封装工艺流程ppt课件.ppt

集成电路封装技术 2 1 1为什么要学习封装工艺流程熟悉封装工艺流程是认识封装技术的前提 是进行封装设计 制造和优化的基础 芯片封装和芯片制造不在同一工厂完成它们可能在同一工厂不同的生产区 或不同的地区 甚至在不同的国家 许多工厂将生产好的芯片送到几千公里以外的地方去做封装 芯片一般在做成集成电路的硅片上进行测试 在测试中 先将有缺陷的芯片打上记号 打一个黑色墨点 然后在自动拾片机上分辨出合格的芯片 第二章封装工艺流程 2 1 2封装工艺流程概况流程一般可以分成两个部分 在用塑料封装之前的工序称为前段工序 在成型之后的操作称为后段工序 成型工序是在净化环境中进行的 由于转移成型操作中机械水压机和预成型品中的粉尘达到1000级以上 空气中0 3 m粉尘达1000个 m3以上 现在大部分使用的封装材料都是高分子聚合物 即所谓的塑料封装 上图所示的塑料成型技术有许多种 包括转移成型技术 喷射成型技术 预成型技术 其中转移成型技术使用最为普遍 第二章封装工艺流程 2 2芯片切割2 2 1 为什么要减薄半导体集成电路用硅片4吋厚度为520 m 6吋厚度为670 m 这样就对芯片的切分带来困难 因此电路层制作完成后 需要对硅片背面进行减薄 使其达到所需要的厚度 然后再进行划片加工 形成一个个减薄的裸芯片 第二章封装工艺流程 2 2 2减薄工艺硅片背面减技术主要有 磨削 研磨 化学抛光干式抛光 电化学腐蚀 湿法腐蚀等离子增强化学腐蚀 常压等离子腐蚀等 第二章封装工艺流程 减薄厚硅片粘在一个带有金属环或塑料框架的薄膜 常称为蓝膜 上 送到划片机进行划片 现在划片机都是自动的 机器上配备激光或金钢石的划片刀具 切割分部分划片 不划到底 留有残留厚度 和完全分割划片 对于部分划片 用顶针顶力使芯片完全分离 划片时 边缘或多或少会存在微裂纹和凹槽这取决于刀具的刃度 这样会严重影响芯片的碎裂强度 2 2 2减薄工艺先划片后减薄和减薄划片两种方法 第二章封装工艺流程 DBG dicingbeforegrinding 在背面磨削之前 将硅片的正面切割出一定深度的切口 然后再进行磨削 DBT dicingbythinning 在减薄之前先用机械的或化学的方法切割出一定深度的切口 然后用磨削方法减薄到一定厚度后 采用常压等离子腐蚀技术去除掉剩余加工量 这两种方法都很好地避免了或减少了减薄引起的硅片翘曲以及划片引起的边缘损害 大大增强了芯片的抗碎能力 2 3芯片贴装芯片贴装 也称芯片粘贴 是将芯片固定于封装基板或引脚架芯片的承载座上的工艺过程 第二章封装工艺流程 2 3 1共晶粘贴法共晶反应指在一定的温度下 一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相反应 例如 含碳量为2 11 6 69 的铁碳合金 在1148摄氏度的恆温下发生共晶反应 产物是奥氏体 固态 和渗碳体 固态 的机械混合物 称为 莱氏体 一般工艺方法陶瓷基板芯片座上镀金膜 将芯片放置在芯片座上 热氮气氛中 防氧化 加热并使粘贴表面产生摩擦 去除粘贴表面氧化层 约425 时出现金 硅反应液面 液面移动时 硅逐渐扩散至金中而形成紧密结合 第二章封装工艺流程 2 3 1共晶粘贴法预型片法 此方法适用于较大面积的芯片粘贴 优点是可以降低芯片粘贴时孔隙平整度不佳而造成的粘贴不完全的影响 第二章封装工艺流程 2 3 2焊接粘贴法焊接粘贴法是利用合金反应进行芯片粘贴的方法 优点是热传导性好 一般工艺方法将芯片背面淀积一定厚度的Au或Ni 同时在焊盘上淀积Au Pd Ag和Cu的金属层 然后利用合金焊料将芯片焊接在焊盘上 焊接工艺应在热氮气或能防止氧化的气氛中进行 第二章封装工艺流程 硬质焊料 金 硅 金 锡 金 锗 优点 塑变应力值高 内应力 指组成单一构造的不同材质之间 因材质差异而导致变形方式的不同 继而产生的各种应力 当材料在外力作用下不能产生位移时 它的几何形状和尺寸将发生变化 这种形变称为应变 Strain 材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力 把分布内力在一点的集度称为应力 Stress 物体由于外因而变形时 在物体内各部分之间产生相互作用的内力 以抵抗这种外因的作用 并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置 在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力 Stress 按照应力和应变的方向关系 可以将应力分为正应力 和切应力 正应力的方向与应变方向平行 而切应力的方向与应变垂直 按照载荷 Load 作用的形式不同 应力又可以分为拉伸压缩应力 弯曲应力和扭转应力 具有良好的抗疲劳与抗潜变特性 缺点 因材质的热膨胀系数不同而引发应力破坏 软质焊料 铅 锡 铅 银 銦 在焊接前先在芯片背面制作多层技术薄膜 目的是利用焊料的润湿 使用软质焊料可消除硬质焊料的缺点 2 3 3导电胶粘贴法导电胶是银粉与高分子聚合物 环氧树脂 的混合物 银粉起导电作用 而环氧树脂起粘接作用 第二章封装工艺流程 导电胶有三种配方 1 各向同性材料 能沿所有方向导电 2 导电硅橡胶 能起到使器件与环境隔绝 防止水 汽对芯片的影响 同时还可以屏蔽电磁干扰 3 各向异性导电聚合物 电流只能在一个方向流动 在倒装芯片封装中应用较多 无应力影响 三种导电胶的特点是 化学接合 具有导电功能 导电胶贴装工艺 第二章封装工艺流程 膏状导电胶 用针筒或注射器将粘贴剂涂布到芯片焊盘上 