《集成电路封装技术》期末复习

p 1 封装 组装定义 Packaging PKG 是指利用膜技术及微细加工技术 将芯片及其他要素在框架或者基板上布置 粘贴固定及连接 引出接线端子 并通过可塑性绝缘介质灌封固定 构成整体立体结构的工艺 广义上的封装指的是 将封装体及基板连接固定 装配成完整的系统或电子设备 并确保整个系统综合性能的工程 将基板技术 芯片封装体 分立器件等全部要素 按照电子设备整机要求进行连接和装配 实现电子的 物理的功 能 使之转变为 适用于整机或者系统的形式 称为整机装置或设备的工程 称为电子封装工程 2 3 封装功能 传递电能 传递电路信号 提供散热途径 结构保护与支持 4 5 封装 组装分级 第零层次 芯片级封装 是指把芯片与封装基板或者引脚架之间的粘贴固定 电路连线与封装保护的工艺 第一层次 器件级封装 将多个芯片层次封装体组成基本器件 第二层次 电路板级封装 将多个器件层次封装体与其他电子元器件组成电路板 第三层次 子系统级封装 将多个电路板级封装体组成的电路卡组合在一个主电路板成为一个子系统 第四层次 系统级封装 将数个子系统组装成一个完整的电子产品的工艺过程 11 封装发展的几个阶段 按年代 接合方式和典型封装体分 20 世纪 50 60 年代是 TO 的时代 70 年代是 DIP 的时代 80 年代是 QFP 和 SMT 的时代 90 年代是 BGA 和 MCM 的时代 20 世纪末是 SIP 的时代 12 13 集成电路发展的主要特征 芯片尺寸越来越大 工作频率越来越高 发热量日趋增大 引脚越来越多 13 14 对集成电路封装的要求 小型化 适应高发热 集成度提高同时适应大芯片要求 高密度化 适应多引脚 适应高温环境 适应高可靠性 考虑环保要求 15 18 我国封装业的发展和分类 目前我国半导体封装测试主要集中在长三角 珠三角 京津环渤海湾地区 第一类 国际大厂整合组件制造商 第二类 国际大厂整合组件制造商与本土业者合资 第三类 台资封装 第四类 国内本土封装 5 6 封装分类 笔记 封装标准 笔记 各种封装体 EDEC 联合电子器件工程委员会 美国 DIP 双列直插式封装 EIAJ 日本电子工程委员会 日本 PLCC 塑封有引线芯片载体 IEC 国际电工委员会 瑞士本部 QFP 四边有引脚的扁平封装 GB T 中国国家技术标准研究所 PGA 针栅阵列 按封装外壳材料 BGA 球栅阵列 气密封装 金属壳封装 陶瓷封装 CSP 芯片尺寸封装 非气密性封装 塑料封装 MCM 多芯片组件 86 93 印制电路板 PCB 硬式印制电路板 绝缘材料 高分子树脂和玻璃纤维强化材料 导体材料 铜 软式印制电路板 FR 4 环氧树脂 金属夹层电路板 射出成型电路板 聚亚硫胺 多元脂类 氩硫酸纤维 强化复合纤维 及氟碳树脂 聚乙烯对苯二甲酯 101 108 元器件与电路板的的接合 引脚假材料 42 铁 58 镍的 Alloy42 ASTMF30 最多 常见方式 引脚插入式结合 引脚与电路板导孔结合可区分为 弹簧固定与针脚焊接 波峰焊 p 39 电磁兼容性设计任务 抑制干扰的产生和传播 确保信号有效而不失真地传输 使电路能稳定可靠地工作 40 42 内部干扰源 数字电路 内部干扰源 抗干扰能力优于模拟电路 外部干扰源 接地线噪声 电源线噪声 传输线反射 线间串扰 42 44 减少干扰方法 降低谐振电路 Q 值 提供去耦电容 解决匹配问题 47 50 减少 数字电路内部 噪声措施 减小连接线电感 用接地栅网减小地线电感 减小环路面积来减小电感 电源去耦 51 59 辐射形式和减少辐射措施 差模辐射 电流流过电路中导线形成环路造成 减小电流 I 的幅度 减小环路面积 降低电源频率 F 及其谐波分量 差模辐射 电路中存在不希望的电压降造成 减小共模电压 