MicroelectronicPackagingTechnology

1、Microelectronics Packaging Technology(Review contents) Chapter 1Introduction1. The development characteristics and trends of microelectronics packaging. （微电子封装的发展特点和趋势）特点：1) 微电子封装向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向面阵列发展；2) 微电子封装向表面安装式封装（SMP）发展，以适应表面安装技术（SMT）；3) 从陶瓷封装向塑料封装发展；4) 从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移。发展趋势：a) 微

2、电子封装具有的I/O引脚数目将更多；b) 微电子封装应具有更高的电性能和热性能；c) 微电子封装将更轻、更薄、更小；d) 微电子封装将更便于安装、使用和返修；e) 微电子封装可靠性将更高；f) 微电子封装性能价格比将会更高，成本更低，达到物美价廉。2. The functions of microelectronics packaging. （微电子封装功能）五种功能：电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护3. The levels of microelectronics packaging technology. （微电子封装技术的分级）芯片互连级（零级封装）：包括：芯片粘接：Au

3、-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；芯片互连技术：引线键合（WB-Wire Bonding）、载带自动焊（TAB-Tape Automatic Bonging）、倒装焊（FCB-Flip Chip Bonding）一级微电子封装技术 包括：单芯片组件（SCM）、多芯片组件（MCM）二级微电子封装技术包括：通孔安装技术（THT）、表面安装技术（SMT）、芯片直接安装技术（DCA）三级微电子封装技术：是一种立体组装技术3. The methods for chip bonding. （芯片粘接的方法）四种方法：Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导

4、电胶粘接法、有机树脂基粘接法。Chapter 2 Chip Interconnection TechnologyIt is one of the key chapters ！1. The three kinds of chip interconnection, and their characteristics and applications.（芯片互连的分类及特点） 1. 引线键合（WB-Wire Bonding）：将半导体芯片焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。主要有热压焊、超声焊、热压超声焊（金丝球焊）特点：焊接灵活方便、焊点强度高、通常满足

5、70微米以上芯片焊区尺寸和节距的焊接需要。焊接金属一般为Al或Au，金属丝多是数十微米至数百微米直径的Au丝Al丝和Si-Al丝。2. 载带自动焊（TAB-Tape Automatic Bonging）特点：包括芯片焊区凸点形成、载带引线制作、载带引线与凸点焊接（内引线焊接）、载带-芯片互连焊后的基板粘接和最后的载带引线与基板焊区的外引线焊接几部分。分为单层带、双层带、三层带、和双金属带。3. 倒装焊（FCB-Flip Chip Bonding）：芯片面朝下，将芯片焊区与基板焊区直接互连的技术。2. The types of wire bonding (WB) technology, thei

6、r characteristics and working principles. （引线键合的种类，特点、工作原理）1、 热压焊压焊时芯片与焊头均要加热，容易使焊区和焊丝形成氧化层。同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温下形成异质金属影响器件的可靠性和寿命。2、 超声焊焊接强度高于热压焊，不需加热可在常温下进行，因此对芯片性能无损害，可根据不同的需要随时调节超声键合能量，改变键合条件。3、 金丝球焊操作方便灵活，而且焊点牢固，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。3. The working principle and main proces

7、s of the wire ball bonding.（金丝球焊的原理及主要工艺过程）工艺过程：打火烧球（EFO负电子烧球）一焊（热压超声球焊）拉弧（焊头XYZ协调动作）二焊（热压超声焊）留尾丝回打火位、送丝等，开始下一个循环。工作原理：将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中，引线在电火花作用下受热成液体，由于表面张力作用而形成球 状，在摄像和精密控制下，劈刀下降至球接触片键合区，使球和焊盘金属形成冶金结合完成第一点焊接过程，然后劈刀提起，沿着预定的轨道移动，称作弧形走线，利用压力和超声能量形成月牙式第二焊点，劈刀垂直运动截断丝尾部，这样完成了两次焊接和一个弧线循环。4.The major ma

8、terials for wire bonding. (引线键合的主要材料)热压焊、金丝球焊主要选用Au丝，超声焊主要用Al丝和SiAl丝，还有少量的CuAl和CuSiAl丝等。5. Tape automated bonding (TAB) technology: 1）The characteristic and application of TAB technology. （载带自动焊（TAB）技术的特点及应用）特点：（1） TAB结构轻、薄、短、小；（2） TAB的电极尺寸、电极与焊区节距均比WB大为减小；（3） 相应可容纳更高的I/O引脚数；（4） TAB的引线电阻、电容和电感均比WB的小

