芯片贴装与芯片互连

1、芯片贴装与芯片互连,概述,半导体器件至电子设备,性能实现 利用光刻制版等加工制作，开发材料的电子功能,可靠性 对元件进行包覆、连接、封入元件盒，引出端子，完成封装体,系统性能 封装体与基板连接、装配成完整设备,前工程操作：1000净化级别 净化级别：尘埃最多允许数/立方米,在半导体器件制作过程中，有前工程和后工程之分，二者以硅圆片wafer切分成芯片chip为界，在此之前为前工程，在此之后为后工程,IC制备流程,1961，菲尔查德在硅晶片上制造的第一个集成电路,概述,单晶硅棒,第二章 芯片贴装与芯片互连,2.1 芯片制备 2.2 芯片贴装 2.3 芯片互连,2.1 芯片制备,2.1 芯片制备,

2、晶圆制备 生硅的制备,2.1 芯片制备,硅的提纯,2.1 芯片制备,晶圆制备,硅的提纯,2.1 芯片制备,晶圆制备 晶体生长技术：区熔法,2.1 芯片制备,晶圆制备,晶棒制备 晶体生长技术：布里曼生长法；CZ直拉法,优点：工艺成熟，投量量； 适于生长大直径单晶； 缺点：不可避免来自坩埚及 加热棒的污染.,2.1 芯片制备,晶棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备,晶棒制备,2. 芯片制备,晶圆制备 硅棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备 硅棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备 晶圆切片,多线切割机,2.1 芯片制备,晶圆制备 晶圆尺寸,使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理

3、器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心。,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 临时性地涂覆光刻胶到硅片上； 把设计图形最终转移到硅片上； IC制造中最重要的工艺； 占用40-50%的芯片制造时间； 决定着芯片的最终尺寸.,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 涂胶,预处理：六甲基乙硅氮烷,光阻剂在曝光（一般是紫外线）后可以被特定溶液（显影液）溶解,前烘,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 曝光,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 显影,正性光刻胶,乙烯酮,茚并羧酸,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 湿法刻蚀,干法刻蚀,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 刻蚀多晶硅,2.1 芯片制备,

4、光刻与刻蚀工艺 离子注入,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺,2.1 芯片制备,芯片切割,DBG法（先划片后减薄）,2.1 芯片制备,芯片切割,2.1 芯片制备,芯片切割,2.2 芯片贴装,芯片贴装（die mount/bonding/attachment) 目的：实现芯片与底座（chip carrier）的连接. 要求： 机械强度 化学性能稳定 导电、导热 热匹配 可操作性,2.2 芯片贴装（die mount),2.2.1 共晶粘贴法 2.2.2 焊接粘贴法 2.2.3 导电胶粘贴法 2.2.4 玻璃胶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.1 共晶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.1 共晶粘贴法

5、 润湿性的重要性； 预型片的使用（Au-2%Si合金）；,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。,2.2 芯片贴装,2.2.2 焊接粘贴法 所用气氛：热氮气 工艺优点：热传导性好,所用材料 硬质焊料：金-硅、金-锡、金锗； （塑变应力高，抗疲劳抗潜变特性好） 软质焊料：铅-锡、铅-锡-铟.,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法 芯片粘结剂： 环氧树脂；聚酰亚胺；硅氧烷聚酰亚胺。 填充料： 银颗粒或者银薄片（75-80%） 使用考虑因素： 流动性；粘着性；热传导性

6、；电导性；玻璃化转变温度；吸水性.,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法 三种导电胶： （1）各向同性材料； （2）导电硅橡胶； （3）各向异性导电聚合物。 共同点：表面形成化学结合和导电功能。,2.2 芯片贴装,2.2.4 玻璃胶粘贴法,类似于银浆粘接技术，主要用于陶瓷封装需 要严格控制烧结温度. 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。,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 2.3.2 载带自动键合技术(TAB) 2.3.3 倒装芯片键合技术(FCB/C4),芯片焊区,芯片互连,I/O引线,半导体

7、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！,2.3 芯片互连,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 主要的打线键合技术： .,楔形接点,球形接点,超声波键合； 热压键合; 热超声波键合,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),频率：20-60kHz； 振幅：20-200m；,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),热压的作用？,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) （1）超声键合（冷焊） 摩擦产生塑性变形，两方金属键合。 通过铝丝的连接都采用超声键合. (

8、2)热压焊 破坏压焊界面的氧化层； 金属丝和焊区金属达到原子力范围之内。 （3）热超声键合,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 打线键合的线材 铝线：铝-1%硅合金； 0.5-1%镁的铝线； 铝镁硅合金或铝铜合金. 金线： 含5-100ppm 铍 含30-100ppm 铜 其他线材： 银线，铜线,PCB或封装不能加热 的情况之下； 间距小于60 micron.,用量超过90% 间距大于60micron。,Au丝和铝丝：最好和焊区金属相同,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 键合拉力测试,2.3 芯片互连,2.3

9、.1 打线键合技术(WB) 键合剪切力测试,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术（TAB） 在带状绝缘膜上载有覆铜箔刻蚀而形成的引线框架，而且芯片也可以载于其上。 带状绝缘膜一般聚酰亚胺制作，其两边设有与电影胶片相统一的送带孔，适合于批量生产。,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 TAB的优点： 封装高度低于1mm； 引脚数更高：10mm的芯片，WB300个，TAB500个， 引线电阻、电容、电感均比WB小，高速、高频性能好 键合力比WB高3-5倍 自动化焊接，同时多个焊接,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2

10、.3.2.1 TAB技术的关键材料 2.3.2.2 TAB的关键技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB技术的关键材料 基带材料：聚酰亚胺（PI），聚乙烯对本二甲酸酯，苯并环丁烯 金属材料：主要是铜箔，少数是铝箔 导电、导热，强度、延展性好，与各种基带粘结牢固，光刻法制作精细图形； 铜箔一般为几十个微米（18、35、70），有电解箔和轧制箔； 芯片凸点金属材料,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.2 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,光刻胶做掩膜,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.2 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.2 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,凸块转移技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （2）TAB载带制作技术 单层带（Cu箔）-工艺简单； 热稳定性好，价位低；不能做电性测试，容易变形。 双层带（Cu-PI双层）； 高温稳定性好，可作电性测试，电性能优良；价位高，亦弯曲，容易变形。 三层带（Cu-粘贴剂-PI）-最