第二章 封装工艺流程.ppt.ppt
尹小田,第二章 封装工艺流程,1、封装工艺的流程2、芯片切割3、芯片贴装4、芯片互连5、封装工艺流程的其余步骤,尹小田,1、封装工艺的流程,前段操作（Front End Operation）:用塑料封装之前的工艺步骤,后段操作（Back End Operation）:在塑料封装之后的工艺步骤,封装流程可分成2部分：,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,成型技术即（塑料封装）,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,封装工艺的基本流程：,尹小田,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,成型技术即（塑料封装）,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,硅片的尺寸越来越大，为了方便制造、测试和运送过程，厚度增加。,背面减薄技术有：磨削、研磨、干式抛光(Dry Polishing)、化学机械抛光(chemical mechanicai polishing,CMP)、电化学腐蚀(Electrochemical Etching)、湿法腐蚀(Wet Etching,WE)、等离子增强化学腐蚀(Plasma-Enhanced Chemical Etching，PECE)常压等离子腐蚀(Atmosphere Downstream Plasma Etching,ADPE).,尹小田,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,成型技术即（塑料封装）,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,芯片粘上一层薄膜（称蓝膜），起保护晶圆表面电路的作用。,蓝 膜,尹小田,定义：切割晶圆，将各个芯片分离开。设备：切割机（划片机）,2、芯片切割,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,成型技术即（塑料封装）,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,切割机的刀片一般为脉冲激光束或金钢石，划得边缘整齐，很少有裂口。只是划片时会出现没有划到底的情况，取片时是顶针的顶力把芯片分离的，则端口出现不规则的状态，划片槽业也会有少量微裂纹和凹槽存在。为此开发了先划片后减薄(Dicing Before Grinding,DBG)和减薄划片(Dicing By Thinning,DBT),尹小田,先划片后减薄(Dicing Before Grinding,DBG)：顾名 思义就是先将硅片的正面切割到一定的深度，然后 再进行背面磨削。减薄划片法(Dicing By Thinning,DBT)：先用机械或 化学的方式切割出切口，然后用磨削方法减薄到一 定厚度后，采用ADPE(常压等离子腐蚀)技术去掉 剩余加工量，实现裸芯片的自动分离。,其优点：很好地避免或减小了减薄引起的硅片翘曲以及划片引起的芯片边缘损害，DBT更是能去除硅片背面研磨损伤，并能除去芯片引起的微裂和凹槽。,DBG和DBT,尹小田,3、芯片贴装,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,成型技术即（塑料封装）,定义：又叫芯片粘贴，是将芯片固定于封装基板或引脚架 芯片的的承载座上的工艺过程。设备：贴片机,共晶粘贴法焊接粘贴法导电胶粘贴法玻璃胶粘贴法,芯片粘贴的方式：,尹小田,（1）共晶粘贴法,方法：利用合金反应进行芯片的粘贴。工艺：把芯片置于已经镀了金膜的陶瓷基板的芯片承载 座上，在一定的压力下（附以摩擦或超声），再加热到 共晶点温度，当温度高于共晶温度时，金硅合金融化成 液态的Au-Si共熔体。冷却后，当共熔体由液相变为以 晶粒形式互相结合的机械混合物金硅共熔晶体而全部 凝固，从而形成了牢固的欧姆接触。