ppt微电子封装技术讲义06.07[1].ppt

封装技术,微电子,第一章：绪论第二章：微电子封装的分类第三章：微连接原理第四章：微连接技术第五章：插装元器件与表面安装元器件的封装技术第六章：BGA和CSP封装技术第七章：多芯片组件(MCM)第八章:未来封装技术展望,目录,第一章：绪论,1.1 概述 1.1.1 微电子封装的定义 1.1.2 电子封装的作用和重要性 1.1.3 封装工艺1.2 微电子技术相关知识 1.2.1 微电子技术促进封装的发展 1.2.2 微电子技术的专业用语 1.2.3 集成电路芯片设计目的 1.2.4 集成电路的分类 1.2.5 芯片制造的主要工艺 1.2.6 半导体集成电路的特点1.3 电子封装技术的级别 1.3.1 零级封装技术（芯片互连级）1.3.2 一级封装技术 1.3.3 二级封装技术 1.3.4 三级封装技术1.4 国内外微电子封装技术发展现状,1.1 概述,1.1.1 微电子封装的定义 微电子封装的定义：所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。（科学的定义）“封装”这个词用于电子工程的历史并不很久。在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装或装配”。当时还没有“封装”这一概念。,狭义的封装技术可定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素，在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。（最基本的）广义的电子封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为能适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术。（功能性的）,当前中国计算机、数字电视、手机、数码相机等产品需求的集成电路芯片数量非常巨大，信产部软件与集成电路促进中心发布的2004年度中国集成电路企业发展状况及IP现状调研报告中指出，中国具有的巨大集成电路市场空间吸引着国外大量的一流公司来华投资，因此，几乎所有的核心技术都掌握在外国公司手里。中国集成电路设计企业总数有460多家，依然缺乏核心的竞争力及市场手段。,1.1.2 电子封装的作用和重要性,一般来说，电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能。即:(1)为半导体芯片提供机械支撑和环境保护；(2)接通半导体芯片的电流通路；(3)提供信号的输入和输出通路：(4)提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本。同时，电子封装对系统的小型化常起着关键作用。因此，集成电路和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能。同时必须具有高的可靠性和低的成本。可以说，无论在军用电子元器件中，或是民用消费类电路中，电子封装具有举足轻重的地位。电子封装不仅影响着信息产业及国民经济的发展，乃至影响着每个家庭的现代化。电子封装的作用和地位如此重要。要使信息产业发展，必须重视电子封装技术的重要性。,微电子封装的技术要求,1、电源分配：微电子封装首先要通过电源，使芯片与电路能流通电流。还有不同部件所需的电源也不同，因此，将不同部件的电源分配恰当，以减少电源的不必要损耗，这一点尤为重要。2、信号分配：为使电信号延迟尽可能减小，在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及通过封装的I/O引出的路径达到最短。对于高频信号，还应考虑信号的串扰，以进行合理的信号分配布线和接地线分配。3、机械支撑：微电子封装为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑，并能适应各种工作环境和条件的变化。,4、散热通道：各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果，对于功耗大的微电子器件封装，还要考虑附加的散热方式，以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。5、环境保护：半导体器件和电路的许多参数，以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体器件和电路制造过程中的许多工艺措施也是针对半导体表面问题的。半导体芯片制造出来后，在没有将其封装之前，始终都处于周围环境的威胁之中。在使用中，有的环境条件极为恶劣，必须将芯片严加密封和包封。