微电子电子封装技术

微电子材料与制程

第十章

电子封装技术

10-1引言在制造工艺完成时，通过电测试的硅片准备进行单个芯片的装配和封装。这些在最终装配和封装中进行，被称为集成电路制造过程的后道工序。最终装配和封装在集成电路后道工序是两个截然不同过程，每个都有它特殊的工艺和工具。在传统工艺中，集成电路最终装配从硅片上分离出每个好的芯片并将芯片粘贴在金属引线框架或管壳上，用细线将芯片表面的金属压点和提供芯片电通路的引线框架内端互连起来，最终装配后，集成电路是将芯片封装在一个保护管壳内。现在最常用的封装是塑料包封芯片，这种塑料包封提供环境保护并形成更高级装配连接的管脚。另外还有陶瓷封装等传统装配与封装

硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.1

10-1-1集成电路封装的目的1. 保护芯片以免由环境和传递引起损坏；2. 为芯片的信号输入和输出提供互连；3. 芯片的物理支撑；4. 散热10-1-2集成电路封装层次第二级封装

印刷电路板装配第一级封装：

IC封装最终产品装配：

电路板装到系统中的最终装配

为在印刷电路板上固定的金属管脚管脚管脚插入孔中然后在PCB背面焊接表面贴装芯片被焊在PCB的铜焊点上.边缘连接电极插入主系统PCB组件主电子组件板电极10-1-3封装的分类单芯片封装多芯片封装(多芯片模块封装)塑料封装陶瓷封装按照封装中组合的IC芯片数目密封的材料区分引脚插入型(PTH)表面粘着型(SMT)按照器件与电路板接合方式以引脚分布形态区分:典型IC封装形式四边形扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插封装(DIP)薄小型封装(TSOP)单列直插封装(SIP)Figure20.2

关于集成电路封装形式

10-1-4封装技术简介最终装配由要求粘贴芯片到集成电路底座上的操作构成。由于制造的大部分成本已经花在芯片上。因此在最终装配过程中成品率是至关重要的。在20世纪90年代后期，所有集成电路装配中估计有95％采用了传统的最终装配，并由下面4步构成：背面减薄分片装架引线键合

背面减薄最终装配的第一步操作是背面减薄。在前端制造过程中，为了使破损降到最小，大直径硅片相应厚些（300mm的硅片是775µm厚）。然而硅片在装配开始前必须减薄。通常被减薄到200～500µm的厚度。较薄的硅片更容易划成小芯片并改善散热，也有益于在装配中减少热应力。使用全自动化机械进行背面减薄（见下图）。背面减薄被精细的控制，使引入到硅片的应力降到最低。在某些情况下，背面减薄后，在背面在淀积金属，用于改善到底座的导电率以及芯片共晶焊。背面减薄示意图转动和摆动秆转动卡盘上的硅片向下施加力板仅在硅片转换角度过程中转动Figure20.4

硅片锯和被划硅片硅片台锯刃Figure20.5

装片用的典型的引线框架芯片引线引线框架塑料DIPFigure20.6

传统装配与封装

硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.1

10-2芯片粘结10-2-1共晶焊粘贴10-2-2玻璃焊料粘贴10-2-3高分子胶粘结法(环氧树脂粘贴)

10-2-1共晶焊粘贴共晶定义使它的熔点降至最低的熔态混合。然后用合金方法将金粘接到基座上，基座通常是引线框架或是陶瓷基座（90％以上的Al2O3）。典型地，基座有一个金或银的金属化表面。当加热到420℃约6秒钟时芯片和框架之间形成共晶合金互连。共晶贴片提供了良好的热通路和机械强渡。对于双极集成电路共晶焊粘贴技术更普遍。Au-Si共晶贴片SiliconGoldfilm金/硅共晶合金Al2O3Figure20.8