屏蔽与去耦 电缆中串入共模扼流圈 p 60 三级热阻 器件级热阻 内热阻 表示从发热芯片或其他电路元件的结至元器件外壳之间的热阻 组装级热阻 外热阻 表示热流从元器件外壳流向某个参考点的热阻 系统级热阻 最终的热阻 表示冷却剂至终端热沉的热阻 61 牛顿冷却方程 对流的换热量可用牛顿冷却方程表示 h A t W A 参与对流的换热面积 m h 对流换热系数 W m k 62 传热形式 导热方程 传热形式有 导热 对流换热 辐射换热 导热方程 A dT dx W 垂直于换热面积的导热热量 W 是导热系数 W m k dT dx 是温度梯度 C m 63 64 热阻式 导热热阻 R l A 材料导热系数 对流热阻 R 1 h A h 对流换热系数 66 导热分析法 目的是在已知边界条件下 求的介质内部的温度分布及其热阻值 67 70 对流的无量纲数 Nu 努谢尔特数 Re 雷诺数 Pr 普朗特数 Gr 格拉晓夫数 72 热测试目的 检测组装内的温度或温度分布 75 76 热控制措施 使热源至耗热空间的热阻降至最小 措施 散热 制冷 恒温 热管传热 p 81 腐蚀定义和腐蚀因素 材料 环境介质 化学反应 电化学反应 变质性破坏 腐蚀因素 潮湿空气 污染物质 温度 太阳辐射 生物因素 82 83 引起电化学腐蚀的条件 金属材料 潮湿空气 形成原电池 83 84 电极电位 溶液 金属界面 双电层 电位差 电池 85 86 腐蚀原电池及其基本工作过程 腐蚀原电池 异种金属接触电池和氧浓度差电池 阳极金属溶解 阴极物质还原 电流流动 86 87 吸氧腐蚀和析氢腐蚀 吸氧腐蚀 以氧还原反应作为阴极 析氢腐蚀 以氢离子还原反应作为阴极 87 92 腐蚀类型 均匀腐蚀 电偶腐蚀 应力腐蚀 外加电压下腐蚀 缝隙腐蚀 94 95 聚合物材料的劣化 变质 化学腐蚀和自然腐蚀 老化 高聚物变软 变粘 变脆 变硬 开裂 影响因素 太阳辐射 水汽 大气中的化学物质 96 微生物侵蚀 合适生长条件 水分 合适的温度 营养物质 97 99 微电子设备的防潮方法 有机材料 无机材料 器件表面钝化防潮 三防 防潮 防霉 防雾 p 101 104 结构动应力 主要由振动 冲击时结构的惯性电荷 基板弯曲或扭转变形 运载工具做曲线运动引起的惯性静荷产生的静应力组成 108 110 基板的动态特性 基板的动态特性主要由 固有频率 fn 和传递率 在工程中 基板和支承结构件的连接方式有螺旋连接 插座 带有波状弹簧板边导轨 槽形导轨连接 某一边的无支承 等 p 132 互连与连接 互连 2 点或 2 点以上 具有一定距离之间的电器连同 厚膜互连与薄膜互连 连接 紧邻 2 点之间具有接触内涵的电器连通 钎焊 软 硬 450 熔焊 绕接 压接 键合 倒装焊 133 印制板制造工艺的三种方法 加成法 减成法 多线法 167 常用的线缆 电力 电话 多芯 屏蔽多芯 同轴 双绞线扁 扁平 挠性印制 光学纤维 电缆 144 布线原则 所有的走线尽可能短 敏感的信号线先走 尽量近以减小回路电阻 数字电路与模拟电路在布局布线上应尽量分隔开 以避免相互干扰 设计开始时要估算功耗及温升 在性能允许的条件下尽量选用低功耗器件 电路元器件接地 接电源应尽量短 尽量近以减小回路电阻 敏感的 高频的 信号线采用共平面线结构或带状结构 以避免与其他电路耦合 产生干扰 XY 层走线应互相垂直以减少耦合 切忌上层走线与下层走线对齐或平行 高速门电路的多根输入线的长度应相等 以避免产生不必要的延迟 差分 平衡放大器 I O 通道的输入输出线的长度要求相等 以免产生不必要的延迟和相移 为了生产 测试方便 设计上应设置必要的断点和测试点 笔记 19 传统塑料封装工艺流程 硅片减薄 硅片切割 芯片贴装 芯片互连 成型技术 去飞边毛刺 切筋成形 上焊锡 打码 20 