,1、热氮气防止硅的高温氧化，避免液面润湿性能降低，以免减弱粘贴强度、产生孔隙、热传导质量降低和应力不均。2、芯片背面镀金或植入金-硅预型片利于粘贴强度。3、相互摩擦除去表面硅氧化物。,尹小田,1、芯片和引脚架的膨胀系数严重失配，应力难以解决。2、人工操作，不适合现代生产。,（1）共晶粘贴法的问题,只能使用合金焊料或使用焊膏连接芯片与焊盘粘贴，用于有特殊导电性要求的打功率管中，其它基本不用。,尹小田,方法：利用合金反应进行芯片粘贴。工艺：在热氮气气氛下把芯片背面淀积一定厚度的金或 镍，焊盘上淀积金-钯-银或铜的金属层，用铅-锡合金制作的的合金焊料把芯片焊接在焊盘上。,（2）焊接粘贴法,软质焊料：如铅-锡、铅-银-铟焊料。优点：应力问题小。缺点：使用时必须在芯片背面先镀上类似制作焊锡凸块时的多层金属薄膜以利焊料的润湿。,硬质焊料：如金-硅、金-锡、金-锗焊料。优点：塑变应力值高，具有良好的抗疲劳与抗潜变特性；缺点：难缓和热膨胀系数差异所引起的压力破坏。,尹小田,方法：用填充银的高分子材料聚合物导电胶固化。工艺：把芯片精确置于用针筒或注射器将导电胶（粘贴剂）涂布合适的厚度和轮廓的芯片焊盘上进行固化。,（3）导电胶粘贴法,1、各向同性材料。2、导电硅橡胶。3、各向异性导电聚合物。,导电胶中填充银颗粒或银薄片，因此都是是导电的。目的是：改善胶的导热性，增强散热能力。,不精确会怎样？,导电胶的缺点：热稳定性不好、高温时容易劣化和引发导电胶中有机物气体充分泄漏而降低产品的可靠度，因此不用于高可靠度要求的封装。,尹小田,方法：用高分子材料聚合物玻璃胶进行芯片粘贴。工艺：先以盖印、网印、点胶的技术把胶原料涂布在基板的芯片座中，再把芯片置于玻璃胶上粘贴。,（4）玻璃胶粘贴法,1、多用于陶瓷封装中2、冷却过程谨慎控制降温的速度以免造成应力破裂3、增加热、点传导性能，可以加金属如：箔、银,优点：可以得到无空隙、热稳定性优良的、低结合应力、低湿气含量的芯片粘贴；缺点：胶中有机成分与溶剂必须在热处理时完全去除，以免对封装结构及其可靠度有损害。,尹小田,共晶粘贴法焊接粘贴法导电胶粘贴法玻璃胶粘贴法,芯片粘贴的方式：,粘贴法的比较,1、共晶粘贴应力问题，少用2、前两个都是利用合金反应粘贴芯片，后两个是用高分子聚合物粘贴。3、热稳定性和可靠度不好，不适合高可靠性要求,尹小田,4、芯片互连,硅片减薄,芯片切割,硅片贴装,芯片互连,去飞边毛刺,切筋成形,上焊锡,打码,成型技术即（塑料封装）,定义：把电子外壳的I/O引线或基板上的金线焊区与芯片的焊区相连。设备：打线机,打线键合（Wire Bonding，WB）载带自动键合(Tape AutomatedBonding,TAB)倒装芯片键合（Flip Chip Bonding,FCB）,芯片互连的方式：,尹小田,尹小田,（1）打线键合技术,超声波键合（Ultrasonic Bonding,U/S Bonding）热压键合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)热超声波键合（Thermosonic Bonding,T/S Bonding）,打线键合技术分：,打线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板)互连的过程。商家从成本考虑的角度，90都是使用引线键合技术。,尹小田,超声波键合（U/S Bonding）,方法：用焊接楔头引导金属线使其压紧在金属键合短上，当通过平行于键合点平面的超声振动，振动在垂直键合点平面的压力产生冷焊的效应而完成键合。,优点；键合温度低、键合尺寸较小而导线回绕高度较低，因此适合键合点间距小、密度高的芯片连接；缺点：超声波焊接的连线必须沿着金属线回绕的方向排列，限制了打线速度，因此不利于大面积芯片的电路连线。,常用线材：铝线、金线（铝-硅、铝-镁、铝-镁-硅、铝-铜合金）,尹小田,楔形楔形键合,尹小田,显微镜下的图形,尹小田,超声楔形键合图片,尹小田,楔形键合的键合点的形状,尹小田,（1）打线键合技术,超声波键合（Ultrasonic Bonding,U/S Bonding）热压键合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)热超声波键合（Thermosonic Bonding,T/S Bonding）,打线键合技术分：,打线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板)连接起来的过程。