微电子封装技术.doc

第一章 绪论1、 封装技术发展特点、趋势。（P8）（1）发展特点：、微电子封装向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向引出向面阵列排列发展；、微电子封装向表面安装式封装（SMP）发展，以适合表面安装技术（SMT）；、从陶瓷封装向塑料封装发展；、从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移。（2）发展趋势：、微电子封装具有的I/O引脚数将更多；、应具有更高的电性能和热性能；、将更轻、更薄、更小；、将更便于安装、使用和返修；、可靠性会更高；、性价比会更高，而成本却更低，达到物美价廉。2、 封装的功能（P19）电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护。3、 封装技术的分级（P12）（1）零级封装：芯片互连级。（2）一级封装：将一个或多个IC芯片用适宜的材料（金属、陶瓷、塑料或它们的组合）封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用如上三种芯片互连方法（WB、TAB、FCB）连接起来使之成为有实用功能的电子元器件或组件。（3）二级封装：组装。将上一级各种微电子封装产品、各种类型的元器件及板上芯片（COB）一同安装到PWB或其它基板上。（4）三级封装：由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，立体组装。4、 芯片粘接的方法（P12）（1）只将IC芯片固定安装在基板上：Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导电胶粘接法、有机树脂基粘接法。（2）芯片互连技术：主要三种是引线键合（WB）、载带自动焊（TAB）和倒装焊（FCB）。早期有梁式引线结构焊接，另外还有埋置芯片互连技术。第二章 芯片互连技术（超级重点章节）1、WB特点、类型、工作原理（略）、金丝球焊主要工艺、材料（P24）（1）金丝球焊主要工艺数据：直径25m的金丝焊接强度一般为0.070.09N/点，压点面积为金丝直径的2.53倍，焊接速度可达14点/秒以上，加热温度一般为100，压焊压力一般为0.5N/点。（2）材料：热压焊、金丝球焊主要选用金丝，超声焊主要用铝丝和Si-Al丝，还有少量Cu-Al丝和Cu-Si-Al丝等。2、TAB关键材料与技术（P29）（1）关键材料：基带材料、Cu箔引线材料和芯片凸点金属材料。（2）关键技术：芯片凸点制作技术TAB载带制作技术载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。3、FCB技术及可靠性（P70P75）热压FCB可靠性、C4技术可靠性、环氧树脂光固化FCB可靠性、各向异性导电胶FCB可靠性、柔性凸点FCB可靠性4、芯片互连技术各自特点及应用（1）引线键合：、热压焊：通过加热加压力是焊区金属发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层使压焊的金属丝和焊区金属接触面的原子间达到原子引力范围，从而使原子间产生引力达到键合。两金属界面不平整，加热加压可使上下金属相互镶嵌；加热温度高，容易使焊丝和焊区形成氧化层，容易损坏芯片并形成异质金属间化合物影响期间可靠性和寿命；由于这种焊头焊接时金属丝因变形过大而受损，焊点键合拉力小（0.05N/点），使用越来越少。、超声焊：利用超声波发生器产生的能量和施加在劈刀上的压力两者结合使劈刀带动Al丝在被焊区的金属化层表明迅速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性形变来实现原子间键合。