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集成电路芯片封装技术.doc

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Poppy金金 2017-09-19 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《集成电路芯片封装技术doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含引线键合应用范围:低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法,用于下列封装::、陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片、陶瓷和塑料(C符等。

引线键合应用范围:低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法,用于下列封装::、陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片、陶瓷和塑料(CerQuadsandPQFPs)、芯片尺寸封装(CSPs)、板上芯片(COB)硅片的磨削与研磨:硅片的磨削与研磨是利用研磨膏以及水等介质在研磨轮的作用下进行的一种减薄工艺在这种工艺中硅片的减薄是一种物理的过程。硅片的应力消除:为了堆叠裸片芯片的最终厚度必须要减少到了μm甚至以下。用于D互连的铜制层需要进行无金属污染的自由接触处理。应力消除加工方法主要有以下种。硅片的抛光与等离子体腐蚀:研磨减薄工艺中硅片的表面会在应力作用下产生细微的破坏这些不完全平整的地方会大大降低硅片的机械强度故在进行减薄以后一般需要提高硅片的抗折强度降低外力对硅片的破坏作用。在这个过程中一般会用到干式抛光或者等离子腐蚀。干式抛光是指不使用水和研磨膏等介质只使用干式抛光磨轮进行干式抛光的去除应力加工工艺。等离子腐蚀方法是指使用氟类气体的等离子对工件进行腐蚀加工的去除应力加工工艺。TAIKO工艺:在实际的工程应用中TAIKO工艺也是用于增加硅片研磨后抗应力作用机械强度的一种方法。在此工艺中对晶片进行研削时将保留晶片外围的边缘部分(约mm左右)只对圆内进行研削薄型化通过导入这项技术可实现降低薄型晶片的搬运风险和减少翘曲的作用如图所示。激光开槽加工:在高速电子元器件上逐步被采用的低介电常数(Lowk)膜及铜质材料由于难以使用普通的金刚石磨轮刀片进行切割加工所以有时无法达到电子元件厂家所要求的加工标准。为此迪思科公司的工程师开发了可解决这种问题的加工应用技术。减少应力对硅片的破坏作用 先在切割道内切开条细槽(开槽)然后再使用磨轮刀片在条细槽的中间区域实施全切割加工。通过采用该项加工工艺能够提高生产效率减少甚至解决因崩裂、分层(薄膜剥离)等不良因素造成的加工质量问题。DFL将短脉冲激光聚焦到晶片表面后进行照射。激光脉冲被Lowk膜连续吸收当吸收到一定程度的热能后Lowk膜会瞬间汽化。由于相互作用的原理被汽化的物质会消耗掉晶片的热能所以可以进行热影响极少的加工。GaAs化合物半导体的薄型晶片切割:GaAs晶片因为材料比较脆在切割时容易发生破裂或缺损所以难以提高通常磨轮刀片切割的进给速度。如果利用激光全切割技术加工进给速度可以达到磨轮刀片切割进给速度的倍以上从而提高生产效率。(进给速度仅为一例。实际操作时因加工晶片的不同会有所差异。)采用激光全切割工艺加工后的切割槽宽度小与刀片相比切割槽损失少所以可以减小芯片间的间隔。对于为了切割出更多小型芯片而致使加工线条数增多的化合物半导体晶片而言通过减小芯片间的间隔可以提高枚晶片中可生产的芯片数量。DBG+DAF激光切割:DBG(DicingBeforeGrinding): 这种技术将传统的“背面研削晶片切断”的工艺倒过来先将晶片半切割然后利用背面研削进行芯片分割。DAF(DieAttachFilm): 这是一种薄膜状的接合材料用于薄型芯片叠层等。DBG+DAF激光切割的工艺:将DBG加工后的晶片转放到框架上剥离掉表面保护胶带后从晶片表面一侧对DAF进行全切割。晶片已经分离成了芯片所以就可以从芯片间照射激光只将DAF切断。DAF激光切割的优点:、可改善DAF的加工质量采用激光切割技术可以抑制采用磨轮刀片切割DAF时产生的毛边。、能够进行高速切割提高生产效率 与磨轮刀片切割相比可以提高DAF全自动切割时的加工速度。、利用特殊校准可以解决芯片错位问题隐形切割技术:隐形切割是将激光聚光于工件内部在工件内部形成改质层通过扩展胶膜等方法将工件分割成芯片的切割方法。