集成封装工艺流程PPT课件

.,1,第二章集成电路封装的工艺流程,.,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。前段工序在净化环境中进行的，净化级别达到1000级以上（空气中0.3m粉尘1000个/m3）。,.,3,硅棒制备,.,4,硅棒切片,.,5,芯片加工,.,6,硅片减薄、切割硅片背面减薄技术主要有：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、常压等离子腐蚀等方法：先划片后减薄和减薄划片两种方法,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。,.,7,芯片贴装芯片贴装，也称芯片粘结，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。,.,8,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。所生成的两种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，被统称为共晶体。利用金-硅合金在3wt%硅，363时产生的共晶反应特性进行芯片的粘结固着。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430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。,.,9,预型片法为获得最佳粘结效果，IC芯片背面常先镀有一层薄层的金并在基板的芯片承载座上植入预型片，预型片是面积约为芯片三分之一的金2wt%硅合金薄片。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。此方法适用于较大面积的芯片粘贴。,优点：金-硅共晶焊接机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高,高温性能好，不脆化。缺点：生产效率低，不适应高速自动化生产。,.,10,焊接粘贴法焊接粘贴法是另一种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，防止焊锡氧化及孔洞的形成。,硬质焊料：金-硅、金-锡、金-锗。优点：塑变应力值高，具有良好的抗疲劳与抗蠕变特性。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-铟。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。,.,11,导电胶粘贴法（高分子胶粘结法）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。由于高分子材料与铜引脚的热膨胀系数相近，导电胶法是塑胶封装常用的芯片粘贴法,膏状导电胶：用针筒或注射器将粘贴剂涂布到芯片焊盘上，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（1501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。,.,12,玻璃胶粘贴法玻璃胶是把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。主要用于陶瓷封装，需要严格控制烧结温度,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加热基板除去胶中得有机成分加温到玻璃熔融温度以上即可完成接合,优点：所得芯片封装无空隙、热稳定性优良、低结合应力以及湿气含量低；缺点：有机成分与溶剂必须除去，否则危害可靠性。,.,13,芯片互连（连线技术）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。,半导体失效约有1/4-1/3是由芯片互连所引起，因此芯片互连对器件可靠性意义重大！,.,14,芯片互连常见的方法,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。,.,15,引线键合技术WB(连线接合）,是将半导体裸芯片（Die）焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区（Pad）用金属细丝连接起来的工艺技术。,.,16,低成本、高可靠、高产量等特点使得WB成为芯片互连主要工艺方法，用于下列封装:陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP陶瓷和塑料封装QFP芯片尺寸封装(CSP),.,17,提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以相同或不同。,WB技术原理,.,18,超声波键合以接合楔头引导金属线使其压紧于接垫上；再输入频率20至60KHz，振幅20至200mm的超音波，使音波震动与迫紧压力产生冷焊效应而完成接合。常用于Al丝键合，键合点两端都是楔形。,超音波的功能：磨除接垫表面的氧化层与污染；利用音波弱化效应，促进接合界面动态回复与再结晶现象从而形成接合。,.,19,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：导线回绕的方向必须平行第一与第二接垫排列的方向，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。,.,20,超声键合第一键合点第二键合点,特点：适合细丝、粗丝及金属扁带不需外部加热，对器件无热影响可以实现在玻璃、陶瓷上的连接适用于微小区域的连接,.,21,热压键合利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形，常用于Au丝键合。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。,.,22,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。,.,23,第一键合点,第二键合点,.,24,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。在超声键合机的基板支持台上引入热压键合法中采用的加热器，进行辅助加热；键合工具采用送丝压头，并进行超声振动；由送丝压头将Au丝的球形端头超声热压键合在基板的布线电极上。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的成长，和降低基板高分子材料因高温产生形变。用于Au和Cu丝的键合。,.,25,.,26,.,27,.,28,引线键合的线材与限制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。另一种是含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99.99。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，常由于热压键合与热超声波键合中。热压键合和金丝球键合主要选用金（Au）丝，超声键合则主要采用铝（Al）丝和Si-Al丝（Al-Mg-Si、Al-Cu等）,.,29,.,30,载带自动键合技术,利用搭载有蜘蛛式引脚的的卷带软片以内引脚结合技术完成与IC芯片的连线，再以外引脚接合技术完成与电子封装基板的接合。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。载带：即带状载体，是指带状绝缘薄膜上载有由覆铜箔经蚀刻而形成的引线框架，载带一般由聚酰亚胺制作，两边设有与电影胶片规格相统一的送带孔。带宽有35mm、48mm、70mm三种规格。,.,31,.,32,内引线焊接,对位首先在高聚物上做好元件引脚的引线框架，在芯片上形成凸点；按设计程序将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，将芯片上的凸点同载带上的焊点一次性键合在一起。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。,.,33,封胶保护完成内引脚键合后，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和硅橡胶。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。,.,34,外引线焊接技术,.,35,.,36,TAB的关键技术芯片凸点制作技术,在进行TAB键合前须在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。