商家从成本考虑的角度，90都是使用引线键合技术。,尹小田,热压键合(T/C Bonding),方法：先穿过毛细管状的金属线末端键合工具（又叫瓷嘴或焊针），然后以电子点火或氢焰把金属线烧断且是线的末端灼烧成球，再用键合工具将金属球下压，进行球形键合。,常用线材：金线,键合工具需预热至300400度,尹小田,尹小田,尹小田,球形楔形键合,尹小田,球形键合的第一键合点的形状,尹小田,球形键合的第二键合点的形状,新月状,尹小田,（1）打线键合技术,超声波键合（Ultrasonic Bonding,U/S Bonding）热压键合(Thermocompression Bonding,T/C Bonding)热超声波键合（Thermosonic Bonding,T/S Bonding）,打线键合技术分：,打线键合就是用非常细小的线把芯片上焊盘和引线框架(或者基板)连接起来的过程。商家从成本考虑的角度，90都是使用引线键合技术。,尹小田,热超声波键合（T/S Bonding）,方法：先再金属线末端成球，再用超声波脉冲进行键合。,热超声波键合是热压键合和超声波键合的混合技术。接合工具不需预热，这样可以抑制键合界面的金属间长成化合物，降低基板的高分子材料因为高温的劣化变形，因此常用于结合难度较高的封装连线。,常用线材：金线,尹小田,（2）载带自动键合技术,TAB,TAB技术：用有引线图形的金属箔丝把芯片焊区与电子封装外壳的I/O或基板上的金属布线焊区互连的工艺技术。,首先在高聚物上做好元件引脚的导体图样，然后将晶片按其键合区对应放在上面，然后通过热电极一次将所有的引线进行批量键合。,尹小田,TAB技术的流程,引脚及载带制作,引脚化载带,凸块化芯片,内引脚接合,封胶保护,电性测试,外引脚接合,测试完成,尹小田,尹小田,TAB技术与WB技术相比的优点：,1、TAB的结构轻、薄、短、小、高度1mm。2、TAB的电极尺寸、电极与焊区的间距比WB大为减小。3、相应可容纳的I/O引脚更多，安装密度更高。4、TAB的引线R、C、L均比WB的小得多，速度更快，高频特性更好。5、采用TAB互连可对IC芯片进行电老化、筛选和测试。6、TAB采用Cu箔引线，导热、导电好，机械强度高。7、TAB焊点键合拉力比WB高3至10倍。8、载带的尺寸可实现标准化和自动化。可规模生产，提高效率，降低成本。,尹小田,TAB技术的关键材料,导电性能好，,尹小田,TAB的关键技术,1、芯片凸点制作技术2、TAB载带制作技术3、载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术以及载带外引线焊接技术。,芯片有钝化保护层，厚度高于键合点，必须在芯片的键合点上或TAB载带的内引脚前端先长成键合凸点。,凸块式载带TAB：在载带内引脚的前端长成台地状金属凸块再键合。后研发成新型技术凸点载带自动焊接技术(BTAB)凸块式芯片TAB：在键合点上长成凸块，在与载带内引脚键合。,TAB,尹小田,尹小田,芯片清洗,粘贴阻挡层,光刻,成像,电镀金凸块,选择性刻蚀,尹小田,TAB的关键技术,1、芯片凸点制作技术,凸点的制作工艺流程（图2.13）：1、清洗 2、在芯片表面镀具有粘着、扩散阻挡和保护功能的多层金属薄膜（阻挡层）；3、光刻成像；4、电镀金凸块；5、除去光刻胶；6、选择性刻蚀除去多层金属膜。,良好的键合力与低接触电阻,防止芯片铝与凸块材料间的扩散,防止凸块底部阻挡层金属的测侵蚀而破坏芯片的铝线和焊垫结构,尹小田,现代凸点工艺之一：置球法,尹小田,现代凸点工艺之一：转移技术,后日本研发了凸块转移技术：先利于光刻、成像、电镀等技术在玻璃基板上长成与载带内引脚前端位置相对应的键合凸块后，把凸块转移到引脚，再进行引脚和芯片的键合，把凸块转移到芯片。