所以，微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。,1.1.3 封装工艺,一、封装前晶片的准备（1）晶片打磨（2）背部镀金二、划片 划片有两种方法：钻石划片分离和锯片分离（1）钻石划片法：钻石划法是第一代划片技术。此方法要求晶片在精密工作台上精确地定位，然后用尖端镶有钻石的划片器从划线的中心划过。划片器在晶片表面划出了一条浅痕。晶片通过加压的圆柱滚轴后芯片得以分离。当滚轴滚过晶片表面时，晶片沿着划痕线分离开。当晶片超过一定厚度时，划片法的可靠性就会降低。,封装的步骤主要有贴膜、贴片、划片、键合等。,（2）锯片法：厚晶片的出现使得锯片法的发展成为划片工艺的首选方法。此工艺使用了两种技术，并且每种技术开始都用钻石锯片从芯片划线上经过。对于薄的晶片，锯片降低到晶片的表面划出一条深入1/3晶片厚度的浅槽。芯片分离的方法仍沿用划片法中所述的圆柱滚轴加压法。第二种划片的方法是用锯片将晶片完全锯开成单个芯片。,键合,装片,划片,贴片,卸膜,来料检查,清洗,贴膜,磨片,键合检查,塑封,后烘,电镀,打标,切筋打弯,包装,品质检验,产品出贷,切筋检验,一般封装工艺框图,具体封装工艺流程如下：,用高倍显微镜检查具有图形矩阵的硅片/芯片在制造和搬运过程中产生的缺陷。,来料检查 lncoming lnspection,磨片之前，在硅片表面上贴一层保护膜以防止在磨片过程中硅片表面电路受损，在划片之前，会去除此保护膜。,贴膜 TapeAttaching,对硅片背面进行减薄，使其变得更轻更薄，以满足封装工艺要求。,磨片 Backgrinding,在将硅片切割成单个芯片之前，使用保护膜和金属框架将其固定。,贴片 Wafer Mounting,将硅片切成单个的芯片，并对其进行检测，只有切割后经过检测合格的芯片可进入下道工序。,划片 Dicing,将切割好的芯片从划片贴膜上取下，将其放到引线框架或封装衬底（或基座）条带上。,装片 Die Attaching,用金线将芯片上的引线孔和框架衬垫上的引脚连接，使芯片能与外部电路相连。,键合 Wire Bonding,塑封元件的线路，以保护元件免受外力损坏，同时加强元件的物理特性，便于使用，塑封后的芯片要对塑封材料进行固化，使其有足够的硬度和强度经过整个封装过程。同时，使用铅或锡等电镀材料进行电镀，防止引线框架生锈或者受到其他污染。,塑封 Molding,根据客方的需要，使用不同的材料在封装的表面进行打印标记，用于识别。,打标 Marking,去除管脚根部多余的塑膜和管脚连接边，并将引线弯曲。,切筋打弯 Trimming&Forming,封装好的芯片最后要经过品质检验合格才能出货。,品质检验 Quality Assurance,产品出货 Shipping,1.2 微电子技术相关知识,1.2.1 微电子技术促进封装的发展,微电子技术的迅猛发展,集成电路复杂度的增加,一个电子系统的 大部分功能都可集成在一个单芯片内(即片上系统),这就相应的要求微电子封装具有更高的性能、更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸或更大的芯片、受命晚大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。芯片尺寸的增大要求封装内腔扩大；片频率的提高（每年平均提高约18%）要求封装电性能不断改善,否则器件的最高工作频率将受限于封装;单片功耗的增大要求封装散热性能提高;电源电压的不断减小,要求引线承受电流的能力提高或电源引线数增加.为了提高整机的封装密度，适应整机小型化的需要，封装的高度也在不断降低。总之微电子技术的不断发展和整机市场的强烈需求，正在促使微电子封装数量和产值不断提高，技术不断发展。,1.2.2 微电子技术的专业用语 一、晶圆(晶片，wafer)：多指单晶硅圆片，由普通硅沙拉制提炼而成，是最常用的半导体材料，按其直径一般分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格,近来的趋势要向18英寸规格发展。现在也有用毫米(mm)来说它的规格的,那么12英寸差不多是300mm。硅圆片越大，同一硅圆片上可生产的IC就多，可降低成本，硅圆片直径越大,其经济性能就越优越。但对材料技术和生产技术要求更高。我国与国外技术之相差约为2-3代。,芯片密度从SSI发展到ULSI的进步推动了更大尺寸芯片的开发。分立器件和SSI芯片边长平均约为100mils（0.1英寸），而ULSI芯片每边长为500mils（0.5英寸）或更大。IC是在称为晶圆（的薄硅片上制造成的。在圆形的晶上制造方形或长方形的芯片导致在晶圆的边缘处剩余下一些不可使用的区域，当芯片的尺寸增大时这些不可使用的区域也随之增大，如下图所示。为了弥补这种损失，半导体业界采用了更大尺寸的晶圆。