与热压焊相比能充分去除焊接界面的金属氧化层，可提高焊接质量，焊接强度高于热压焊；不需要加热，在常温下进行，因此对芯片性能无损害；可根据不同需要随时调节键合能量，改变键合条件来焊接粗细不等的Al丝或宽的Al带；AL-AL超声键合不产生任何化合物，有利于器件的可靠性和长期使用寿命。、金丝球焊：球焊时，衬底加热，压焊时加超声。操作方便、灵活、焊点牢固，压点面积大，又无方向性，故可实现微机控制下的高速自动化焊接；现代的金丝球焊机还带有超声功能，从而具有超声焊的优点；由于是Au-Al接触超声焊，尽管加热温度低，仍有Au-Al中间化合物生成。球焊用于各类温度较低、功率较小的IC和中、小功率晶体管的焊接。（2）载带自动焊：TAB结构轻、薄、短、小，封装高度不足1mm；TAB的电极尺寸、电极与焊区节距均比WB大为减小；相应可容纳更高的I/O引脚数，提高了TAB的安装密度；TAB的引线电阻、电容和电感均比WB小得多，这使TAB互连的LSI、VLSI具有更优良的高速高频电性能；采用TAB互连可对各类IC芯片进行筛选和测试，确保器件是优质芯片，大大提高电子组装的成品率，降低电子产品成本；TAB采用Cu箔引线，导热导电性能好，机械强度高；TAB的键合拉力比WB高310倍，可提高芯片互连的可靠性；TAB使用标准化的卷轴长度，对芯片实行自动化多点一次焊接，同时安装及外引线焊接可实现自动化，可进行工业化规模生产，提高电子产品的生产效率，降低产品成本。TAB广泛应用于电子领域，主要应用与低成本、大规模生产的电子产品，在先进封装BGA、CSP和3D封装中,TAB也广泛应用。（3）倒装焊：FCB芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连，因此FCB的互连线非常短，互连产生的杂散电容、互连电阻和电感均比WB和TAB小的多，适于高频高速的电子产品应用；FCB的芯片焊区可面阵布局，更适于搞I/O数的LSI、VLSI芯片使用；芯片的安装互连同时进行，大大简化了安装互连工艺，快速省时，适于使用先进的SMT进行工业化大批量生产；不足之处如芯片面朝下安装互连给工艺操作带来一定难度，焊点检查困难；在芯片焊区一般要制作凸点增加了芯片的制作工艺流程和成本；此外FCB同各材料间的匹配产生的应力问题也需要很好地解决等。5、TAB内外引线焊接技术（P37）内引线焊接（与芯片焊区的金属互连）：芯片凸点为Au或Ni-Au、Cu-Au等金属，载带Cu箔引线也镀这类金属时用热压焊（焊接温度高压力大）；载带Cu箔引线镀0.5m厚的Pb-Sn或者芯片凸点具有Pb-Sn时用热压再流焊（温度较低压力较小）。焊接过程：对位焊接抬起芯片传送焊接条件：主要由焊接温度（T）、压力（P）、时间（t）确定，其它包括焊头平整度、平行度、焊接时的倾斜度及界面的侵润性，凸点高度的一致性和载带内引线厚度的一致性也影响。T=450500，P0.5N/点，t=0.51s焊接后焊点和芯片的保护：涂覆薄薄的一层环氧树脂。环氧树脂要求粘度低、流动性好、应力小切Cl离子和粒子含量小，涂覆后需经固化。筛选测试：加热筛选在设定温度的烘箱或在具有N2保护的设备中进行；电老化测试。外引线焊接（与封装外壳引线及各类基板的金属化层互连）：供片冲压和焊接回位。6、FCB特点、优缺点（略，同4）7、UBM含义概念、结构、相关材料（P46）UBM（凸点下金属化）：粘附层-阻挡层-导电层。粘附层一般为数十纳米厚度的Cr、Ti、Ni等；阻挡层为数十至数百纳米厚度的Pt、W、Pd、Mo、Cu、Ni等；导电层金属Au、Cu、Ni、In、Pb-Sn等。