设备管理_半导体制造装备概述

先进制造技术 半导体制造装备 微电子封装一般可分为4级 如图所示 即 0级封装 芯片上器件本体的互连1级封装 芯片 1个或多个 上的输入 输出与基板互连2级封装 将封装好的元器件或多芯片组件用多层互连布线板 组装成电子部件 插件或小整机3级封装 用插件或小整机组装成机柜整机系统 半导体制造装备概述 芯片制造 前道 单晶硅拉制 切片 表面处理 光刻 减薄 划片芯片封装 后道 测试 滴胶 Diebonding Wirebonding 压模 半导体封装的基本形式按其外部封装型式分 双列直插式封装 表面安装技术 无引线陶瓷片式载体 塑料有引线片式载体 四边引线扁平封装 四边引线塑料扁平封装 平面阵列型 球栅阵列封装 Chiptosubstrateinterconnecttechnologies 按芯片的内部连接方式来分 外引线键合 外引线键合过程示意图 将带引线的芯片从载带上切下的示意图 技术中的载带 概括而言 电子封装技术已经历了四代 现正在进入第五代 第一代 60年代前采用的是接线板焊接的方式 框架为电路板 主要插装元件是电子管 第二代 60年代采用穿孔式印刷电路板 封装 主要元件是晶体管和柱型元件 第三代 70年代用自动插装方式将 为代表的集成电路封装在 板上 这是穿孔式封装技术的全盛时期 第四代 从80年代开始 采用 将表面安装元件 和表面安装器件 安装在 表面上 这一封装技术的革命改变了元器件和电子产品的面貌 第五代 这是90年代显露头角的微封装技术 是上一代封装技术的发展和延伸 是将多层 技术 高密度互连技术 微型元器件封装技术综合并发展 其代表性技术就是金属陶瓷封装 典型产品是 M 最近由于系统级芯片 和全片规模集成 技术的发展 微电子封装技术正孕育着重大的突破 半导体后封装的发展趋势向表面安装技术 发展1988年 技术约占封装市场份额的17 5 1993年占44 1998年占75 传统的双列直插封装所占份额越来越小 取而代之的是表面安装类型的封装 如有引线塑料片式载体 无引线陶瓷片式载体 四边引线塑料扁平封装 塑料球栅阵列封装 和陶瓷球栅阵列封装 等 尤其是 和 两种类型最具典型 向高密度发展目前 陶瓷外壳 已达1089只管脚 达625只管脚 间距达0 5 达376只管脚 达1000只管脚 根据美国 发展规划 到2007年 最大芯片尺寸将增大到1000 2 同时每枚芯片上的输入 输出数最多将达到5000个 焊点尺寸将缩小到0 127 以下 从单芯片封装向多芯片封装发展 起步于90年代初 由于 的高密度 高性能和高可靠性而倍受青睐 受到世界各国的极大关注 纷纷投入巨额资金 如美国政府3年投入5亿美元 在10年投入10亿美元来发展 据预测 1999年全球 产品销售额将达200亿美元 目前最高水平的 是 的产品 200 2 78层 300多万个通孔 1400 互连线 1800只管脚 200 功耗 由陶瓷封装向塑料封装发展在陶瓷封装向高密度 多引线和低功耗展的同时 越来越多的领域正在由塑料封装所取代 而且 新的塑料封装形式层出不穷 目前以 和 为主 全部用于表面安装 这些塑料封装占领着90 以上的市场 高密度封装中的关键技术从技术发展观点来看 作为高密度封装的关键技术主要有 和三维封装 载带封装它可以提供超窄的引线间距和很薄的封装外形 且在 板上占据很小的面积 可用于高 数的 和微处理器 东芝公司1996年问世的笔记本电脑中就使用了 承载 其引线间距0 25 焊接精度为 30 据报道 最小间距可达0 15 球栅阵列封装 BGA 技术的最大特点是器件与 板之间的互连由引线改为小球 制作小球的材料通常采用合金焊料或有机导电树脂 采用 技术容易获得 数超过600个的封装体 由于 完全采用与 相同的 回流焊工艺 避免了 中的超窄间距 可以提供较大的焊盘区 因此使焊接工艺更加简单 强度大大提高 可靠性明显改善 的尺寸通常大于 芯片规模封装 在21 40 之间 可分为塑料 陶瓷 或载带 在 中 通常用引线键合采用焊球或引线键合将芯片贴在陶瓷基板上 在 中 用标准 内引线键合工艺或焊球将芯片贴在其带状框架上 芯片规模封装与芯片尺寸封装 芯片规模封装与芯片尺寸封装统称为 它被认为是本世纪先进封装的主流技术 在芯片规模封装中 封装体的尺寸是芯片尺寸的1 2倍以下 芯片尺寸封装中封装体的尺寸与芯片尺寸基本相当 这是在电路板面积不变的前提下 希望更换大芯片的集成电路时提出的 在这种情况下 将框架引线伸展到芯片上方形成芯片引线 封装尺寸不变 芯片面积增大 封装体面积与芯片面积的比值变小 多芯片组件 将多只合格的裸芯片 直接封装在多层互连基板上 并与其它元器件一起构成具有部件或系统功能的多芯片组件 已成为蜚声全球的90年代代表性技术 MCM封装 COB ChipOnBoard ChiponBoard COB DieBonding HistoryandapplicationsofwirebondingWirebondingistheearliesttechniqueofdeviceassembly whosefirstresultwaspublishedbyBellLaboratoriesin1957 Sinethen thetechniquehasbeenextremelydeveloped Advantage Fullyautomaticmachineshavebeendevelopedforvolumeproduction Bondingparameterscanbepreciselycontrolled mechanicalpropertiesofwirescanbehighlyreproduced Bondingspeedcanreach100 125mspereachwireinterconnection twoweldsandawireloop Mostreliabilityproblemscanbeeliminatedwithproperlycontrolledandmuchimprovedtools capillariesandwedges andprocesses Specificbondingtoolsandwirescanbeselectedbypackagingengineerstomeettherequirements