10-2-2玻璃焊料粘贴玻璃胶粘法是仅适用于陶瓷封装的低成本芯片粘结技术,是以盖印﹑网印﹑或点胶的方法将填有银的玻璃胶涂于基板的芯片座上,放置妥当IC芯片后再加热除去胶中的有机成分,并使玻璃熔融接合.玻璃胶粘结法可以得到无孔洞

﹑热稳定性优良,低残余应力与低湿气含量的接合,但在粘结热处理过程中,冷却温度需谨慎控制以防接合破裂;胶中的有机成分也需完全除去,否则将有害封装的结构稳定与可靠度10-2-3环氧树脂粘贴芯片环氧树脂引线框架环氧树脂粘贴是将芯片粘贴到引线框架或基座上最常用的方法。环氧树脂被滴在引线框架或基座的中心，芯片贴片工具将芯片背面放在环氧树脂上（见下图）。接下来是加热循环以固化环氧树脂。10-2-4焊接粘结法焊接粘结法式另一种利用合金反应进行芯片粘结的方法，能形成热传导性能优良的粘结为其主要群殴点。焊接粘结法必须在热氮气遮护的环境中进行以防止焊锡氧化及空洞的形成。常见的焊料有金-硅、金-锡、金-锗等硬质合金与铅-锡等软质合金。传统装配与封装

硅片测试和拣选引线键合分片塑料封装最终封装与测试贴片Figure20.1

10-3互连技术引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框架上的电极内端（有时称为柱）进行电连接最常用的方法（见下图）。引线键合放置精度通常是＋5µm。键合线或是金或是铝，因为它在芯片压点和引线框架内端压点都形成良好键合，通常引线直径是25～75µm之间。三种基本引线键合的叫法各取自在引线端点工艺中使用的能量类型。三种引线键合方法是：热压键合超声键合热超声球键合引线键合卷带自动键合(TAB)倒装芯片连接主要的电路互连方法从芯片压点到引线框架的引线键合压模混合物引线框架压点芯片键合的引线管脚尖Figure20.9

芯片到引线框架的引线键合

Photo20.1

热压键合柱器件压点Figure20.10

在热压键合中,热能和压力被分别作用到芯片压点和引线框内端电极以形成金钱键合.一种被称为毛细管劈刀的键合机械装置,将引线定位在被加热的芯片压点并施加压力.力和热结合促成金引线和铝压点形成键合,称为楔压键合.然后劈刀移动到引线框架内端电极,同时输送附加的引线,在那里用同样方法形成另一个楔压键合点.这种引线键合工艺重复进行,直到所有芯片压点都被键合到它们相应的引线框架内端电极柱上.超声线键合顺序引线楔压劈刀(1)劈刀向上移动导给劈刀更长的引线(3)超声能压力引线框架(4)劈刀向上移动在压点旁将引线折断(5)(2)Al压点

超声能压力芯片Figure20.11

超声键合以超声能和压力作为构成引线和压点间锲压的方式为基础.它能在相同和不同的金属间形成键合.通过在毛细管劈刀底部的孔输送引线并定位到芯片压点上方.钿管针尖施加压力并快速机械振动摩擦,通常超声频率是60KHZ,以形成冶金键合.在这种技术中不加热基座.一旦键合形成,工具移动到引线框架内端电极压点,形成键合,并将引线扯断.这种过程重复进行热超声球键合(2)H2火焰球(1)金丝毛细管劈刀(5)压力和加热形成压点引线框架(6)劈刀向上移动在压点旁将引线折断在压点上的焊球压力和超声能芯片(3)劈刀向上移动并导入更长的引线Die(4)Figure20.12

热超声球键合是一种结合超声振动,热和压力形成键合的技术,被称为球键合.基座维持在约150度.热超声球键合也有一个毛细管劈刀,由碳化钨或陶瓷材料制成,它通过中心的孔竖直输送细金丝.伸出的细丝用小火焰或电容放电火花加热,引起线熔化并在针尖形成一个球.在键合过程中,超声能和压力引起在金丝球和铝压点间冶金键合的形成.球键合完成后,键合机移动到基座内端电极压点并形成热压的楔压键合.将引线拉断,工具继续到下一个芯片压点.引线键合拉力试验柱器件测试中的芯片钩样品卡Figure20.13