8、凸点主要制作方法（P47P58）蒸发/溅射凸点制作法、电镀凸点制作法、化学镀凸点制作法、打球（钉头）凸点制作法、置球及模板印刷制作焊料凸点、激光凸点制作法、移置凸点制作法、柔性凸点制作法、叠层凸点制作法、喷射Pb-Sn焊料凸点制作法。9、C4焊接技术特点（P61）C4技术，再流FCB法即可控塌陷芯片连接特点：、C4除具有一般凸点芯片FCB优点外还可整个芯片面阵分布，再流时能弥补基板的凹凸不平或扭曲等；、C4芯片凸点采用高熔点焊料，倒装再流焊时C4凸点不变形，只有低熔点的焊料熔化，这就可以弥补PWB基板的缺陷产生的焊接不均匀问题；、倒装焊时Pb-Sn焊料熔化再流时较高的表面张力会产生“自对准”效果，这使对C4芯片倒装焊时的对准精度要求大为宽松。10、底封胶作用（P67）保护芯片免受环境如湿气、离子等污染，利于芯片在恶劣环境下正常工作；使芯片耐受机械振动和冲击；减少芯片与基板间热膨胀失配的影响；可避免远离芯片中心和四角的凸点连接处的应力和应变过于集中。这些最终可使芯片可靠性大大提高。11、各向同性、各向异性导电胶互连原理（P65）ACA倒装焊原理：先在基板上涂覆ACA，将带有凸点的IC芯片与基板上的金属焊区对位后在芯片上加压并进行ACA固化，这样导电粒子挤压在凸点与焊区之间，使上下接触导电，而在xy平面各方向上导电粒子不连续，故不导电。第三章 插装元器件的封装技术1、插装元件分类（P80）（1）按外形结构：圆柱形外壳封装（TO）、矩形单列直插式封装（SIP）、双列直插式封装（DIP）、针栅阵列封装（PGA）等。（2）按材料：金属封装、陶瓷封装、塑料封装等。2、DIP封装技术工艺流程（P84）（1）陶瓷熔封DIP（CDIP）：生瓷料准备流延制模冲片冲腔冲孔并填充金属化金属化印制叠片压层热切侧面金属化印制排胶烧结电镀或化学镀Ni钎焊封口环和外引线电镀Ni-Au外壳检漏、电测试IC芯片安装引线键合IC芯片检测封盖检漏成品测试打印包装。（2）塑封型DIP（PDIP）：将IC芯片用粘接剂粘接在引线框架的中心芯片区，IC芯片各焊区与局部电镀Ag的引线框架各焊区用WB连接，然后将引线框架置于塑封模具下模并盖上上模，将环氧坯料注入注塑机加热模具至150180，保温23min后脱模，清除毛刺并对引线切筋后打弯成90即成标准PDIP。最后进行高温老化筛选并充分固化，测试分选打印包装出厂。3、PGA技术的特点（P86）PGA针引脚以2.54mm节距在封装底面上呈栅阵排列，所以I/O数高达数百乃至上千个；PGA是气密封的，所以可靠性搞；PGA制作工艺复杂、成本高，故适于可靠性要求高的军品使用。4、金属外壳封装主要原理和封装技术（P87-92）（1）特点：良好的热、电、机械性能；使用温度范围广；气密性优良；封装多为金属外壳配合陶瓷基板封装，壳体较大；封装单芯片和厚、薄膜HIC。（2）分类：浅腔式外壳系列、平板式、扁平式、功率外壳式、AIN陶瓷基板外壳系列等。（3）封装技术：典型HIC组装/封装技术，以SMC/SMD与IC芯片混合组装为例。优点：陶瓷基板导热系数比PWB高一个数量级以上，传热快，受热均匀，焊接时温度低，焊料熔化一致性好，焊接缺陷大为减少；热匹配好，界面应力降低，降低热循环造成的疲劳失效；可允许更高的功率密度；化学稳定性好。缺点：制作工艺复杂；难以制作平整的大基板；成本高。工艺流程：成膜基板制备组装前的清洗贴装SMC/SMD再流焊焊后清洗芯片粘接、固化和清洗芯片引线键合封帽钱检验。封帽工艺：熔焊封接法（平行缝焊、激光焊、电焊）和焊料封接法。第四章 表面安装元器件的封装技术1、SMD分类和优缺点（P98）（1）按封装外形：“芝麻管”形、圆柱形、SOT形、PQFP、PLCC、BGA/CSP、裸芯片安装DCA。按封装材料：玻璃二极管封装、塑料封装类（主要封装形式）、陶瓷封装类。