不能太靠近芯片表面 否则会引起银迁移现象 然后用自动拾片机 机械手 将芯片精确地放置到焊盘的粘贴剂上 在一定温度下固化处理 150 1小时或186 半小时 固体薄膜 将其切割成合适的大小放置于芯片与基座之间 然后再进行热压接合 采用固体薄膜导电胶能自动化大规模生产 导电胶粘贴法的缺点是热稳定性不好 高温下会引起粘接可靠度下降 因此不适合于高可靠度封装 玻璃胶粘贴法与导电胶类似 玻璃胶也属于厚膜导体材料 后面我们将介绍 不过起粘接作用的是低温玻璃粉 它是起导电作用的金属粉 Ag Ag Pd Au Cu等 与低温玻璃粉和有机溶剂混合 制成膏状 第二章封装工艺流程 在芯片粘贴时 用盖印 丝网印刷 点胶等方法将胶涂布于基板的芯片座中 再将芯片置放在玻璃胶之上 将基板加温到玻璃熔融温度以上即可完成粘贴 由于完成粘贴的温度要比导电胶高得多 所以它只适用于陶瓷封装中 在降温时要控制降温速度 否则会造成应力破坏 影响可靠度 2 4芯片互连芯片互连是将芯片焊区与电子封装外壳的I O引线或基板上的金属焊区相连接 芯片互连常见的方法 第二章封装工艺流程 这三种连接技术对于不同的封装形式和集成电路芯片集成度的限制各有不同的应用范围 打线键合适用引脚数为3 257 载带自动键合的适用引脚数为12 600 倒装芯片键合适用的引脚数为6 16000 可见C4适合于高密度组装 2 4 1打线键合技术 第二章封装工艺流程 2 4 1打线键合技术介绍 1 超声波键合 第二章封装工艺流程 优点 键合点尺寸小 回绕高度低 适合于键合点间距小 密度高的芯片连接 缺点 所有的连线必须沿回绕方向排列 这不可能 因此在连线过程中要不断改变芯片与封装基板的位置再进行第2根引线的键合 从而限制了打线速度 2 4 1打线键合技术介绍 2 热压键合 第二章封装工艺流程 先将金属线穿过毛细管状的键合工具 称为瓷嘴或焊针 该工具是由碳化钨或氧化铝等耐高温材料制成 然后再电子点火或氢焰将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力作用使线的末端灼烧成球 直径约为金属线直径的2 3倍 键合工具再将金属球压至已经预热到150 250 的第一金属焊垫上进行球形键合 此时球形键合点受压稍有变形 其目的一是增加键合面积 二是穿破表面氧化层 以形成紧密键合 球形键合完成后 键合工具升起并引导金属线至第二键合点上进行楔形接合 不需烧成金属球 而是将金属线直接压到焊区上 由于键合工具顶端是圆锥形的 所以得到的焊点通常为新月状 由于热压焊是在高温下进行的 通常使用的金属线为金线 抗氧化性强 为降低成本有时也用铝线 铝线的2个焊接点是楔形的 原因是铝线不易在线的末端灼烧成球 3 热超声波键合热超声波键合是热压键合与超声波键合的混合技术 在工艺过程中 先在金属线末端成球 再使用超声波脉冲进行金属线与金属接垫之间的接合 此过程中接合工具不被加热 仅给接合的基板加热 温度维持在100 150 其目的是抑制键合界面的金属间化合物 类似于化学键 金属原子的价电子形成键 的成长 和降低基板高分子材料因高温产生形变 第二章封装工艺流程 打线键合的线材与可靠度 1 合金线材铝合金线因纯铝线材太软很少使用 铝合金线标准线材是铝 1 硅 令你一种是含0 5 1 镁的铝导线 其优点是抗疲劳性优良 生成金属间化合物的影响小 金线纯金线的纯度一般用4个9 为增加机械强度 往往在金中添加5 10ppm铍或铜 金线抗氧化性好 常由于超声波焊接中 第二章封装工艺流程 2 影响打线键合可靠度因素 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术 第二章封装工艺流程 载带自动健合技术是在类似于135胶片的柔性载带粘结金属薄片 像电影胶片一样卷在一带卷上 载带宽度8 70mm 在其特定的位置上开出一个窗口 窗口为蚀刻出一定的印刷线路图形的金属箔片 0 035mm厚 引线排从窗口伸出 并与载带相连 载带边上有供传输带用的齿轮孔 当载带卷转动时 载带依靠齿孔往前运动 使带上的窗口精确对准带下的芯片 再利用热压模将导线排精确键合到芯片上 可见TAB技术与一般的压丝引线技术不同 后者的特点是将一根 一根的引线先后分立的快速的键合到搭接片上 TAB技术中内引线键合后还要作后道工序 包括电学测试 通电老化 外引线键合 切下 最后进行封装工艺 这些都在载带上完成 过去 TAB技术不受重视的原因 1 TAB技术初始投资大 2 开始时TAB工艺设备不易买到 而传统的引线工艺已得到充分的发展 且其生产设备也容易买到 3 有关TAB技术资料和信息少 但是随着芯片信息容量及随之而来的引脚数的增加 传统的分立引线工艺显得力不从心 为降低引线成本的需要 TAB技术越来越受到人们的青睐 促使许多半导体厂家积极开发研究 第二章封装工艺流程 TAB技术较之常用的引线工艺的优点 1 对高速电路来说 常规的引线使用圆形导线 而且引线较长 往往引线中高频电流的趋肤效应使电感增加 造成信号传递延迟和畸变 这是十分不利的 TAB技术采用矩形截面的引线 因而电感小 这是它的优点 2 传统引线工艺要求键合面积4mil2 而TAB工艺的内引线键合面积仅为2mil2这样就可以增加I O密度 适应超级计算机与微处理器的更新换代 3 TAB技术中使用铜线而不使用铝线 从而改善器件的热耗散性能 4 在芯片最终封装前可进行预测试和通电老化 这样可剔除坏芯片 不使它流入下一道工序 从而节省了成本 提高了可靠性 5 TAB工艺中引线的键合平面低 使器件薄化 