切割步骤:激光切割在硅片内部形成改质层 扩展粘贴硅片的蓝膜使得硅片分离开共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象共晶合金直接从固态变到液态而不经过塑性阶段是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。其熔化温度称共晶温度。共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下所有成分的融合。在大多数例子中共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差。为什么不用单一金属?(热导率更好)因为热膨胀系数不匹配共晶粘贴材料:常见的组合为AuSi和AuSn共晶粘贴的其他方法(AuSn):见图共晶粘贴(电镀法):电镀AuSn多层结构另一种可选择的蒸发AuSn多层结构的方法是使用电镀淀积元素层。为了达到这种类型的结构衬底将来回“穿梭”于一个金电镀槽和锡电镀槽。在淀积步骤以后层在共熔温度下()经过典型的退火来达到互混合。电镀的一个优势是能够只在导电材料或者通过一个图形化的光掩膜来淀积层。这使得非常昂贵的AuSn在需要图形化层的时候可以很有效的被利用。共晶粘贴法(蒸发法):AuSn蒸发蒸发工艺中在一个高真空的腔室内坩埚内容纳的淀积材料暴露在电子束下被蒸发。所蒸发的金属于是就淀积在一个悬空于坩埚上方的衬底上。由于蒸发工艺并不是高度方向性的淀积同样也会发生在腔室的壁上。通过在电子束下持续旋转多个坩埚不同材料的层能够在同一轮工艺中被淀积。蒸发的一个主要的优势是它的高淀积速率金淀积速率mm秒是个典型的例子。这将使大的衬底正面金属化获得理想的淀积在此高淀积速率是个优势淀积并不针对特定的区域。除此之外衬底在淀积工艺中要旋转使得在一个mm的晶圆上厚度均匀性偏差小于。共晶粘贴注意事项:在塑料封装中此方法难以消除IC芯片与铜引脚架之间的应力故使用较少。这是由于芯片、框架之间的热膨胀系数(CoefficientofThermalExpansion,CTE)严重失配且应力又无处分散所以合金焊料贴装可能会造成严重的芯片开裂现象。由于AuSi共晶合金焊接是一种生产效率很低的手工操作方法不适应高速自动化生产。因而只在一些有特殊导电性要求的大功率管中使用合金焊料或使用焊膏(SolderPaste)连接芯片与焊盘贴装其他情况应用得很少。各向异性导电胶(ACA)与传统锡铅焊料相比具有很多优点。首先适合于超细间距可低至μm比焊料互连间距提高至少一个数量级有利于封装进一步微型化其次ACA具有较低的固化温度与焊料互连相比大大减小了互连过程中的热应力和应力开裂失效问题因而特别适合于热敏感元器件的互连和非可焊性表面的互连第三ACA的互连工艺过程非常简单具有较少的工艺步骤因而提高了生产效率并降低了生产成本第四ACA具有较高的柔性和更好的热膨胀系数匹配改善了互连点的环境适应性减少失效第五节约封装的工序第六ACA属于绿色电子封装材料不含铅以及其他有毒金属。由于上述的一系列优异性能使得细间距而ACA技术迅速在以倒装芯片互连的IC封装中得以广泛地应用。特别是许多电子长期用液晶显示屏作为人机信息交换的界面如个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)、移动电话、游戏机、笔记本电脑等产品其内部的IC连接大部分都是通过ACA或者ACF(ACFanisotropicconductiveadhesivefilm各向异性导电膜ACA的一种形式)互连的即COG(ChiponGlass)和COF(ChiponFlex)两种互连技术。芯片粘贴方法的不同:共晶粘贴法:高功率器件需要高速散热成本很高。(如高功率晶体管LaserLED显示陶瓷封装)焊接粘贴法:普遍使用的粘贴方法散热快大功率器件(cpu塑料封装)导电胶粘贴法:导电胶粘贴法的缺点是热稳定性不好、容易在高温时发生劣化及引发粘贴剂中有机物气体成分泄漏而降产品的可靠度因此不适用于高可靠度的封装。玻璃胶粘贴法:玻璃胶粘贴法的优点为可以得到无空隙、热稳定性优良、低接合应力与低湿气含量的芯片粘贴它的缺点为胶中的有机成分与溶剂必须在热处理时完全去除否则对封装结构及其可靠度将有所损害。(陶瓷封装)导线键合应用范围:低成本、高可靠、高产量等特点使得它成为芯片互连的主要工艺方法用于下列封装::•陶瓷和塑料BGA、单芯片或者多芯片  •陶瓷和塑料(CerQuadsandPQFPs)•芯片尺寸封装(CSPs) •板上芯片(COB)三种键合(焊接)机理:超声焊接:利用超声波(~KHz)发生器使劈刀发生水平弹性振动同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦引线受能量作用发生塑性变形在ms内与键合区紧密接触而完成焊接。