接料最好用绝缘胶。 3.4.3 低弧度金线及立体键合叠层式3D封装在Z方向的立体键合技术是焊线（Wire Bond）最关键的技术，主要包括以下两种技术：超低弧度引线键合技术和芯片和芯片间的引线键合技术，还有就是劈刀的选择、引线键合的工艺参数设置对叠层式3D封装也是非常重要的。超低弧度引线键合技术：引线高度的限制和叠层芯片技术构形的复杂程度，对于在叠层芯片应用中的引线键合技术提出了比较大的挑战，当增加了芯片厚度时，就相应减少不同线环形层之间的间隙，为此，我们需要降低叠层芯片较低层的引线键合弧高，用来消除不相同的环形层间的引线短路。环形的顶层我们需要保持一定的低位，以便避免在塑封工序后引线露出了塑封体这一废品，器件最大的弧高，不应高于保持环形层之间最佳缝隙的芯片厚度。因此，如果芯片厚度为160m，弧高为160m或者低于160m是最佳的高度。低弧度金线键合这一技术，已经推动了反向键合技术的使用的不断发展。但反向键合工艺则先把劈刀置于芯片键合区上，先打火烧球出一个金球以后，它是以引脚为第一焊点，芯片焊盘键合区为第二焊点的方式来引线键合。这就是引线键合的反打方式（SSB）。然而，标准的正向键合是先键合芯片焊盘区，再键合引脚的顺序。图3-5 低弧度反向键合在目前几种应用中，通常采用正向键合工艺，因为正向键合工艺速度比反向键合的速度快的多，并且可以得到更细的间距。但是正向键合工艺受到线弧高度的限制。而且金球上方过度的反拉可能会造成引线颈部的裂纹，这些裂纹会导致引线的可靠性。使用25m金丝获得的正向键合工艺的最小弧高大约为128m。然而在采用了理想的工艺过程，使用高级的引线键合设备，反向键合工艺能够获得低于76m的线弧高度。叠合式正向法是一