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术TAB技术的关键材料基带材料 要求耐高温 与金属箔粘贴性好 热匹配性好 抗化学腐蚀性强 机械强度高 吸水率低 例如 聚酰亚胺 PI 聚乙烯对本二甲酸脂 PET 和苯并环丁烯 BCB TAB金属材料 要求导电性能好 强度高 延展性 表面平滑性良好 与各种基带粘贴牢固 不易剥离 易于用光刻法制作出精细复杂的图形 易电镀Au Ni Pb Sn焊接材料 例如 Al Cu 芯片凸点金属材料 一般包括金属Au Cu Au Sn Pd Sn 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术TAB的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和载带外引线焊接技术 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术TAB的关键技术 芯片凸点制作技术 第二章封装工艺流程 IC芯片制作完成后其表面均镀有钝化保护层 厚度高于电路的键合点 因此必须在IC芯片的键合点上或TAB载带的内引线前端先长成键合凸块才能进行后续的键合 通常TAB载带技术也据此区分为凸块化载带与凸块化芯片TAB两大类 地状金属凸块 单层载带可配合铜箔引脚的刻蚀制成凸块 在双层与三层载带上 因为蚀刻的工艺容易致导带变形 而使未来键合发生对位错误 因此双层与三层载带较少应用于凸块载带TAB的键合 凸块式芯片TAB 先将金属凸块长成于IC芯片的铝键合点上 再与载带的内引脚键合 预先长成的凸块除了提供引脚所需要的金属化条件外 可避免引脚与IC芯片间可能发生短路 但制作长有凸块的芯片是TAN工艺最大的困难 2 4 2载带自动键合技术芯片凸点制作技术凸点因形状不同可分为两种 第二章封装工艺流程 蘑菇状凸点一般用光刻胶做掩膜制作 电镀时 光刻胶以上凸点除了继续升高以外 还横向发展 凸点越来越高 横向也越来越大 所以凸点形状像蘑菇 随着横向发展电镀电流密度的不均匀性使得最终得到的凸点顶部成凹形 且凸点的尺寸也难以控制 直状凸点制作是使用厚膜抗腐蚀剂做掩膜 掩膜的厚度与要求的凸点高度一致 所以始终电流密度均匀 凸点的平面是平整的 金凸块制作的传统工艺 金凸块制作的传统工艺 第一步 对芯片进行清洁处理第二步 通过真空溅散的方法 在芯片键合的上表面形成粘着层和阻挡层 粘着层提供IC芯片上的铝键合点与凸块间良好的键合力与低的接触电阻特性 常用的材料是Ti Cr 和Al 这几种金属的与铝和氧化硅的粘着性很好 扩散阻挡层的作用是阻止芯片上的铝与凸块材料之间的扩散反应而形成金属间化合物 金属层做好后 接着涂25微米后的光刻胶 然后用电镀的方法制作金属凸块 凸块制作完成后在其顶面电镀一层25微米的金 凸块金属不是金的情况 目的是起抗氧化作用 第二章封装工艺流程 第二章封装工艺流程 金凸块制作的传统工艺 凸块转移技术一般的凸块制作工艺流程 可以看出 它的制作工艺复杂 技术难度大 成本高 因此改进凸块制作技术成为一项研究的热门课题 日本Matsushita公司开发了凸块转移技术 这种技术分2次键合 第1次是将在玻璃基板上做成的凸块 转移到载带内引脚前端与芯片键合点相对应的位置 第2次键合 在引脚前端有凸点的载带由专门的制造商提供 这样就避免了在芯片焊区制作凸点的麻烦 降低了生产成本 第二章封装工艺流程 第二章封装工艺流程 凸块转移技术 载带引线与芯片凸点的内引线焊接和载带外引线焊接技术芯片上的凸点和载带制作完成后 接下来要进行引线的焊接 这又分内引线焊接和外引线焊接 内引线焊接是引线与芯片焊接 外引线焊接是将引线焊接到外壳或基板焊区 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术 第二章封装工艺流程 1 单层结构载带这仅为一铜带 其上腐蚀出引线图案以及支撑结构 方法是将光刻胶涂在铜带的两侧 将要刻蚀掉的部分曝光 腐蚀后留下引线图案 带上可事先制备出凸点 这种情况下可选用不带凸点的芯片 再将载带上的引线排与芯片的I O键合点键合 单层结构的缺点是全部引线与金属支撑架相连接 妨碍了带上器件的测试检验和通电老化 2 双层结构载带双层结构载带可用两种方法制作 用液体聚酰亚胺涂敷铜带 1 4mil厚 然后再干燥处理 聚酰亚胺的厚度为2 3mil 将聚酰亚胺进行光刻 然后窗口和齿孔用KOH或NaOH腐蚀出来 再用FeCl3铜标腐蚀液将铜带上所需图形腐蚀出来 3 三层结构载带所用载带厚度为5mil 比双层带厚 因而更稳定 它的制作方法是 用粘接剂涂敷12或24英寸的Kapton带 再将带条分裂成TAB产品所需要的合适宽度 窗口和齿孔用硬工具冲制而成 然后将铜带与Kapton带进行叠合处理 使铜带压合在齿孔机的Kapton 最后光刻铜带 形成引线排 三层结构的优点是胶带和铜之间有很高的结合强度 且绝缘性能好 吸湿性低 TAB内引线焊接技术将载带引线图形指端与芯片焊接到一起的方法主要有热压焊合再流焊 当芯片凸点是Au Au Ni Cu Au 而载带Cu箔引线也是镀这类凸点金属时 使用热压焊 而载带Cu箔引线镀层为Pb Sn时 或者芯片凸点具有Pb Sn 而载带Cu箔引线是上述硬金属时就要用热压再流焊 完全使用热压焊焊接温度高 热压再流焊的温度低 这两种焊接方法都是使用自动或半就自动化的引线焊接机进行多点一次焊接的 主要工艺操作是对位 焊接 抬起 芯片传送4部分 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术内引线焊接 