注意到：因为制作凸块是在玻璃基板上，而不必在芯片或载带上，所以芯片损伤和成本都降低，而提高了TAB技术的可靠性和标准化的通用性。,尹小田,TAB的关键技术,2、TAB载带制作技术,TAB载带的分类和制作工艺,Cu箔单层带：Cu-PI双层带：Cu-粘贴剂-PI三层带：Cu-PI-Cu双金属带：,先冲制出标准的定位传输孔后清洗Cu箔，一面涂光刻胶，进行光刻、曝光、显影，背面涂胶后腐蚀、去胶、电镀和退火处理。,先金属箔和PI粘贴后，进行两面光刻、腐蚀、去胶、电镀和退火处理。,PI-粘贴剂-Cu箔粘贴后，单面光刻、腐蚀、去胶、电镀和退火处理。P33(1-6点),将PI冲压出引线图形的支撑框架后，双面粘贴Cu箔，双面光刻等，通孔互连。,各TAB载带的特点：,成本的，制作工艺简单，耐热性能好，但不能进行老化筛选测试芯片。,成本低、可弯曲、设计自由灵活，耐热性能好，可进行老化筛选测试芯片。,可制作高精度图形，用于批量生产，可进行老化筛选测试芯片。工艺复杂，成本高。,用于高高频器件，可改善信号特性。,尹小田,TAB的关键技术,3、载带内、外引线焊接技术,内引线焊接技术：指载带引线图形的前端（内引线）与芯片凸点的焊接。,外引线焊接技术：指载带外引线与外壳或基板焊区的焊接。,热压焊：热压再流焊：,适用于凸点的成分和引线镀的金属类型相同的时候。如：Au、Au/Ni、Au/Cu,适用于凸点的成分和引线镀的金属类型不相同的时候。Au、Au/Ni、Au/Cu与Pb/Sn,焊接工艺：对位、焊接、抬起、传送；焊接条件：温度、压力、时间。,尹小田,TAB的关键技术,3、载带内、外引线焊接技术,热压头载带导杆载带芯片粘着剂输送带,尹小田,TAB的关键技术,3、载带内、外引线焊接技术,尹小田,内引线焊接技术后，需要进行封胶老化、筛选和测试，剔除不合格芯片，选出KGD，再进行外引线焊接,TAB的关键技术,3、载带内、外引线焊接技术,尹小田,尹小田,（3）倒装芯片键合技术,FCB,也叫反转式芯片互连或控制坍塌芯片互连(Controlled Collapse Chip Connection,C4)，它是芯片朝下，芯片焊区与基板焊区通过凸点直接互连的一种方法。1965年由IBM公司研发。C4技术的凸缘是用电子束、溅射等工艺，把UBM或BLM沉积在芯片的铝焊盘上进行制备。FCB实质就是在芯片互连的地方制作出凸点。,通过芯片上的凸点（铅锡、Au、Ni或者导电聚合物）直接将芯片面朝下用焊料或者导电胶互连到基板(载体/电路板)上的一种工艺技术“倒装”是相对于引线键合而言。,从结构上就可以得出以下FCB的特点：1、省略互连线，互连电容、互连电感和互连产生的杂散电容较小，利于高频高速得电子产品的应用。2、芯片安装互连站的基板面积小，使安装密度提高。3、安装互连同时完成，简化了互连工艺，快速省时，适合现代批量生产。4、焊点不能直接检查。5、制作凸点，工艺和成本增加。,尹小田,FCP,普通,尹小田,尹小田,芯片凸点的类别和制作工艺,芯片凸点的分类：按凸点的材料分：Au凸点、Ni/Sn凸点、Cu凸点、Cu/Pb-Sn凸点、In凸点、Pb/Sn凸点；按凸点的结构分：周边型、面阵型；按凸点的形状分：蘑菇状、直状、球状、叠层。,芯片凸点的制作方法有：蒸发/溅射凸点制作法、电镀凸点制作法、置球及模版印刷制作焊料凸点法、化学镀凸点制作法、打球凸点制作法、激光法、移置法、叠层制作法及柔性凸点制作法。,FCB关键是制作凸点。,蒸发/溅射法：先制作掩膜板，安装好后蒸发/溅射各金属层，光刻出凸点。特点：设备贵、成本高、效率低、少用。电镀凸点法：淀积Ti-W-Au多层金属层后，光刻，电镀，去胶。特点：工艺成熟、简单易行、过程少、最普遍应用。置球及模版印刷法：形成多层金属层，用掩膜板定位放置焊料球/印制焊膏，再流焊。特点：工艺简单、成本低、模版精度要求高。,尹小田,FCB的基板,基板：可以是厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷、Si基板、PCB环氧树脂基板。而且单层多层均可。,FCB互连基板的金属焊区制作：用“蒸发/溅射光刻电镀”方法制作Ag/Pd、Au、Cu（厚膜工艺）和Au、Ni、Cu（薄膜工艺）金属层；,只要芯片的凸点与基板上层的金属焊区上一一对应，且有良好的压焊或焊料润湿特性。