随着芯片的尺寸增大，1960年时的1英寸直径的晶圆已经被200毫米和300毫米（8英寸和2英寸）的晶圆所取代。,注：1mils=1/1000英寸金属直径的一种量度。,相同的直径,芯片尺寸,完整芯片数量,69,以下图仅供参考，具体数请记数字,12,40,典型的集成电路晶圆包含100至数百个芯片（也叫做小片，die），如下图所示。这个数字在几十年内或多或少地保持不变，因为单片晶圆上的芯片数目和晶圆尺寸是并行啬的：在100mm晶圆上制备0.2cm 确良大小的芯片数目,与在300mm晶圆片上制备0.2cm 芯片数目是相同的.在极限情况下,一个芯片占用一个晶圆片,如太阳能电池、半导体闸流、管或们置敏感辅射传感器。每片晶圆片只能制备数个含有5cm长管道的微流体分离器件和含有大曲率半径的光波导器件，对于标准逻辑芯片或微机械压力传感器，一片晶圆片则可制备数千个芯片。,2,测试芯片,用墨点标注的芯片（随机和无功能的芯片）,光刻对准标记,用墨点标注的芯片（边缘芯片和无功能的芯片）,分离芯片的划片线,边缘芯片（100mm直径晶圆片留6mm）,硅圆片的规格,直径小于150MM的圆片，要在晶锭的整个长度上沿一定的晶向磨出平边，以指示晶向和掺杂类型：直径更大的圆片，在边缘磨出缺口。如下图所示：,二、集成电路(IC)集成电路:半导体晶片经过平面工艺加工制造成元件、器件和互连线、并集成在基片表面、内部或之上的微小型化电路或系统。通常所说的“芯片”是指封装好的集成电路。如果不能生产芯片，就好像我们盖房子的水平已经不错了,但是，盖房子所用的砖瓦还不能生产一样，要命的是，这个“砖瓦”还很贵。一般来说，“芯片”成本最能影响电子产品整机的成本。,三、光刻光刻：指用光技术在晶圆上刻蚀电路，IC生产的主要工艺手段。四、前道工序前工序：IC制造过程中,硅锭切片、晶圆光刻的工艺(即所谓流片)被称为前工序，这是IC制造的最要害技术。五、后道工序后工序：晶圆流片后，其切割（划片）、封装等工序被称为后工序。,六、线宽线宽：是指IC生产工艺可达到的最小导线宽度。线宽是IC工艺先进水平的主要指标，线宽越小，集成度就高，在同一面积上就集成更多电路单元。其标准有早期地4000纳米、1000纳米、600纳米；现在的350纳米、250纳米、150纳米、130纳米等等。实际2001年投入使用了130纳米生产工艺，2003年已投入使用90纳米生产工艺，2005年将投入使用65纳米生产工艺，有人预计45纳米生产工艺将于2007年投入使用。,七、摩尔定律摩尔定律：芯片中的晶体管数量每隔18个月将会翻一番。年他又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。英特尔公司创始人戈登摩（Gordon Moore）提出，年月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在电子学杂志上发表文章预言，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的个月延长到如今的近个月，但“摩尔定律”依然有效。过去40年里，摩尔定律在芯片的设计发展中一直是正确的，其结果完全符合摩尔先生的预测。当时，最复杂的计算机芯片中仅有64个晶体管，后来奔腾III处理器中，晶体管的数量已达2800万个。目前最先进的集成电路已含有亿个晶体管。,人们经常讨论摩尔定律的适用期限，但是已经证明：即使晨很短的时间，最新的关于IC按比例缩小的预测是不准确的：在1994年，预测0.1um工艺会在2007年用到。能用1。2V电压在1GHz频率工作的有3.5亿个晶体管的微处理芯片在日期上是有误的，晶体管数目太大对速度非常不利。在1983年有人预测：在新千年末会出现16MB的DRAM，但实际上256MB的DRAM都已经可用了。在1980年左右，曾有预言：光刻线宽不能小于是um。在1989年，曾有预测：到1997年光刻技术就将走到心头。更为普遍的观点是：光刻技术将会在未来的十年走到尽头。同样的预测即使在今天也仍然存在。在1989年，同样认为从1993年起作为栅氧化层的二氧化硅会被高k值的电介质所替代，但是直到2003年，高k值的电介质仍处在研发之中。在1984年，长期的预测是：2007年的线宽的预测为0.1um（乐观的情况）和0。5um（悲观 的情况）。,八、洁净度洁净度：就是指集成电路工艺车间要控制的空气净化程度。净化间的分级：净化间是根据一立方英尺里允许含有的直径为大于等于0.5m的粒子数的个数来分级的。通常分为1级到100000级。比如一个1000级的净化间就是允许1立方英尺中含有1000个直径大于或等于0.5m大小的粒子数。集成电路的生产间要求1级到1000级。,因此确定净化室等级的正确方式为：X等级（粒子尺寸为Yum）,九、引脚数 引脚数：芯片封装时输入输出端子（IO）数。