第二章封装工艺流程 TAB内引线焊接技术 焊接程序 对位给做成电路的晶圆片上的芯片进行测试 给坏芯片打上标记 用划片机划片 将划过片的大圆片 晶圆片的背面有粘着层 经划片后仍呈大圆片状 放置在焊接机的承片台上 按设计程序将性能好的IC芯片置于载带引线图形下面 使载带引线图形对芯片凸点进行精确对位 焊接落下加热的热压焊头 加压一定时间 完成焊接 抬起抬起热压焊头 焊接机将压焊到载带上的IC芯片通过链轮步进卷绕到卷轴上 同时下一个载带引线图形也步进到焊接对位的位置上 芯片传送供片系统按设定程序将下一个好的IC芯片移到新的载带引线图形下方进行对位 从而完成了程序化的完整的焊接过程 焊接工艺条件 焊接温度T 450 500 焊接压力P 50g 焊接时间t 0 5 1秒 此外 焊头的平行度 平整度要好 焊接时的倾斜度要合适 否则会影响焊接效果 凸点的高度和载带引线图形的厚度的一致性也会影响焊接质量 完成内引脚键合与电性能测试后 芯片与内引脚面或整个IC芯片必须再涂上一层高分子胶材料保护引脚 凸块与芯片 以避免外界的压力 震动 水汽等因素造成破坏 封胶的材料一般为环氧树脂 Epoxy 和硅橡胶 Silicone 环氧树脂用盖印或点胶的方法涂布 可覆盖整个芯片或仅涂布完成内引脚键合的芯片表面 在烘烤硬化时应注意加温条件 避免气泡和预应力的产生 第二章封装工艺流程 2 4 2载带自动键合技术外引线焊接技术 第二章封装工艺流程 外引线焊接技术 经过老化 筛选 测试的载带芯片可以用于各种集成电路 对于微电子封装的引线框架或在生产线上连接安装载带芯片的电子产品 可使用外引线压焊机将卷绕的载带芯片连接进行外引线焊接 焊接时要及时应用切断装置 将每个焊点外沿处将引线和聚酰亚胺 PI 支撑框架以外的部分切断并焊接 2 4 3倒装芯片键合技术倒装焊 FCB 芯片 放置面朝下 借助于凸点与基板焊区直接焊接 这样就省略了互连线 由互连线产生的杂散电容和电感要比WB和TAB小得多 因此适合于高频 高速电路和高密度组装的应用 倒装焊的典型例子是IBM公司的C4 Controlled CollapseChipConnection 可控塌陷芯片连接 技术 第二章封装工艺流程 C4技术的凸缘制备主要通过电子束蒸发 溅散等工艺 将UBM UnderBumpMetallurgy 或BLM BallLimitingMetallurgy 沉积在芯片的铝焊盘上 UBM一般有三层 分别为铬 铬 铜 50 50 铜 第二章封装工艺流程 凸点芯片的类型 在多层化金属上可用多种方法形成不同尺寸和高度要求的凸点金属 其分类可按凸点材料分类 也可按凸点结构形状进行分类 按凸点材料分类 Au凸点 Ni Sn凸点 Cu凸点 Cu Pb Sn凸点In凸点Pb Sn凸点 C4 按凸点结构分类 周边形 面阵形按凸点形状分类 蘑菇状 直状 球形 叠层 第二章封装工艺流程 第二章封装工艺流程 凸点芯片的制作工艺 蒸发 溅散凸点制作法 电镀凸点制作法 置球及模板印刷制作焊料凸点 蒸发 溅散凸点制作法这是早期常用的方法 因为它与IC工艺兼容 工艺简单成熟 多层金属和凸点金属可以一次完成 工艺流程 制作掩模板 Si圆片安装制作好的掩模板 Si圆片光刻掩模孔 蒸发 溅射各金属层 蒸发 溅射凸点金属 去掩模板 去除光刻胶 剥离多余的金属层 形成凸点 缺点 是形成的凸点大且低 如果形成一定高度的凸点需要的时间长 真空溅散设备应是多源多靶的 价格贵 成本高效率低 不适合大批量生产 第二章封装工艺流程 电镀凸点制作法这是目前国际上普遍采用的方法 工艺成熟 加工过程少 工艺简单易行 适合大批量制作各种类型的凸点 基本工序 Si3N4钝化 用激光烧毁不合格的芯片 蒸发 溅散Ti W Au 涂光刻胶 光刻电极窗口 腐蚀大面积Au W Ti 去胶 保留窗口多层电极 闪溅金属层 Au 贴厚光刻胶 膜 套刻出凸点窗口 电镀Au凸点 去除厚胶 膜 腐蚀闪溅Au 第二章封装工艺流程 置球及模板印刷制作焊料凸点工艺流程钝化好的圆片 覆盖并固定掩模板 置Pb Sn焊料球 H2或N2保护气氛下焊料球再流 焊料冷却收球 取下掩模板 Pb Sn焊料芯片凸点形成 第二章封装工艺流程 凸点芯片的FCB技术制作的凸点芯片既可用于厚膜陶瓷基板上进行FCB又可在薄膜陶瓷基板上进行FCB 还可在PWB上直接将芯片FCB 这些基板既可以是单层的 也可以是多层的 而凸点芯片要倒装在基板上层的金属化焊区上 1 FCB互连基板的金属焊区制作要使FCB芯片与各类基板互连达到一定的可靠性要求 关键是安装互连FCB芯片的基板顶层金属焊区要与芯片凸点一一对应 与凸点金属具有良好的压焊或焊料浸润特性 2 FCB的工艺方法FCB的工艺方法主要有以下几种 即热压FCB法 再流FCB法 C4 环氧树脂光固化FCB法和各向异性导电胶粘接FCB法 第二章封装工艺流程 热压FCB法使用倒装焊接机完成对各种凸点 如Au凸点 Ni Al凸点 Cu Pb Sn凸点的FCB 倒装焊接机是由光学摄像对位系统 检拾热压超声焊头 精确定位承片台及显示屏等组成的精密设备 将欲FCB的基板放置在承片台上 用检拾焊头检拾带有凸点的芯片 面朝下对着基板 一路光学摄像头对着凸点芯片面 一路光学摄像头对着基板上的焊区 分别进行调准对位 并显示在屏上 待调准对位达到要求的精度后 即可落下压焊头进行压焊 压焊头可加热 并带有超声 同时承片台也对基板加热 在加热 加压 超声到设定的时间后就完成所有凸点与基板焊区的焊接 FCB与基板的平行度非常重要 如果它们不平行 焊接后的凸点形变将有大有小 致使拉力强度也有高有低 