,尹小田,FCB的工艺方法：,热压焊倒装焊法：再流倒装焊法：环氧树脂光固化FCB法：各向异性导电胶粘贴FCB法：,专对各类Pb/Sn焊接凸点进行再流焊接，即是C4技术,用于硬凸点、Ni/AuCu凸点、CuC凸点、Cu/Pb-S凸点的FCB。工艺：凸点与基板焊区对准压焊,特点：可与陶瓷/Si基板和PCB板上的金属焊区互连。C4芯片凸点用高溶点焊料，PCB焊区用低溶点焊点，倒装焊再流时，C4凸点不变形，可弥补基板缺陷产生的焊接问题。Pb/Sn焊料熔化再流，表面张力回产生“自对准”效应，倒装焊时的对准精度要求大为降低。可用SMT贴装设备再PCB上贴装焊接凸点芯片，从而达到工业规模生产的目的。,尹小田,FCB的工艺方法：,环氧树脂光固化FCB法：各向异性导电胶粘贴FCB法：,是一种微米凸点倒装焊接，利用光敏材料树脂固化产生的收缩力将凸点与基板上的金属焊区牢固地互连在一起，像是机械接触，因此又叫机械接触法。,工艺：在基板上涂光敏树脂凸点与焊区对位贴装加紫外光和加压进行光固化,材料：树脂为丙烯基系条件:UV500mW/cm2，t=35s，压力15g/点,工艺特点：工艺简单，设备投资不贵，成本低，有发展前途,ACA用于各种液晶显示器与芯片的互连。,工艺：在基板上涂附ACA 凸点与基板焊区对位加压使ACA固化。,技术发展问题的解决：横向不导电，但是随着尺寸缩小，横向上会出现短路导电的问题。后在凸点间的基板上制作“绝缘堤坝”阻止横向导电，设置尖峰状的绝缘介质就是一种方法。,尹小田,FCB的填充料,倒装焊接后，常在芯片和基板间填充环氧树脂。,对环氧树脂的要求：1、无挥发性；2、尽可能减小应力失配；3、固化温度低；4、填充颗粒尺寸小于芯片和基板间的间隙；5、粘滞性低，流动性要好；6、弹性模量高；7、绝缘电阻高；8、抗化学腐蚀力强。,作用：保护芯片免受环境影响，耐受机械振动和冲击。减小芯片与基板间热膨胀失配的影响，起到缓冲作用。并减小芯片凸点连接处应力和应变过于集中，提高可靠性。,工艺：把倒装芯片基板加热到7075度，利于L形注射器把填充料沿芯片边缘双向注射调料。,尹小田,FCB小结,FCB技术实质是关键凸点的制作技术，制作完后要求芯片的凸点与基板上层的金属焊区上一一对应，且有良好的压焊或焊料润湿特性。,优点：1、省略互连线、互连电容、电阻、电感小，适合高频、高速元器件；2、占基板的面积小，安装密度高；3、芯片焊区可面分布，适合高I/O器件；4、安装和互连同时进行，工艺简单、快速，适合SMT工业化大批量生产。,缺点：1、需要精选芯片；2、安装互连工艺操作有难度，焊点检查困难；3、凸点制造工艺复杂，增加芯片制作工艺成本；4、材料间匹配性生产周期加长，且测试发现散热能力有提高。,尹小田,尹小田,5、封装工艺流程的其余步骤,定义：即是封装，把芯片与引线框架封装成型。,塑料封装技术金属封装技术陶瓷封装技术,转移成型技术(Transfer Molding)喷射成型技术预成型技术,转移成型技术(Transfer Molding),材料：热固化性聚合物，指低温时聚合物是塑性或流动的，加热到一定温度时，发生交联反应，形成刚性固体。再加温，聚合物也可能变软而不能熔化、流动。,工艺：把粘贴和互连后的芯片框架置于模具中，,成型技术,尹小田,5、封装工艺流程的其余步骤,去飞边毛刺,飞边毛刺现象：塑料封装中塑料树脂出现溢出、贴带毛边、引线毛刺等现象。,上焊锡,对封装后框架引脚的处理，为引脚做保护性镀层，以增引脚可焊性。有电镀和浸锡2种方法,工艺：电镀：清洗电镀槽电镀冲洗吹干烘箱中烘干。浸锡：清洗浸泡在助焊剂中浸入熔融铅锡合金镀层。,尹小田,5、封装工艺流程的其余步骤,切筋成形,切筋成形：切除框架外引脚间的堤坝以及在框架上连在一起的地方，把引脚弯成一定的形状。,打码,在封装模块的顶面印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识，包括制造商的信息、国家、器件代码等。,元器件的装配,分波峰焊和回流焊，回流焊普遍应用。,终测、引脚检查、包装,尹小田,尹小田,The End,