9、得多；（5） 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；（6） TAB采用Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高；（7） TAB的键合拉力比WB高，可提高芯片可靠性；（8） TAB使用标准化的卷轴长带，对芯片实行自动化多点一次焊接，同时安装和外引线焊接可实现自动化，从而提高电子产品的生产效率，降低生产成本。应用：TAB技术已不单能满足高I/O数的各类IC芯片的互连需求，而且以作为聚酰亚胺（PI）粘接剂Cu箔三层软引线载带的柔性引线，成为广泛应用于电子整机内部和系统互连的最佳方式。此外，在各类先进的微电子封装，如BGA、CSP/和3D封装中，TAB技术都发挥着重要的作

10、用。2） The key materials and technologies of TAB technology. （TAB技术的关键材料和关键技术）TAB技术的关键材料包括：基带材料、Cu箔引线材料和芯片凸点金属材料。TAB的关键技术主要包括三个部分：一是芯片凸点的制作技术，二是TAB载带的制作技术，三是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） The internal lead and outer lead welding technology of TAB technology. （TAB载带内外引线的焊接技术）TAB的内引线焊接技术1、焊接过程：（1） 对位（2）

11、 焊接（3） 抬起（4） 芯片传送2、 焊接条件：主要有焊接温度、焊接压力和焊接时间确定3、 焊接后的保护：其方法是涂覆薄的一层环氧树脂TAB的外引线焊接技术（1） 供片（2） 冲压和焊接（3） 回位6. Flip Chip Bonding (FCB) Technology （倒装芯片焊接技术）1）The characteristic and application of flip chip bonding technology （FCB的特点及应用）特点：具有高的安装密度、高I/O数和较低的成本，以及可直接贴装HIC,PWB板,MCM等优越性；优点：（1） FCB的互连线非常短，互连产生的杂

12、散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TAB小得多，更实用于高频、高速的电子产品应用；（2） FCB芯片安装互连占的基板面积小，因而芯片安装密度高；（3） FCB的芯片焊区可面阵布局，更适于高I/O数的LSI、VLSI芯片使用。缺点（1） 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；（2） 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；（3） 倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题也需要很好的解决。2）UBM and multilayer metallization under chip bump；UBMs structure and material, and the

13、 roles of each layer. （UBM的含义、结构和材料）UBM：芯片凸点下多层金属化（Under Bump Metallization）结构：粘附层阻挡层导电层材料：粘附层：Cr, Ti, Ni 阻挡层：Pt, W, Pd, Mo, Cu, Ni 作用：防止上面的凸点金属越过薄的粘附层与Al焊区形成脆性的中间金属化合物导电层：Au, Cu, Ni, PbSn, In等3）The main fabrication method of chip bumps.（ 芯片凸点的制作方法）主要有蒸发/溅射法、电镀法、化学镀法、机械打球法、激光法、置球和模板印刷法、移置法、叠层制作法和柔性凸

14、点制作法等4）FCB technology and its reliability. （凸点芯片的FCB技术及可靠性）1、 热压FCB的可靠性2、 C4技术的可靠性3、 环氧树脂光固化FCB的可靠性4、 各向异性导电胶FCB的可靠性5、 柔性凸点FCB的可靠性5）C4 soldering technology and its advantages. （C4技术的优点)1、 C4除了具有一般凸点芯片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；2、 C4的芯片凸点使用高熔点的焊料，倒装焊再流时，C4凸点不变形；3、 倒装焊时PbSn焊料熔化再流时较高的表面

15、张力会产生“自对准”效果，这就使对C4芯片倒装焊时的对准精度要求大为宽松。6）The role of underfill in FCB. （底冲胶在FCB的作用）1、 可以保护芯片免受环境如湿气、离子等污染，利于芯片在恶劣的环境下正常工作；2、 使芯片耐受机械振动和冲击；3、 减少芯片与基板间的热膨胀失配的影响，即可减小芯片凸点连接外的应力和应变，避免芯片中心和四角的凸点连接处的应力和应变过于集中。7）The interconnection principles for Isotropic and anisotropic conductive adhesive respectively. （各

16、向同性、异性导电胶的互连原理）同性导电胶：是一种膏状的高分子树脂，加入了一定含量的导电颗粒，因此在各个方向上都可以导电。通常高分子树脂为环氧树脂，导电颗粒为银。异性导电胶：先在基板上涂覆ACA（Anisotropic Conductive Adhesive 各向异性导电胶），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。Chapter 3: Packaging Technology of Through-Hole Cmponents （插装元器件的封装技术）1. The