有的焊点可能达不到使用要求 第二章封装工艺流程 再流FCB法这种焊接方法专对各类Pb Sn焊料凸点进行再流焊接 俗称再流焊接法 这种FCB技术最早起源于于美国IBM公司 又称C4技术 即可控塌陷芯片连接 C4技术倒装焊的特点是 1 C4除具有一般凸点芯片FCB的优点外 它的凸点还可整个芯片面阵分布 再流时能够弥补基板的凹凸不平或扭曲等 所以 不但可与光滑平整的陶瓷 硅基板金属焊区互连 还能与PWB上的金属焊区互连 2 C4的芯片凸点使用高熔点的焊料 如90 Pb 10 Sn 而PWB上的焊区使用低熔点的常规37 Pb 63 Sn焊料 倒装焊再流时 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 如凹凸扭曲等 产生焊接不均匀问题 3 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 这就使C4芯片倒装焊时对准精度要求大为宽松 第二章封装工艺流程 环氧树脂光固化倒装焊法这是一种微凸点FCB法 日本曾用这种方法对6mm 6mm芯片成功进行倒装焊 Au凸点仅为5 m 5 m 节距只有10 m 载有2320个微凸点 与一般倒装焊截然不同的是 这里利用光敏树脂光固化时产生的收缩力将凸点与基板上谨慎焊区牢固地互连在一起 不是 焊接 而是 机械接触 第二章封装工艺流程 各向异性导电胶在大量的液晶显示器 LCD 与IC芯片连接的应用中 典型的是使用各向异性导电胶薄膜 ACAF 将TAB的外引线焊接 OLB 到玻璃显示板的焊区上 但最小外引脚焊接 OLBouterleadbonding 的节距为70 m 而使用各向异性导电胶 ACA 可以直接倒装焊再玻璃基板上 称为玻璃上芯片 COG 技术 第二章封装工艺流程 各向异性导电胶ACA有热固型 热塑型和紫外光 UV 固化型几种 而以UV型最佳 热固型次之 UV型的固化速度快 无温度梯度 故芯片和基板均不需加热 因此不需考虑由UV照射固化产生的微弱热量引起的热不匹配问题 UV的光强可在1500mW cm2以上 光强越强 固化时间越短 一般照射数秒后 让ACA达到 交联 这时可去除压力 继续光照 方可达到完全固化 光照时需加压 100 m 100 m的凸点面积 需加压0 5N 凸点以上 第二章封装工艺流程 为了制作更小 精度更高的LCD 就要不断缩小IC芯片的凸点尺寸 凸点节距或倒装焊节距 例如小于50 m凸点尺寸或节距 这样使用ACA常规倒装焊方法 将使横向短路的可能性随之增加 为了消除这种不良影响 使用ACA倒装焊方法要加以改进 其中设置尖峰状的绝缘介质坝就是一种有效的方法 第二章封装工艺流程 倒装焊接后的芯片下填充倒装焊后 在芯片与基板间填充环氧树脂 不但可以保护芯片免受环境如湿汽 离子等污染 利于芯片在恶劣环境下正常工作 而且可以使芯片耐受机械振动和冲击 特别是填充树脂后可以减少芯片与基板 尤其PWB 间膨胀失配的影响 即可减小芯片凸点连接处的应力和应变 第二章封装工艺流程 倒装焊芯片下填充环氧树脂填料要求应小于倒装焊芯片与基板间的间隙 以达到芯片下各处完全填充覆盖 填料应无挥发性 因为挥发能使芯片下产生间隙 从而导致机械失效 应尽可能减小乃至消除失配应力 填料与倒装芯片凸点连接处的z方向CTE CoefficientofThermalExpansion热膨胀系数 应大致匹配 为避免PWB产生形变 填料的固化温度要低一些 要达到耐热循环冲击的可靠性 填料应有高的玻璃转化温度 对于存储器等敏感器件 填充 放射性低的填料至关重要 填料的粒子尺寸 在填充温度操作条件下的填料粘滞性要低 流动性要好 即填料的粘滞性应随着温度的提高而降低 为使倒装焊互连具有较小的应力 填料应具有较高的弹性模量和弯曲强度 在高温高湿环境条件下 填料的绝缘电阻要高 即要求杂质离子 Cl Na K 等 数量要低 填料抗各种化学腐蚀的能力要强 第二章封装工艺流程 填料的填充方法实际填充时 将倒芯片和基板加热到70 75 利用加有填料 形状如同 L 的注射器 沿着芯片的边缘双向注射填料 由于毛细管虹吸作用 填料被吸入 并向芯片 基板的中心流动 一个12 7mm见方的芯片 10分钟可完全充满缝隙 用料大约0 03ml 填充后要对环氧树脂进行固化 可在烘箱中分段升温 待达到固化温度后 保温3 4小时 即可达到完全固化 第二章封装工艺流程 2 5成型技术芯片互连完成之后就到了塑料封装的步骤 即将芯片与引线框架包装起来 这种成型技术有金属封装 塑料封装 陶瓷封装等 但从成本的角度和其它方面综合考虑 塑料封装是最为常用的封装方式 它占据90 左右的市场 第二章封装工艺流程 2 5成型技术1 塑料封装的种类和材料塑料封装的成型技术有多种 包括转移成型技术 TransferMolding 喷射成型技术 InjectMolding 预成型技术 Premolding 等 但最主要的是转移成型技术 转移成型使用的材料一般为热固性聚合物 ThermosettingPolymer 热固性聚合物是指低温时聚合物是塑性的或流动的 但将其加热到一定温度时 即发生所谓的交联反应 Cross inking 形成刚性固体 若继续加热 则聚合物只能变软而不可能熔化 流动 第二章封装工艺流程 2 5成型技术2 转移成型工艺流程将已贴装芯片并完成引线键合的框架带置于模具中 将塑封的预成型块在预热炉中加热 预热温度在90 95 之间 放入转移成型机的转移罐中在转移成型压力下 塑封料被挤压到浇道中 经过浇口注入模腔 整个过程中 模具温度保持在170 175 塑封料在模具中固化 经过一段时间的保压 