（2）优点：SMD体积小、重量轻，占基板面积小因而组装密度高；电性能优异；适合自动化生产；降低生产成本；能提高可靠性；有利环境保护。（3）不足：由于组装密度高，需注重解决热设计问题；SMD与PWB的CTE不一致导致焊点处的裂纹以致开裂问题；吸潮问题等。2、SMD主要封装技术（P103-115）SOP（IC小外形封装）：DIP的变形即将DIP的直插式引脚向外弯曲成90。两类引脚：L和J。特点：引脚易焊接，焊点易检查；SOJ安装密度较高；引线框架材料（可伐合金、42鉄镍合金、铜合金）铜合金具有柔性，可吸收焊接时的应力，导电导热性能好。分常规型、窄节距SOP、薄型SOP。PLCC（塑料有引脚片式载体封装）：引脚材料为铜合金，不仅导电导热性能好，还有一定弹性；引脚J型安装密度高。工艺同模塑封器件。LCCC（陶瓷无引脚片式载体封装）：特点：无引脚；可直接焊到基板焊区；寄生电感电容小；电热性能俱佳，耐腐蚀性优良；不足在于制作工艺要求高且复杂，使用陶瓷成本高。工艺流程与CDIP类似。QFP（四边引脚扁平封装）：引脚有翼型和J行。分类：塑封QFP、陶瓷、薄型、窄节距、带保护垫的QFP。引线框架材料多为C194Cu、可伐合金或42鉄镍合金。工艺技术：PQFP类似塑封器件；CQFP类似陶瓷封装期间CDIP。3、塑封吸潮危害、机理及解决办法（P115-）危害：降低器件寿命；使器件电参数变差，最终会导致器件开路而失效；当较大尺寸的SMD和较薄壳体的塑封器件焊接时常会发生“爆米花”式开裂现象。开裂机理：水汽吸收聚蓄期（完好）、水汽蒸发膨胀期（焊接预热至高温，水汽受热蒸发膨胀超过塑料与芯片粘接剂的粘接强度，蒸汽扩张形成压力圆顶）、开裂萌生扩张期（蒸汽压力继续增加，应力最薄弱出萌生裂纹，在蒸汽压作用下裂纹扩张至边界，水汽由裂纹溢出，压力圆顶塌陷形成开裂）。对策：从封装结构的改进上增强抗开裂的能力；对塑封器件进行适宜的烘烤；合适的包装和良好的贮存条件。第五章 BGA和CSP的封装技术1、BGA和CSP分类及特点BGA（PBGA、CBGA、CCGA、TBGA、MBGA、FCBGA、EBGA）：失效率低；焊点节距一般为1.27mm和0.8mm，可利用现有SMT工艺设备；提高了封装密度，改进了器件引脚数和本体尺寸比率；引脚是焊球可明显改善共面性，大大减少共面失效；引脚牢固；引脚短使信号路径短，减小了引脚电感和电容，改善了电性能；“自对准”效应可减少安装、焊接失效率；利于散热；适合MCM封装，有利于实现其高密度、高性能。CSP（柔性基板封装CSP、刚性基板、引线框架式、焊区阵列、微小模塑型、圆片级芯片尺寸）：体积小；可容纳引脚最多；电性能良好；散热性能优良。2、PBGA封装技术（P124）优点：和环氧树脂电路板热匹配性好；对焊球共面要求宽松；安装时可通过封装体边缘对准；成本较低；电性能良好；自对准；可用于MCM封装。缺点：对湿气敏感。装配焊球方法：“球在上”和“球在下”。焊球直径一般为0.76mm或0.89mm，成分为低熔点的63%Sn-37%Pb。3、焊球连接缺陷与焊点可靠性（P146-）缺陷（联系图片进行记忆）：桥连；连接不充分；空洞；断开；浸润性差；形成焊料小球；误对准。焊点可靠性：热应力；机械应力，包括三点弯曲试验、四点扭曲测试、振动试验。第六章 多芯片组件（MCM）1、MCM类型与特点（P159-）五大类：有机叠层基板制成的MCM-L；厚膜或陶瓷多层布线基板制成的MCM-C；薄膜多层布线基板制成的MCM-D；厚薄膜混合多层基板制成的MCM-D/C；Si基板制成的MCM-Si。特点：高速性能；高密度性能；高散热性；低成本。2、MCM组装技术（P187-）概念：指通过一定的连接方式，将元器件组装到MCM基板上，再将组装有元器件的基板安装在金属或陶瓷封装中组成一个具有多功能的MCM组件。