17、 classification of Through-Hole components. （插装元器件的分类）按外形结构分：圆柱形外壳封装（TO）、矩形单列直插式封装（SIP）、双直插式封装（DIP）、针列封装（PGA）按材料分：金属封装、陶瓷封装和塑料封装2. Focused on：DIP packaging technology, including its process flow. （DIP的 封装工艺流程）生瓷料制备流延制膜冲片、冲腔冲孔，并填充金属化金属化印刷叠片、层压热切侧面金属化印刷排胶、烧结电镀或化学镀Ni钎焊封口环或外引线电镀Ni-Au外壳检漏、电测试IC芯片安装引线键合IC

18、芯片检测封盖检漏成品测试打印、包装3. The characteristics of PGA. （PGA的特点）1、 PGA的针引脚是呈栅列的，I/O数可高达数百乃至上千个；2、 PGA是气密封的，所以可靠性高；3、 制作工艺复杂、成本高。Chapter 4 ：Packaging Technology of Surface Mounted Device（SMD）（表面安装元器件的封装技术）1. The advantages and disadvantages of SMD. （SMD的优势与不足）优势1、 SMD的体积小、重量轻，所占基板的面积小，因而组装密度高；2、 SOP/PLCC与DIP

19、相比，具有优异的电性能；3、 适合自动化生产；4、 降低生产成本；5、 能提高可靠性；6、 更有利于环境保护。不足1、 元器件安装密度高，PWB上的功率密度高，容易产生散热问题；2、 SMD与PWB的CTE不一致导致焊点处的裂纹以致开裂问题；3、 塑料件普遍存在吸潮问题；2. The types of SMD. （SMD的分类）按封装外形：“芝麻管”形、圆柱形、SOT形按封装材料：玻璃二极管封装、塑料封装、陶瓷封装3. The main SMD packaging technologies, focused on：SOP、PLCC、LCCC、QFP. IC小外形封装（SOP）技术：塑料有引脚片

20、式载体（PLCC）封装技术：陶瓷无引脚片式载体（LCCC）封装技术：四边引脚扁平封装（QFP)技术：4. The packaging process flow of QFP. （QFP的封装工艺）5. The risk of moisture absorption in plastic packages, the mechanism of the cracking caused by moisture absorption and solutions to prevent for such failure. （塑料封装吸潮的危害，塑料封装吸潮开裂的机理和解决措施）危害：降低器件寿命；使器件电参

21、数发生变差，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会发生爆米花式开裂现象。开裂机理：塑封开裂过程分为水汽吸收聚蓄期（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结剂的粘结强度，蒸汽扩张形成压力圆顶）和开裂萌生扩张期（蒸汽压力继续增加，应力最薄弱处萌生裂纹，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）塑料封装吸潮问题开裂的对策：1、 从封装结构上改进增强抗开裂的能力；2、 对塑封器件进行适宜的烘烤是防止焊接时开裂的有效措施；3、 合适的包装和良好的贮存条件是控制塑封器件吸潮的必要手段。Chapter 5：Pack

22、aging Technology of BGA and CSP （BGA和CSP封装技术)1. The characteristics of BGA and CSP. （BGA和CSP封装技术的特点）BGA：1、 失效率低；2、 BGA焊点的节距一般为1.27mm和0.8mm，可以利用现有的SMT工艺设备；3、 提高了封装密度，改进了器件引脚数和本体尺寸的比例；4、 由于引脚是焊球，可明显改善共面性，大大的减少了共面失效；5、 BGA引脚牢固，不像QFP那样存在引脚易变形问题；6、 BGA引脚很短，使信号路径短，减小了引脚电感和电容，改善了电性能；7、 焊球熔化时的表面张力具有明显的“自对准”

23、效应，从而可大为减少安装、焊接的失效率；8、 BGA有利于散热；9、 BGA也适合MCM的封装，有利于实现MCM的高密度、高性能。CSP：1、 体积小；2、 可容纳的引脚最多；3、 电性能良好；4、 散热性能优良。2. The packaging technology for PBGA，and its process flow. （PBGA的封装技术)3. The characteristics of packaging technology for CSP. （CSP封装技术的特点：）1. 体积小；2. 可容纳的引脚最多；3. 电性能良好；4. 散热性能优良。4. The reliabili