使模块达到一定的硬度 然后用顶杆顶出模块 就完成成型过程 第二章封装工艺流程 2 5成型技术3 转移成型设备在自动化生产设备中 产品的预热 模具的加热和转移成型操作都在同一台设备中完成 并由计算机实施控制 也就是说预热 框架带的放置 模具放置等工序都可以达到完全自动化 第二章封装工艺流程 2 6去飞边毛刺塑料封装中塑封料树脂溢出 贴带毛边 引线毛刺等统称为飞边毛刺现象 去飞边毛刺主要工序 第二章封装工艺流程 介质去飞边毛刺 用介质去飞边毛刺时 是将研磨料 如颗粒状的塑料球 与高压空气一起冲洗模块 在去飞边毛刺过程中 介质会将框架引脚的表面轻微擦磨 这将有助于焊料和金属框架的粘连 水去飞边毛刺 用水去飞边毛刺工艺是利用高压的水流来冲击模块 有时也会将研磨料与高压水流一起使用 用溶剂来去飞边毛刺通常只适用于很薄的毛刺 溶剂包括N 甲基吡咯烷酮 NMP 或双甲基呋喃 DMF 2 7上焊锡封装后要对框架外引线进行上焊锡处理 目的是在框架引脚上做保护层和增加其可焊性 上焊锡可用二种方法 电镀和浸锡 电镀工序 清洗 在电镀槽中进行电镀 冲洗 吹干 烘干 在烘箱中 浸锡工序 去飞边 去油 去氧化物 浸助焊剂 热浸锡 熔融焊锡 Sn Pb 63 67 清洗 烘干二种方法比较 浸锡容易引起镀层不均匀 中间厚 边上薄 表面张力作用 电镀中间薄角周围厚 电荷集聚效应 电镀液还会造成离子污染 第二章封装工艺流程 2 8切筋成型切筋工艺是指切除框架外引脚之间的堤坝以及在框架带上连在一起的地方 成型工艺则是将引脚弯成一定形状 以适合装配的需要 切筋成型通常是两道工序 但同时完成 在机器上 有的公司是分开做的 如Intel公司 先切筋 然后完成上焊锡 再进行成型工序 其好处是可以减少没有上焊锡的截面面积 如切口部分的面积 第二章封装工艺流程 2 9打码打码就是在封装模块的顶面印上去不掉的 字迹清楚的标识 包括制造商的信息 国家 器件代码等 最常用印码方式是油墨印码和激光印码两种 第二章封装工艺流程 油墨打码工艺过程有些像敲橡皮图章 因为是用橡胶来刻制打码标识 油墨是高分子化合物 是基于环氧或酚醛的聚合物 需要进行热固化 或使用紫外光固化 油墨打码对表面要求较高 表面有污染油墨则打不上去 另外油墨也容易擦去 为了节省生产实间 在模块成型之后先打码 然后将模块进行固化 也就是塑封料和油墨一起固化 粗糙的表面油墨的粘附性好 激光印码利用激光就是在模块表面写标识 现有激光打码机 激光打码最大的优点是印码不易擦去 工艺简单 缺点是字迹较淡 2 10元器件的装配元器件装配在基板上的方法有两种 波峰焊 WaveSoldering 波峰焊主要在插孔式PTH platedthrough hole镀金属通孔 封装型元器件装配 表面贴装式SMT及混合型元器件装配则大多使用回流焊 回流焊也叫再流焊 其核心环节是利用外部热源加热 使焊料熔化而再次流动浸润以完成电路板的焊接 是伴随着微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术 它最适合表面贴装元器件 也可以用于插孔式元器件与表面贴装器件混合电路的装配 第二章封装工艺流程 回流焊工艺流程 丝网印刷焊膏 贴片 回流焊其核心是丝网印刷的准确性 贴片元器件是通过焊膏固定的 回流焊是在回流焊设备中进行的 将贴好元器件的电路板进入再流焊设备 传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域 焊膏经过了干燥 预热 熔化 冷却 将元器件焊接到电路板上 第二章封装工艺流程 回流焊的焊接原理 当PCB进入升温区 干燥区 时 焊膏中的溶剂 气体蒸发掉 同时 焊膏中的助焊剂润湿焊盘 元器件端头和引脚 焊膏软化 塌落无铅波峰焊 覆盖了焊盘 回流焊元器件端头和引脚与氧气隔离 计算机B进入保温区时 PCB和元器件得到充分的预热 以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件 当电脑B进入焊接区时 温度迅速上升使焊膏达到熔化状态 液态焊锡对PCB的焊盘 元器件端头和引脚润湿 扩散 漫流或回流混合形成焊锡接点 PCB进入冷却区 使焊点凝固 此时完成了再流焊 按加热方式的不同 分为气相回流焊 焊剂 锡膏 在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接 因为是气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的 所以叫 回流焊 红外回流焊 远红外回流焊 红外加热风回流焊和全热风回流焊 另外根据焊接特殊需要还有充氮回流焊 目前常见设备有台式回流炉和立式回流炉 厚膜与薄膜的概念相对于三维块体材料 从一般意义上讲 所谓膜 由于其厚度尺寸小 可以看着是物质的二维形态 在膜中又有薄膜和厚膜之分 按膜厚的经典分类认为 小于1 m的为薄膜 大于1 m的为厚膜 另一种认为 厚膜与薄膜的概念并不单指膜的厚度 而主要是还是指制造工艺技术的不同 厚膜是通过丝网印刷 或喷涂 和烧结 聚合 的方法 而薄膜是通过真空蒸发 溅散 气相化学淀积 电镀等方法而形成 第三章厚薄膜技术 3 2厚膜技术厚膜技术是用丝网印刷或喷涂等方法 将导体浆料 电阻浆料和介质浆料等涂覆在陶瓷基板上制成所需图形 再经过烧结或聚合完成膜与基板的粘接 它的基本内容是印刷和烧结 但目前已发展成综合性很高的一种技术 它的范围和内容越来越广泛 包括互连技术 制造元器件技术和组装封装技术 第三章厚薄膜技术 厚膜技术的主要工序浆料 也称涂料 