内容包括芯片与基板的粘接（导电胶或绝缘环氧树脂粘接剂）、芯片与基板的电气连接（WBTABFCB）、基板与外壳的物理连接（粘接剂、焊接或机械固定）和电气连接（WB）。MCM清洗方法：等离子蒸气去垢、溶剂喷洗、溶剂浸泡、超声清洗。第七章 基板、介质、金属材料及基板制作技术1、基板材料要求（P210）电性能，高的电绝缘电阻，低的、一致的介电常数；热性能，热稳定性好，热导电率高，各种材料热膨胀系数相近；机械性能，孔隙度低，平整性好，强度较高，弯度小；化学性能，化学稳定性好，制作电阻或导体相容性好。2、基板的材料分类氧化铝；氮化铝；有机多层基板材料；共烧陶瓷基板材料；硅基板材料；金刚石。3、LTCC典型基板制作工艺（P238-）五种典型基板制作技术：厚膜多层板的制作技术、低温共烧多层板（重点）、薄膜多层板、MCM-C/D的基板制作技术、PWB的制作技术。常规LTCC优点：烧结温度低；可使用导电率高的材料；陶瓷介电常数低，信号传输快可提高系统性能；可埋入阻容元件，增加组装密度；投资费用低。常规LTCC制作工艺：混料球磨流延成膜冲片、冲腔冲孔、埋置电阻检查、排序、对准层压切割成单件排胶烧结测试印刷顶层电阻或导体烧结测试、组装。金属上LTCC工艺流程：流延带冲片冲孔、印孔、印线叠片和层压叠层到金属夹芯排胶、烧结检验。4、印制板的制作工艺单面板：开料磨边钻孔外层图形(全板镀金)蚀刻检验丝印阻焊(热风整平)丝印字符外形加工测试检验包装双面板：蚀刻退锡铅电气通断检测清洗阻焊图形插头镀镍镀金插头贴胶带热风整平网印字符标记外形加工检验包装多层板镀镍金：开料磨边钻定位孔内层图形内层蚀刻检验黑化层压钻孔沉铜加厚外层图形镀镍镀金、去膜蚀刻二次钻孔检验丝印阻焊丝印字符外形加工测试检验第八章 未来封装技术展望1、主要新技术的种类DCA封装技术、三维封装、系统级封装、圆片级封装、微电子机械系统封装。2、DCA的特点优点：DCA近于无封装；高I/O数，焊料凸点有自对准效果；FCB的组件可靠性更高；FC的“引脚”实际上就是凸点的高度，要比WB短得多，因此FC的电感非常低；FC可直接在圆片上加工完成“封装”，并直接FCB到基板上，省去粘片材料、焊丝、引线框架及包封材料，降低了生产成本；FC及FCB后可以在芯片背面直接加散热片，因此可以提高芯片的散热性能。缺点：高I/O引脚的FC，要对其进行筛选及测试一达到优质芯片尚有困难；需解决每个小节距的面阵凸点老化测试夹具问题；FCB后为提高可靠性，需在FC及基板中间加填充料，这一步骤化时间较长。3、3D封装技术种类（1）埋置型3D；（2）有源基板型3D；3）叠层型3D。4、无源元件封装趋势趋势：无源元件的小型化和集成化；无源元件在Si基板上集成化；在基板内或基板上的多层布线介质层内埋置无源元件。5、MEMS封装技术功能、要求（1）功能：微电子封装的基本功能+低应力+高真空度+高气密性+高隔离度+特殊的封装环境与引出。（2）技术特点：技术研究方向多样化；加工工艺多样；MEMS器件制作走向单片集成化、动静结合；MEMS器件的芯片与封装正统一考虑并大力发展；普通商用低性能产品与高性能特殊用途的MEMS器件并存，竞相发展。5、 圆片级封装：（1）通常制作IC芯片的Al焊区完成后，继续完成 CSP 的封装制作，称之晶圆级CSP（ WLCSP), 又称作晶圆级封装。它是一种以BGA 技术为础，是一种经过改进和提高的 CSP ，综合了BGA、CSP的技术优势。 （2）工艺流程：已钝化圆片涂覆BCB或PI光刻溅射UBM，使新老焊区布线相连二次涂覆BCB或PI光刻新焊区窗口电镀或印制焊料再流形成焊料球WLP完成测试打印包装。（3）圆片级封装（晶圆级）关键工艺：再分布技术和凸点制作技术。（再分布技术就是在器件表面重