常用于Al丝的键合。键合点两端都是楔形。热压焊:利用加压和加热使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围从而达到键合目的。基板和芯片温度达到约 C 常用于金丝的键合一端是球形一端是且楔形常用于金丝的键合。热声焊:用于Au和Cu丝的键合。它也采用超声波能量但是与超声不同点的是:键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。外加热量的目的是激活材料的能级促进两种金属的有效连接以及金属间化合物(IMC)的扩散和生长。球形键合: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态由于表面张力的作用而形成球状在摄像和精密控制下劈刀下降使球接触晶片的键合区对球加压使球和焊盘金属形成冶金结合完成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到达第二个键合点(焊盘)时利用压力和超声能量形成月牙式焊点劈刀垂直运动截断金属丝的尾部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。楔形键合:其穿丝是通过楔形劈刀背面的一个小孔来实现的金属丝与晶片键合区平面呈~的角度当楔形劈刀下降到焊盘键合区时劈刀将金属丝按在其表面采用超声或者热声焊而完成键合。劈刀常常是通过氧化铝或者碳化钨进行粉末烧结而成。对于一些单一用途的工具也可以用玻璃、红宝石和碳化钛来代替键合头镀层光滑涂层 •较长的使用寿命•要进行抛光•使得第二键合点光亮•减少金属的残留和聚集粗糙的涂层•仅仅内斜面抛光•第二键合点强度高•第一键合点光亮 •提高超声能作用TAB优点:半导体上芯片的键合只需较少的键合区域比丝焊更小的焊区间距。这就在节约了芯片面积的同时使得芯片间的互连可容纳更多的终端(最高可达到左右)。 相对于普通的组装而言外引线键合对电路板的空间要求要少的多也要比丝焊芯片互连要求的空间小。组装比丝焊更简单也更快。 每个键合区域的金凸点给下面的Al金属镀层提供了一个密封的空间。这降低了被腐蚀的可能性提高了可靠性。因此TAB适用于不需要另外包装的场合。(上面提及的环氧树脂滴注还是最常用的)。 丝焊每次只能键合一个焊点而群体焊操作起来的效率则高得多并且有更高的产品收益。 TAB载带还可以用作单独的灵活的(flexible)小印刷电路板在小印刷电路板上同样可以组装其它元件。TAB缺点:它要求非标准的的Si芯片工艺(沉积金凸点)。 它要求特殊的载带与导体图案之间的装配这很昂贵而且费时。 PCB上的组装要求专门的设备每个不同几何图案的组件要有专门的工具。对每个组件进行单独组装焊接不仅浪费时间而且昂贵。 对印刷电路板进行修理(替换一个缺陷元件)要求很苛刻 很少标准电路可用于TAB形式。很少有公司在中间商的基础上提供产品 有关尺寸与加工的标准很少这就增加了成本倒装芯片优点:小尺寸:小的IC引脚图形(只有扁平封装的%)减小了高度和重量。功能增强:使用倒装芯片能增加IO的数量。IO不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达个。性能增加:短的互连减小了电感、电阻以及电容保证了信号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道提高了可靠性:大芯片的环氧填充确保了高可靠性。倒装片可减少三分之二的互连引脚数。提高了散热热能力:倒装芯片没有塑封芯片背面可进行效的冷却。低成本:批量的凸点降低了成本。倒装芯片缺点:裸芯片很难测试、凸点芯片适应性有限、随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术面临挑战、必须使用X射线检测设备检测不可见的焊点、和SMT工艺相容性较差、操作夹持裸晶片比较困难、要求很高的组装精度、目前使用底部填充要求一定的固化时间、有些基板可靠性较低、维修很困难或者不可能什么是导线键合:用金属丝将芯片的IO端与对对应的封装引脚或者基板上布线焊区互连固相焊接过程采用加热、加压和超声能破坏表面氧化层和污染产生塑性变形界面亲密接触产生电子共享和原子扩散形成焊点键合区的焊盘金属一般为AL或者AU等金属细丝是直径为几十到几百微米的AU,AL,或者SIAL丝

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