它是由金属或金属氧化物粉末和玻璃粉分散在有机载体中而制成的可以印刷的浆状物或糊状物 其中的有机载体是由有机溶剂和树脂配制而成的 第三章厚薄膜技术 1 制法 根据不同的浆料 导体 电阻 介质等 的成分和配方 将各种固体粉料先均匀混合 再加入适量载体 使粉料均匀分散于载体中 然后再进行研磨 便获得结构均匀的分散体系 即厚膜浆料 2 印刷印刷是厚膜浆料在基板上成膜的基本技术之一 厚膜中最常用的印刷是丝网印刷 这种印刷技术先用丝绸 尼龙或不锈钢丝编织成的网绷紧在框架上 再将刻有导体或电阻图形的有机膜或金属箔 称掩模 贴到丝网上 印刷时 将基板放在丝网下面 而将浆料放在丝网上面 然后用橡胶或塑料制成的刮板以一定的速度和压力在丝网上移动 使它通过掩模上的开孔图形而漏印到基板上 于是在基板上便得到该浆料印出的所需图形 第三章厚薄膜技术 3 干燥印好的图形要经过 流延 又称 流平 一段时间 通常为5 15分钟 主要是使丝网筛孔的痕迹消失 某些易挥发的溶剂在室温下挥发 4 烧结烧结也称烧成 它是厚膜技术中的主要工序之一 印好的厚膜浆料只有经过烧结工序后 才具有一定的电性能 才能成为所需要的厚膜元件 烧结过程的阶段 升温 最高烧结温度 或称峰值温度 的保温和降温三个阶段 厚膜元件的质量与烧结条件 包括升 降温速率 最高烧结温度和保温时间 统称烧成曲线等有密切的关系 所以要严格进行控制 第三章厚薄膜技术 4 微调微调是厚膜元件烧结后 对其阻值或容量进行微量调整的一种方法 微调的原因是 因为厚膜电阻或电容在烧结后其阻值和容量通常还不能完全达到所要求的数值精度 所以还需要进行调整 调整的方法 用喷砂或激光等方法来切割电阻或电容图形 以改变他们的几何尺寸 使阻值或容量发生变化 从而达到预定的标称值和所需的精度 微调对电阻来说 通常是阻值上升 而电容器较多的是容量下降 5 封装封装是把制成的厚膜电路或组合件保护在一定的外壳中或采取其它防护措施 如印刷一层保护层 以达到防潮 防辐射和防止周围环境气氛等影响 第三章厚薄膜技术 3 3厚膜材料厚膜材料包括基板 导体材料 电阻材料 介质材料 陶瓷基板包括 氧化铝陶瓷基板 氧化铍陶瓷基板 特种陶瓷基板 高介电系数的钛酸盐 锆酸盐 和具有铁磁性的铁氧体陶瓷等 主要作传感器和磁阻电路用 氮化铝基板和碳化硅陶瓷基板 第三章厚薄膜技术 氧化铝陶瓷基板目前用的比较多的基板 它的主要成分是Al2O3 基板中Al2O3的含量通常为92 99 9 Al2O3的含量愈高基板的性能愈好 但与厚膜的附着力较差 因此一般采用94 96 Al2O3的陶瓷 这种氧化铝陶瓷板要在1700 以上高温下烧成 因而成本比较高 所以国内外也有采用85 和75 Al2O3陶瓷的 虽然它们的性能稍差些 但成本低 在一般的电路生产中可采用 第三章厚薄膜技术 多层陶瓷基板所谓多层陶瓷基板 就是呈多层结构 它是用来作多层布线用的 目前用的最多的主要是氧化铝多层陶瓷基板 多层化的方法有三种 厚膜多层法 用烧成的Al2O3板印刷多层法 用未烧成 生 的基板生板 片 叠层法 用生板 带有通孔 第三章厚薄膜技术 厚膜多层法厚膜多层法是在烧成的氧化铝基板上交替地印刷和烧结厚膜导体 如Au Ag Pd等 与介质浆料而制成 导体层之间的连接是在介质层上开孔并填入导体浆料 烧结后而相互连接起来 印刷多层法它是在生的氧化铝陶瓷基板上印刷和干燥Mo W等导体层 然后再其上印刷和干燥与基板成分相同的Al2O3介质浆料 反复进行这种工序到所需层数 再将这种基板在1500 1700的还原气氛中烧成 基板烧成后 在导体部分镀镍 金以形成焊区 焊接外接元件 第三章厚薄膜技术 生板 片 叠层法它是在冲好通孔的氧化铝生片上印刷Mo W等导体 然后将这种印好导体图形的生片合叠到所需层数 在一定的压力和温度下压紧 再放到1500 1700 的还原气氛中烧结成一个坚固的整体 以下进行三种多层化方法的比较 第三章厚薄膜技术 厚膜多层法特点 制造灵活性大 介质浆料可以用多种成分 不一定用基板成分 可以在空气中烧结 温度在1000 以下 烧结后基板上的导体不需要电镀 用金或银 钯可直接焊接 基板内部可以制作电阻 电容等厚膜元件 制作过程容易实现自动化 缺点 制造很细的线 微细线 困难 因烧成的介质上印导线容易渗开 可焊性 密封性和散热性没其它二种好 第三章厚薄膜技术 印刷多层法和生片叠层法二者是利用生片容易吸收浆料中的溶剂的特点来制造的 它们的优点 线条不会渗开变粗 可以印出分辨率很高的微细线 容易实现多层化 进行高密度布线 即层数可以制得很多 尤其是生片叠层法可以做到30层以上 导体和绝缘介质烧成整体 密封性好 可靠性高 基板只需一次烧成 导体采用Mo W等贱金属材料 因而成本低 缺点 设计和制造灵活性差 生产周期长烧结温度高 要在还原性气氛中烧结等 三种多层化方法的比较 厚膜导体与材料 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 Ag Ag Pd Cu Au等能较好地满足上述要求 实际采用较多 Ag浆料的最大特点是电导率高 但其与基板的附着强度 焊接特性等存在问题 焊接后的Ag厚膜导体 随时间加长及温度上升 其与基板的附着强度下降 这是由于Ag与玻璃层间形成Ag O键 以及与焊料扩散成分生成Ag3Sn所致 为了防止或减少Ag3Sn的发生 或者使Ag膜加厚 或者在Ag上电镀Ni Ag导体的最大缺点是容易发生迁移 这是由于Ag与基板表面吸附的水分相互作用 Ag 与OH 生成AgOH AgOH不稳定 容易被氧化而析出Ag 从而引起Ag的迁移 为了抑制Ag的迁移 一般都要在浆料中添加Pd或Pt