24、ty problems of BGA and CSP. （BGA、CSP封装稳定性问题）Chapter 6： Multi-Chip Module（MCM）（多芯片组件（MCM）1. The classification and characteristics of MCM（MCM的概念、分类与特性）概念：从组装角度出发，将MCM定义为：两个或更多的集成电路裸芯片电连接于共用电路基板上，并利用它实现芯片间互连的组件。MCM原则上应具备以下条件（1） 多层基板有4层以上的导体布线层；（2） 封装效率（芯片面积/基板面积）大于20%；（3） 封装壳体通常应有100个以上的I/O引脚。MCM可分为五大

25、类：1、 MCML，有机叠层布线基板制成的MCM2、 MCMC，厚膜或陶瓷多层布线基板制成的MCM3、 MCMD，薄膜多层布线基板制成的MCM4、 MCMSi，Si基板制成的MCM5、 MCMD/C，厚、薄膜混合多层基板制成的MCMMCM的特性：1、 高速性能；2、 高密度性能；3、 高散热性能；4、 低成本性能。2. The assembly technology of MCM. （MCM的组装技术）概念：MCM是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装成一个具有多功能的MCM组件。内容包括：芯片与基板的粘结（导电胶或绝缘环氧树脂粘结

26、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、焊接和机械固定）和电气连接（WB）.；MCM的清洗方式：等离子蒸汽去垢、溶剂喷洗、溶剂浸泡、超声清洗。Chapter 7：Electronic Packaging Materials and Substrate Technology （电子封装技术材料和组装技术）1. The classification of the materials for electronic packaging, the main requirements for packaging materials. （电子封装材料的分类以及对封装材料

27、的要求）分类：1. 基板材料;2. 介质材料;3. 金属材料.要求：基板材料：1、 电性能，高的电绝缘电阻，低的、一致的介电常数；2、 热性能，热稳定性好，热导电率高，各种材料热膨胀系数相近；3、 机械性能，孔隙度低，平整性好，强度较高，弯度小；4、 化学性能，化学稳定性好，制作电阻或导体相容性好；介质材料：介电常数、吸水性和CTE等指标都要低。金属材料：1. 电导率高；2. 热导率高；3. 与介质及基板的CTE匹配性好；4. 与介质的粘接性好；5. 抗金属迁移和电迁移；6. 抗扩散；7. 易于键合和焊接。2. The types of metals in electronic packagi

28、ng, and their main applications. （金属外壳的种类及应用）特点：1）优良的热、电、机械性能；2）温度范围广；3）可靠性优良；4）多为金属外壳配合陶瓷基板封装，壳体较大；5）单芯片和厚、薄膜HIC。分类：浅腔式外壳系列、平板式、扁平式、功率外壳式、AlN陶瓷基板外壳系列等。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：1）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；2）力学匹配性好，界面应力降低，降低热循环造成的疲劳失效；3）允许更高的功率密度；4）化学稳定性好。缺点

29、：1）工艺复杂；2）不可制作平整的大基板；3）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前检验。封帽工艺：熔焊封接法（平行缝焊、激光焊、电焊）和焊料封接法。3. The main requirements for polymer materials in electronic packaging. （高分子材料的主要要求）主要要求： 1. 抗高温耐湿耐热；2. 耐高温耐低温；3. 尺寸稳定性好，抗蠕变；4. 低CTE；5. 高绝缘性，击穿强度高；6. 吸潮率低；7. 低介电常数，低介电损耗；8. 耐化学腐蚀，物理性能稳定。4.

30、 Classification of main substrate materials, and the major requirements for substrate materials. 基板材料的分类：1. 氧化铝2. 氮化铝3. 有机多层基板材料4. 共烧陶瓷基板材料5. 硅基板材料6. 金刚石对基板材料的要求1、 电性能，高的电绝缘电阻，低的、一致的介电常数2、 热性能，热稳定性好，热导电率高，各种材料热膨胀系数相近3、 机械性能，孔隙度低，平整性好，强度较高，弯度小4、化学性能，化学稳定性好，制作电阻或导体相容性好Chapter 8：Microelectronics packag

31、ing reliability（微电子封装可靠性）1. The basic concepts of electronic packaging reliability. （可靠性的基本概念）可靠性：在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。2. The basic concepts for failure mode and failure mechanism in electronic packaging.（失效模式和失效机理的基本概念） 失效模式：是指失效的形式，如开路、短路、漏气等。失效机理：是指造成器件失效的原因。3. Main failure (defect) modes (typ