卷带式自动键合TAB技术卷带式自动键合(TAB)聚合物条带铜引线Figure20.26

10-3-3倒装芯片倒装芯片是将芯片的有源面（具有表面键合压点）面向基座的粘贴封装技术。这是目前从芯片器件到基座之间最短路径的一种封装设计，为高速信号提供了良好的电连接。由于它不使用引线框架或塑料管壳，所以重量和外形尺寸也有所减小。倒装芯片技术使用的凸点－－通常有5％Sn和95％pb组成的锡/铅焊料，以互连基座和芯片键合压点（见下图）。通常用的焊料凸点工艺被称为C4（可调整芯片支撑的工艺）。倒装芯片封装压点上的焊料凸点硅芯片基座连接管座金属互连通孔Figure20.20

硅片压点上的C4焊料凸点回流工艺金属淀积和刻蚀第二层金属淀积SnPb(3)在回流过程中焊球形成(4)Oxide氮化硅Al压点(1)第三层复合金属Cu-SnCr+CuCr(2)Figure20.21

倒装芯片的环氧树脂填充术关于倒装芯片可靠性的一个重要问题是硅片和基座之间热膨胀系数（CTE）失配。严重的CTE失配将应力引入C4焊接点并由于焊接裂缝引起早期失效。通过在芯片和基座之间用流动环氧树脂填充术使问题得以解决（见下图）。焊料凸点芯片环氧树脂基座Figure20.22

倒装芯片面阵焊接凸点与引线键合

因为倒装芯片技术是面阵技术，它促进了对封装中更多输入/输出管脚的要求。这意味着C4焊料凸点被放在芯片表面的x-y格点上，对于更多管脚数有效利用了芯片表面积。压点周边阵列倒装芯片凸点面阵列Figure20.23

10-4引脚架10-5薄/厚膜技术传统封装IC有许多传统封装形式，封装必须保护芯片免受环境中潮气和沾污的影响及传运时的损坏。IC封装形成了在引线框架上互连到芯片压点的管脚，它们用于第二级装配电路板。芯片压点的间距范围从60～115µm。引线框架电极从该压点间距扇出到用在电路板上更大的压点间距。在早期是普遍的金属壳封装，现在它仍然用于分立器件和SSI。芯片被粘贴在镀金头的中心，并用引线键合到管脚上。在管脚周围形成玻璃密封，一个金属盖被焊到基座上以形成密封。例子是金属TO型（晶体管外形）封装，如图所示。两种最广泛使用的传统IC封装材料是：10-6陶瓷封装10-8塑料封装

10-6陶瓷封装陶瓷封装被用于集成电路封装，特别是目前应用于要求具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况。陶瓷封装有两种方法：耐熔（高熔点）陶瓷；薄层陶瓷。

耐熔陶瓷基座是集成电路封装常用的，它由氧化铝粉和适当的玻璃粉及一种有机媒质混合而构成浆料，浆料被铸成大约1密耳厚的薄片，干化，然后制作布线图案以制成一个多层陶瓷基座（见下图）。用户连线电路被淀积在单层上，用金属化通孔互连不同的层。分层耐熔陶瓷加工顺序陶瓷互连层4层分层Figure20.17

陶瓷针栅阵列（PGA）CourtesyofAdvancedMicroDevices

Photo20.2

PGA被用于高性能集成电路,像高频和具有高达600个管脚的快速微处理器.PGA管壳经常需要一些散热片或小风扇排出管壳内产生的热薄层陶瓷CERDIP（陶瓷双列直插）