Infrastructureofthetechniquehasbeencomprisedbylargewirebondingknowledge manufacturingpeople equipmentvendersandmaterials Themostpopularapplicationsthatusewirebondingare Singleandmultitieredcofiredceramicandplasticballgridarrays BGAs singlechipandmultichipCeramicandplasticquadflatpackages CerQuadsandPQFPs Chipscalepackages CSPs Chiponboard COB Wirebonding的基本形式 Firstandsecondbondcomparison A Ballbondingfirstbond B Ballbondingsecondbond stitchbondandtailbond C Wedgebondingfirstbond D Wedgebondingsecondbond Wedgebondthebondingprocesscanbedefinedtothreemajorprocesses thermocompressionbonding T C ultrasonicbonding U S thermosonicbonding T S asshowninTable1 1 BallBonding Thecapillariesaretypically1 585mmindiameterand11 1mmlong Theyhavealargeentryholeatthetopandthentheholetapersdowntoasmallholediametertypicallybetween38 50mm 40 mpadpitchballandwedgefirstbondcomparison Schematicofdifferentlooping A Ballbondinglooping B Traditionalwedgeradialbondinglooping C WedgebondingConstantGaplooping 40mmpitchfirstbond 40mmlooping Shortwiresaretoground Longwiresaretotheleads Wedgestitchbonding LimitationofwirebondingFortheapplicationofwirebondingmethod terminalsofchipshavetobearrangedattheperipheryofthechips otherwiseshortcircuitiseasilycaused Therefore wirebondingtechniqueisdifficultforhighI O 500 interconnections BondingparametersBondingparametersareextremelyimportantbecausetheycontrolthebondingyieldandreliabilitydirectly Thekeyvariablesforwirebondinginclude Bondingforceandpressureuniformity Bondingtemperature Bondingtime Ultrasonicfrequencyandpower BonddesignBallbonding Ballsizeisapproximately2to3timesthewirediameter 1 5timesforsmallballapplicationswithfinepitches and3to4timesforlargebondpadapplication Bondsizeshouldnotexceed3 4ofthepadsize about2 5to5timesthewirediameter dependingonthegeometryandmovingdirectionofcapillaryduringbonding Loopheightsof150umarenowcommon butverydependingonthewirediameterandapplications Looplengthshouldbelessthan100timesthewirediameter However insomecases highI Osforinstance wirelengthshavetoincreasetomorethan5mm Thewirebondermustsuspendthelengthofwirebetweenthedieandleadframewithoutverticalsaggingorhorizontalswaying Wedgebonding Ahigh strengthwedgebondispossibleeventhebondisonly2 3mmwiderthanwirediameter Padlengthmustsupportthelongdimensionofthewedgebondaswellasthetail Thepad slongaxisshouldbeorientedalongtheintendedwirepath Bondpitchmustbedesignedtomaintainconsistentdistancebetweenwires CleaningToensurebondabilityandreliabilityofwirebond oneofthecriticalconditionsisthatthebondingsurfacemustbefreeofanycontaminants Thereforecleaningisanimportantworkbeforebonding Themethodusuallyadaptedismolecularcleaningmethod