晶圆切割 对硅片进行背面减薄 然后对硅片进行划片加工 20 芯片贴装 贴装的方式有 共晶 焊接 导电胶 玻璃胶 粘贴法 23 芯片互连 芯片互连常见方法 打线 载带自动 倒装芯片 键合 24 引线键合 主要的打线键合技术 超声波 热超声波 热压 键合 41 42 成型技术 塑料封装的成型技术 转移 喷射 预 成型技术 主要的成型技术是转移成型技术 42 去飞边毛刺 去飞边毛刺工序工艺有 介质 溶剂 水 去飞边毛刺 28 上焊锡 对封装后框架外引脚的后处理可以是电镀或是浸锡工艺 焊锡的成分一般是 63Sn 37Pb 它是一种低共熔合金 共熔点在 183 184 C 之间 也有使用成分为 85Sn 15Pb 90Sn 10Pb 95Sn 5Pb 的焊锡 有的日本公司甚至用 98Sn 2Pb 的焊料 28 切筋打弯 切筋成型实际是两道工序 但通常同时完成 所谓的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 连接在一起的地方 所谓的成型工艺则是将引脚弯成一定的形状 以适合装配的需要 29 打码 打码的方法有多种 其中最常用的是印码 油墨印码和激光印码 44 器件装配工艺 元器件装配的方式有两种 波峰焊和回流焊 波峰焊主要在插孔式 PTH 封装类型元器件的装配 回流焊主要在表面贴装式及混合型元器件装配 笔记 129 环氧模塑料及其组成 含添加剂 铸模材料 酚醛树脂 加速剂 硬化剂 催化剂 耦合剂 无机填充剂 阻燃剂 模具松脱剂 黑色色素等成分组成 笔记 陶瓷封装工艺 模压和共烧层压 低温共烧与高温共烧 模压陶瓷封装 共烧层压陶瓷封装 高低温共烧 120 陶瓷封装材料 最常使用 氧化铝 其他如 氮化铝 氧化胺 碳化硅 玻璃与玻璃陶瓷 蓝宝石等 笔记 47 厚膜和薄膜技术 均用以制作包含集成电阻 电容或电感的多层互连结构 厚膜技术 网印与烧结方法 薄膜技术 镀膜 光刻与刻蚀等法 用丝网印刷法把导体浆料 电阻浆料 绝缘材料浆料转移到一个陶瓷基板上制造的 印刷的膜经过烘干以去除挥 发性的成分 然后经过在较高的温度下烧结 完成膜与基板的粘贴 163 BGA 的类型及其特点 塑料球栅阵列 PBGA 陶瓷球栅阵列 CBGA 载带球栅阵列 TBGA 166 170 BGA 的制作 安装与检测 焊点的质量检测 通常的目检和光学自动检测不能检测焊点质量 国外采用 X 射线断面自动工艺检测设备 焊后质量检测 电测试 边界扫描 X 轴射线检测 174 179 CSP 的结构和分类 芯片尺寸封装 封装尺寸小 电学性能优良 测试筛选老化容易 散热性能优良 内无需填料 制造工艺设备兼容性好 CSP 结构 IC 芯片 互连层 焊球 保护层 互连层是通过自动焊接 引线键合 倒装芯片等方法来实现芯片与焊球之间内部连接的 是 CSP 封装的关键组 成 CSP 类型 柔性基板封装 刚性基板封装 引线框架式 CSP 封装 晶圆级 CSP 封装 薄膜型 CSP 181 185 倒装芯片的凸点技术 芯片是倒扣在封装衬底上 倒装芯片主要有三种连接形式 控制塌陷芯片连接 直接芯片连接 倒装芯片 倒装芯片基本上可分为焊料凸点倒装芯片和非焊料凸点倒装芯片两大类 其基本结构都由 IC UBM T 凸点组成 UBM 是在芯片焊盘与凸点之间的金属过渡层 主要起粘附和扩散阻挡的作用 它通常由粘附层 扩散阻挡层 浸润 层等多层金属膜组成 现在采用溅射 蒸发 化学镀 电镀等方法来形成 UBM 凸点 焊料凸点 金凸点 聚合物凸点 三大类 电镀凸点 印刷凸点 喷射凸点 185 187 WLP 的两个基本工艺 晶圆级封装以 BGA 技术为基础 是一种经过改进和提高的 CSP 或称圆片级 芯片尺寸封装 WLP CSP 两个基本工艺 薄膜再分布技术 初步设计阶段转入改进设计阶段 凸点制作技术