32、es) of electronic packaging. 失效形式：1. 机械失效:疲劳、过载2. 电化学失效:腐蚀、电迁移4. The purpose and procedure of failure analysis (FA) ；Common FA techniques (such as cross section, dye and pry, SEM, CSAM .). 失效分析的目的：1. 找出失效原因2. 制定改进措施（从设计、制造和使用方面）3. 提高产品质量和成品率。失效分析程序(流程)1. 记录失效现象2. 鉴别失效模式3. 描述失效特征4. 假设失效机理5. 证实:从正、反两面

33、证实失效机理，失效可实现重复6. 针对失效机理提出改进措施，并考虑新措施中是否引入新的失效因素。常用的失效分析技术：无损分析技术：1. 电性能测试和外观检验2. 声学扫描显微镜(SAM)3. 非破坏性、可分层、点扫描、截面扫描、水平面扫描;4. X光透射检查仪5. Moire干涉仪:形变，warpage(翘曲)测量6. 有限元分析:热、热力有损分析技术1. 开封(Decapsulation / Decap)2. 红外热像仪:温度分布3. 金相切片分析4. 扫描电子显微镜(SEM)微区形貌5. 俄歇谱(Auger)成分，成分深度分布6. 傅利叶变换红外显微镜分析(FTIR ; Fourier t

34、ransform infrared microscopy)5 The purpose and key factors (such as stress level, stress type ) to design accelerated reliability test. （描述加速稳定性试验的目的和关键因素）目的关键因素：机械应力、热学应力、湿热应力、电学应力、辐射应力、化学应力Chapter 9：Advanced packaging technologies1. The concept of wafer level packaging (WLP) technology. （圆片级封装技术的概

35、念）概念：在通常制作IC芯片的Al焊区完成后，继续完成CSP的封装制作，称之为晶圆级CSP (WLCSP)，又称作晶圆级封装。它是一种以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP，综合了BGA、CSP的技术优势。2. The key processes of WL-CSP. WL-CSP的关健工艺：1. 一是再布线技术(即再分布re-distribution)2. 二是焊料凸点制作工艺4. The concept and types of the 3D packaging technologies. 概念：3D封装技术又称立体封装技术。与传统封装技术相比，在原有基础上向Z方向即向空间发展的

36、微电子封装高密度化。种类：1. 埋置型3D2. 有源基板型3D3. 叠层型3DSpecified Subject 1：LED packaging technology （LED封装技术）1. Describe briefly the four ways to achieve LED white light, and how they are packaged？ 方法：1. 蓝光LED+黄色荧光粉2. 三色LED合成白光3. 紫光LED+三色荧光粉4. 蓝光LED+红、绿荧光粉封装方式：1. 引脚式封装（LED芯片检验、LED扩片、LED点胶、LED备胶、LED手工刺片、LED自动装架、LED烧

37、结、LED压焊、LED封胶、LED点胶、LED灌胶封装、LED模压封装、LED固化与后固化、LED切筋和划片、LED测试、LED包装）2. 平面式封装3. 表贴封装4. 食人鱼封装5. 功率型封装（材料、装架/固晶、等离子清洗、键合、荧光粉涂布、封装、切筋分离、测试分档、成品、包装入库）2. Describe briefly the difference and similar aspects (similarity) between LED packaging and microelectronics packaging. LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有

38、很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。4. And also describe briefly the development trend for LED package technology and the whole LED industry respectively. LED封装的发展趋势：高发光效率、高可靠性、高散热能力、薄型化LDE产业的发展趋势：从应用要求出发，不断探索新材料、

39、新工艺，实现产业细分Specified Subject 2：MEMS packaging technology1. The differences between micro-electro-mechanical system (MEMS) packaging technology and the conventional microelectronics packaging technologies. 差异：1. 微电子封装通常分为单芯片封装和多芯片组件的一级封装、将一级封装和其他元器件一同组装到单层或多层PWB上的二级封装和将二级封装插装到多层母板上的三级封装三个层次；而MEMS封装则通常分为芯片级封装、器件级封装和系统级封装三个层次，总的来说MEMS是建立在微电子封装之上的，并延用了许多微电子封装的工艺技术，比微电子封装更庞大、更复杂更困难。2. MEMS封装除了具有微电子封装的共同失效模式外微型执行器