plasmaorUV ozonecleaningmethod BondevaluationDestructivebondpulltest Method2011 Internalvisual Method2010 TestconditionAandB Delaymeasurements Method3003 Nondestructivebondpulltest Method2023 BallbondsheartestConstantacceleration Method2001 TestconditionE Randomvibration Method2026 Mechanicalshock Method2002 Stabilizationbake Method1008 Moistureresistance Method1004 Destructivebondpulltest Method2011 Ifboththebondsareatthesamelevelandthehookisappliedatthecenter theforcescanberepresented Whenthebothanglesare30o thepullforceisequaltothebreakload Thefailureduringpulltestmayoccuratoneofthefivepositionsinthewirebondstructure A LiftofffirstbondB WirebreakattransitionfirstbondC WirebreakmidspanD WirebreakattransitionsecondbondE LiftoffsecondbondWhenproperlypulled thebondshouldfailatBorD IffailuresoccuratA C orE thenthebondingparameters metallization bondingmachine bondingtool hook hastobereviewed Flip ChipTechnology Advantages Smallersize SmallerICfootprint onlyabout5 ofthatofpackagedICe g quadflatpack reducedheightandweight Increasedfunctionality TheuseofflipchipsallowanincreaseinthenumberofI O I Oisnotlimitedtotheperimeterofthechipasinwirebonding Anareaarraypadlayoutenablesmoresignal powerandgroundconnectionsinlessspace Aflipchipcaneasilyhandlemorethan400pads Improvedperformance Shortinterconnectdeliverslowinductance resistanceandcapacitance smallelectricaldelays goodhighfrequencycharacteristics thermalpathfromthebacksideofthedie Improvedreliability Epoxyunderfillinlargechipsensureshighreliability Flip chipscanreducethenumberconnectionsperpinfromthreetoone Improvedthermalcapabilities Becauseflipchipsarenotencapsulated thebacksideofthechipcanbeusedforefficientcooling Lowcost Batchbumpingprocess costofbumpingdecreases costreductionsintheunderfill process Disadvantages Difficulttestingofbaredies Limitedavailabilityofbumpedchips ChallengeforPCBtechnologyaspitchesbecomeveryfineandbumpcountsarehigh ForinspectionofhiddenjointsanX rayequipmentisneeded WeakprocesscompatibilitywithSMT Handlingofbarechipsisdifficult Highassemblyaccuracyneeded Withpresentdaymaterialsunderfillingprocesswithaconsiderablecuringtimeisneeded Lowreliabilityforsomesubstrates Repairingisdifficultorimpossible 底部填充工艺 UnderfillingProcess 温度膨胀系数小于3ppm 的硅器件直接同有机物印制线路板 温度膨胀系数在18 50ppm 压接在一起 会产生严重的热机应力和疲劳 俗称 热机失配 底部填充料锁住倒装片和印制板示意图 Flipchipjoiningusingadhesives isotropic anisotropic nonconductive Flipchipjoiningbythermocompression Flipchipthermosonicjoining Flipchipbondingusingthermocompression Flipchipprocessbysolderjoining diepreparing testing bumping dicing substratepreparing fluxapplicationorsolderpasteprinting pick alignmentandplace