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。,.,37,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。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。第三步，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。第四步，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。,.,38,凸块转移技术这种技术分2次键合第1次键合：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，避免了在芯片焊区制作凸点的麻烦，降低了生产成本。,.,39,.,40,（1）单层结构载带（Cu箔）仅为一层铜带，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。优点：价位低，热稳定性好，适用于高温键合；缺点：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；易变形。,.,41,（2）双层结构载带（Cu-PI双层）以铜箔贴附于聚酰亚胺或聚酯高分子膜上组成。可用两种方法制作。将高分子材料涂于铜箔上，然后进行蚀刻，窗口和齿孔用KOH或NaOH腐蚀出来，再用FeCl3腐蚀液将铜带上所需图形腐蚀出来。以微影成像与电镀的方法在高分子膜上直接镀成电路引脚图形。优点：高温稳定性好，可作电性测试，电性能优良；缺点：价位高，亦弯曲，容易变形。,.,42,（3）三层结构载带（Cu-粘贴剂-PI）比双层带厚，更稳定，较为常用。制作方法：先以冲模的方法制成高分子卷带，涂上粘着剂粘接铜箔，再以蚀刻方法制成电路引脚图形。优点：胶带和铜之间有很高的结合强度，且绝缘性能好，吸湿性低，允许电性测试，适合大规模生产。缺点：制成复杂，成本高，不适合高温接合,.,43,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、Pb/Sn。,.,44,TAB技术较之常用的引线工艺的优点：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。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。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。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。TAB工艺中引线的键合平面低，使器件薄化。,.,45,倒装芯片键合技术倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种键合方法。在芯片的接垫上预制焊料凸点，然后将芯片倒置，使芯片上的焊料凸点与基板对位，以回流热处理配合焊锡熔融时的表面张力效应使焊锡成球并完成接合。属于平面阵列式的接合，而非连线接合及TAB仅能提供周列式式的接合，故FCB可应用于极高密度电子封装。FCB省掉了互连引线，互连线产生的互连电容、电阻和电感均比WB和TAB小很多，电性能优越。,.,46,UBM芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的多层金属膜(UnderBumpMetallurgy)，一般称为凸点下金属层（UMB），主要起到粘附和扩散阻挡的作用UBM一般有三层，分别为铬/铬-铜（50%-50%）/铜,FCB技术焊锡凸点制作,.,47,芯片凸点的类型按材料可分为焊料凸点、Au凸点和Cu凸点等焊锡凸点：高熔点95%铅-5%锡合金低熔点51%铟-32.5%铋-16.5%锡、63%铅-37%锡、50%铅-50%铟合金等按凸点结构可分为：周边性和面阵型按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形等,.,48,焊锡凸点制作方法：在IC芯片表面镀上玻璃保护层以提供密封防护并防止焊锡的任意润湿；在接垫位置上开出导孔后再溅镀上多层金属薄膜；以蒸镀、沉浸或超音波点焊技术将100-125um的铅锡合金镀上；在后续接合热处理过程中，焊锡熔融时的表面张力效应将焊锡层转变成球形凸点。,.,49,FCB互连基板的金属焊区制作将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括：Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工艺）Au-Ni-Cu（薄膜工艺）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。,.,50,凸点芯片的倒装焊接再流FCB法(C4)热压FCB法环氧树脂光固化FCB法各向异性导电胶粘接FCB法。,.,51,再流FCB法专对各类Pb-Sn焊料凸点进行再流焊接，俗称再流焊接法。特点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。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，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。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。,.,52,热压FCB法热压或热声倒装焊接：调准对位-落焊头压焊（加热）,.,53,环氧树脂光固化倒装焊接法,各向异性导电胶倒装焊接法,利用光敏树脂固化时产生的收缩力将凸点和基板上金属焊区互连在一起，这是一种微凸点FCB法。,.,54,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。,.,55,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。,.,56,优点：1）互连线短，互连电特性好2）占基板面积小，安装密度高3）芯片焊区面分布，适合高I/O器件4）芯片安装和互连可同时进行，工艺简单、快速缺点：1）需要精选芯片2）安装互连工艺有难度，芯片朝下，焊点检查困难3）凸点制作工艺复杂，成本高4）散热能力有待提高,FCB技术特点,.,57,成型技术芯片互连完成之后进入封装成型步骤，即将芯片与引线框架包装起来。成型技术有金属封装、塑料封装、陶瓷封装等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。,.,58,塑料封装的材料塑料等高分子聚合物是当前使用较多的封装成型材料，塑料材料通常分为热固性聚合物和热塑性聚合物两种。,塑料封装成型技术,热塑性聚合物：聚合物分子间以物理力聚合而成，加热时可熔融，并能溶于适当溶剂中。热塑性聚合物受热时可塑化，冷却时则固化成型，并且可反复进行。,热固性聚合物：第一次加热时可以软化流动，当加热到一定温度时，聚合物分子发生交联反应，形成刚性固体，若继续加热，聚合物只能变软而不可能熔化、流动。也不溶于溶剂。即不能反复加热使之塑性流动，不可回收利用。,.,59,塑封成型技术种类转移成型技术（TransferMolding）喷射成型技术（InjectMolding）预成型技术（Premolding）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。,转移成型技术热固性塑料转移成型工艺是将“热流道注塑”和“压力成型”组合工艺。传统热流道注塑成型中，熔体腔室中保持一定的温度，在外加压力作用下塑封料进入芯片模具型腔内，获得一定形状的芯片外形。,.,60,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；在一定温度和转移成型活塞压力作用下，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,.,61,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。,.,62,喷射成型是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将塑封料树脂由喷枪中心喷出，使其与引发剂和促进剂均匀混合，沉积到模具型腔内，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成型。,喷射成型技术,.