封装陶瓷盖玻璃密封陶瓷基座金属管脚环氧树脂和引线框架上的芯片剖面标志槽横截平面Figure20.18

陶瓷封装技术的一种低成本方式是将两个陶瓷件压在一起.引线框架被定位在它们之间.10-7-1TO-型金属封装Figure20.14

10-8塑料封装

从引线框架上去除连接边芯片引线框架连接边连接边去除线Figure20.15

塑料封装种类:双列直插封装(DIP)Figure20.16A

典型有两列插孔式管脚向下弯,穿过电路板上的孔.20世纪70年代和80年代,它的使用正减少塑料封装种类:单列直插封装(SIP)Figure20.16B

是DIP的替代品,用以减小集成电路组件本体所占据电路板的空间,如存储器应用塑料封装种类:薄小型封装(TSOP)

（用于存储器和智能卡）Figure20.16C

具有鸥翼型表面贴装技术的管脚沿两边粘贴在电路板上相应的压点.塑料封装种类:双列存储器模块(SIMM)Figure20.16D

塑料封装种类:四边形扁平封装(QFP)Figure20.16E

外壳四边都有高密度颁布的管脚表面贴装组件塑料封装种类:具有J型管脚的塑料电极芯片载体(PLCC)Figure20.16F

如果不需要过多I/O数,这种封装被采用以替代QFP塑料封装种类:无引线芯片载体(LCC)Figure20.16G

一种电极被管壳周围边缘包起来以保持低剖面的封闭形式.LCC或者插入插槽座或者被直接焊到电路板上.采用插槽座是为了容易现场取下升级或修理终测所有装配和封装芯片都要进行最终电测试以确保集成电路质量。测试与硅片分类时所做的功能测试相同。集成电路芯片处理器要在自动测试设备上进行单个芯片测试。集成电路处理器迅速将每个集成电路插入测试仪的电接触孔。小而有弹性的针，被称为弹簧针，使管壳上管脚实现电接触以便进行电学测试。具有数量多的输入/输出管脚和管壳占面积小的先进集成电路封装对于终测造成挑战。专用的测试固定装置，通常称为接触件或管座，用于进行集成电路管壳上管脚和自动测试仪上接触针之间的电连接（见下图）。为IC管壳准备的测试管座Figure20.19

10-9印刷电路板电子封装常用的电路板可区分为:硬式电路板,软式电路板,金属夹层电路板与射出成型电路板等四种10-9-1硬式印刷电路板10-9-2软式电路板10-9-3金属夹层电路板10-9-4射出成型电路板10-9-5绿漆10-11器件与电路板的接合10-10焊锡与锡膏10-12清洁与涂封10-13新型封装技术先进的集成电路封装设计包括：多芯片模块(MCM)球栅阵列(BGA)芯片尺寸封装(CSP)园片级封装

10-13-1多芯片模块(MCM)封装MCM(Mu1ti—ChipModule)即多芯片组件，它是在混合集成电路(HIC)基础上发展起来的高技术电子产品，是将多个LSI和VLSI芯片和其它元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一封装体内的高密度、高可靠性的电子产品，可以实现系统功能，达到电子产品的小型化、多功能、高性能。MCM基座单个芯片Figure20.27

MCM分类MCM通常可分为五大类，即MCM—L，其基板为多层布线PWB；MCM—C，其基板为多层布线厚膜或多层布线共烧陶瓷；MCM—D，其为薄膜多层布线基板；MCM—C／D，其为厚、薄膜混合多层布线基板；MCM—Si，其基板为Si。以上这些基板上再安装各类Ic芯片及其它元器件，使用先进封装，就制作成各类MCM。10-13-2LOC封装特征与优点:1.引线搭载于IC芯片之上,两者之间再以聚酰亚胺胶带粘结,引脚架的设计较为容易2.舍弃传统的芯片粘结方式,防止脱层,裂隙3.IC芯片接合点可设计在芯片中央或边缘等10-13-3具有球栅阵列（BGA）的芯片

Photo20.3

球栅阵列盖引线

基座金属通孔焊球芯片压点环氧树脂热通孔Figure20.2