Ag银导体 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 Ag中添加Pd 当Pd Pd Ag 0 1左右时即产生效果 但当Pd的添加量较多时 在300 760 范围内发生氧化反应而生成PdO 这不仅使焊接性能变差 而且造成导体电阻增加 因此 Ag Pd比一般要控制在 2 5 1 4 0 1 为了提高Ag Pd导体的焊接浸润性 以及导体与基板间的接合强度 需要添加Bi2O3 在烧成过程中 部分BiO2O3溶入玻璃中 在玻璃的相对成分增加的同时 它与Al2O3基板发生如下反应 Al2O3 Bi2O3 2 Bi Al 2O3 Ag Pd银 钯导体 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 随Bi含量增加 膜的结合强度增大 焊接时要对膜加热 加热时间增加 金属粒界与玻璃之间分散的Bi2O3会发生如下还原反应 2Bi2O3 3Sn 4Bi 3SnO2 使用Ag Pd导体时 通常进行下述试验 测定电阻值 按需要有时也包括TCR 浸润性 测量导体膜上焊料液滴的展宽直径 迁移性 在导体图形间滴上水滴 并施加一定电压测量达到短路今后经过的时间 结合强度 在导体膜焊接引线 沿垂直于膜面方向拉伸 测量拉断时的强度 确定破断位置 分析断面形貌结构等 热老化后的强度 焊接后 在150 下放置48小时 测量导线的结合强度等 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 Ag Pd银 钯导体 与贵金属相比 铜具有很高的电导率 可焊性 耐迁移性 耐焊料浸蚀性都好 而且价格便宜 但是 铜在大气中烧成会氧化 需要在氮气中烧成 其中的氧含量应控制在几个ppm 即10 6 以下 此外在多层工程中与介质体共烧时容易出现分层和微孔等 二步烧成法 即先在氧化气氛中 后在还原气氛中对铜浆料进行烧成 这样既可全部排除有机粘结剂 又可提高附着力 可焊性 电导等性能 首先在N2中掺入 10 1000 ppm的O2在此气氛下 在900 烧制10分钟 而后在N2中混入1 H2的气氛中 在250 260 烧制10分钟 即告完成 两步烧成法制成的Cu厚膜可采用不含银的63Sn 37Pb焊接 导体的结合强度也很高 Cu铜导体 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 烧成法也适用于多层化 并已用于MCM基板的制作 先在Al2O3上印刷CuO浆料 干燥后 印刷硼硅酸玻璃 SiO3 B2O3 Al2Al3 CaO MgO 绝缘体浆料 再干燥 干燥条件是125 10分钟 重复操作若干次 然后在大气中烧结30分钟排胶 再在约含10 H2的气氛中 在450 还原 接着在非活性气氛中1000 烧成 Cu铜导体 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 在金浆料中有玻璃粘结型 无玻璃粘结型 混合型三种 玻璃粘结剂将Au与玻璃粉末分散于有机溶剂中制成的 但这种浆料再烧成时玻璃易浮到膜层表面 从而有使引线键合变难的倾向 代替玻璃而加入TiO2 CuO CdO等 与基板反应 生成CuAl2O4 Al2O4Cd等化合物 成为导体膜与基板之间的界面 这种化合物与基板形成化学结合 也属于不用玻璃粘结剂而实现导体膜与基板结合的浆料 但化合物生成温度高是难点 为此 开发了加入玻璃及Bi2O3等富于流动性的物质 使烧成温度降低的混合结合型浆料 Au金导体 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 通称树脂浆料 由这种有机金属化合物浆料可最终制取金属膜层 目前已有满足电子工业领域各种不同要求的各类树脂浆料 一般是在Au Ag Pd Pt等有机金属的导电材料中添加Bi Si Pb B等有机金属添加剂 做成液体状的Au Ag Pt Au PtPd浆料等市场出售 金属有机化合物浆料 metallo organicpaste MO浆料 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 金属有机化合物浆料 metallo organicpaste MO浆料 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 厚膜电阻与材料厚膜电阻与厚膜导体 厚膜基板一样 也是厚膜电路发展最早 工艺最成熟 应用最广泛的元件之一 而制造厚膜电阻用的浆料 在电路中的应用仅次于导体浆料 目前 电阻浆料的方阻范围很宽 从1 10M 电性能也很好 因而可以用来制造所有阻值的厚膜电阻器 电性能和稳定性都特别优良 厚膜电阻与材料 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 结构厚膜电阻的结构是不均匀的相结构 因为均匀的分散相 则导电颗粒被绝缘颗粒隔开 就没有电导 如果导电相浓度上升 相互连接的电导将大大地上升 出现突变 无法改变成分含量来改变阻值 故必须采用不均匀的分散相 其办法是使用玻璃粉的颗粒要求比导电颗粒要粗 这样 在湿的浆料中 每个玻璃颗粒被许多小的导体颗粒所包围 这就需要其中的玻璃在烧结过程中不完全熔化和产生流动 这时才使膜中的导电颗粒保持链状结构 厚膜电阻的结构和导电机制 第三章厚薄膜技术3 3厚膜材料 导电机制由于RuO2的优越性能 常用作为厚膜电阻的材料 低阻值厚膜电阻体中的RuO2在烧结过程中相互连接 形成网络结构 构成导