也是集成电路的重要指标，20世纪60年代为几个几十个；70年代初为几百个；80年代超出1000个；到了1999年为2000个，2003年已达到3000个的水平。（目前可估算芯片价格为1.052.05美分/引脚）,十、引脚截距引脚截距：芯片每个引脚之间的距离。芯片封装时引脚之间的距离。距离越小加工难度越大，而且才能增加引脚的数目，但截距不能太小，还有相互间电压的问题。20世纪80年代已达到0.3mm的截距。,1.2.3 集成电路芯片设计目的,目的：产生制作芯片的模板，即将原理图上的元器件转变为光刻工艺所需要的模板。常用的元器件、电路单元已经形成标准的元件库，不需要重新设计，可以直接从库中调用，然后进行元件之间的互连。,集成电路的分类,1.2.4 集成电路的分类,1.2.5 芯片制造的主要工艺,硅圆片的生长,圆面的切片和磨光,封装与测试,氧化、扩散、注入、蒸发、沉积,刻蚀,针测,图形转移,掩膜,1.2.6 半导体集成电路的特点,优点：集成度高、可靠性好 生产效率高 成本低、适合于大批量生产缺点：很难制造出精度高、稳定性好、参数范围宽的无 源器件不同类型、性能差异大的元器件难以集成 到同一衬底上制造大功率、大电流、耐高压的器 件很困难设计工艺长、工艺设备复杂、投资大。,（1）丝网印刷机通过丝网将焊料涂放在焊盘 上；（2）使用布局机器将电子器件安装到焊盘上；（3）熔化焊料并回流，将电子器件和焊盘焊 接在一起；（4）测试和检查PWB。接下来安装集成芯片，最后的到电器连接和器件安装好的电路板。连续流水线制造指的是工艺过程中不包括组装其他分立器件，制造中通过化学或物理方,法改变连接部分粘接前后的状态属性来实现不同器件的焊接。一个典型的例子就是在安装芯片之前制成的印刷线路板，工艺的输入包括基板和原材料（金属、聚合物和焊料），基本功艺步骤包括：（1）在有机基板上覆盖一层薄金属（例如铜）形成接地面；（2）在基板上涂敷一层聚合物介质层；（3）在介质层中钻孔；（4）用化学镀或电镀淀积金属层；,（5）光刻金属图形；（6）根据需要重复步骤（2）（5）；（7）淀积阻焊漆来完成整个工艺；（8）测试和检测。最后的结果为裸线路板，用安装芯片和无源器件。对于分立器件制造和连接流水线制造，测试和检测都非常重要，从本质上讲，“合格”指的是产品功能与最需设计相吻合。这样就需要一套完整的产品规格要求。,微电子封装技术可分为四个级别，从零级到按数字的大小分一级、二级、三级，下面分别论述。,1.3 电子封装技术的级别,1.3.1 零级封装技术（芯片互连级）,零级封装是指半导体基片上集成电路元件、器件、线路，应该叫未加封装的芯片更确切。如果在这里硬要说封装显然是指圆片的切割到布置完成集成电路，成为裸芯片。是由半导体厂商来完成的，芯片分系列标准芯片和特殊用途的专用芯片。系统用户可从半导体厂家以这种裸芯片形式进货。进行封装，经测试确保芯片质量合格后销售。,1.3.2 一级封装技术 一级的封装是将一个或多个集成电路芯片用合适的金属、陶瓷、塑料以及它们的组合封装起来，同时，在芯片的焊区与封装的外引脚间用有引线键合（wire bonding，WB）、载带自动焊（tape automated bonding，TAB）、倒装片焊（flip chip bonding，FCB）三种芯片互连方法连接起来，使其成为具有某种实际功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片（single chip modules，SCM）组件和多芯片（multi chip modules，MCM）组件。,具体内容会在以后几章中介绍。,WB技术属于引线连接，FCB、TAB属于无引线连接。1 WB互连技术 这是一种传统的、最常用的、也是最熟悉的芯片互连技术。目前各类芯片仍以这种方法为主。它可分热压焊、超声焊、热压超声焊三种方式。2FCB键合互连技术 FCB是芯片面朝下、将芯片焊区与基板焊区直接互连的技术。,3TAB互连技术 TAB是1971年由GE公司开发出来，但1987年以后兴旺起来。它是连接芯片焊区和基板焊区的“桥梁”，它包括芯片焊区凸点形成、载带引线制作、载带引线与芯片凸点焊接（称为内引线焊接）、载带一芯片互连焊后的基板粘接和最后的载带引线与基板焊接的外引线焊接几个部分。,1.3.3 二级封装技术 二级封装实际上是一种组装，将上一级各种封装的微电子产品、各种类型的元器件及板上芯片一同安装到印刷电路板或其他基板上。这个级别封装中，一般不单独加以封装。如果这一级已是完整的功能部件或整机（如计算器、手机），为便于使用将用保护封装件，最终也要将其安装在整机上。二级封装技术又分通孔安装技术（THT）、表面安装技术（SMT）、芯片直接安装技术（DCA）三种。这一封装后使其成为电子系统（或整机）的插卡、插板、或母板。,1.3.4 三级封装技术 这个级别的封装是密度更高、功能更全、更加庞大复杂的组装技术。三级封装实际上是由二级封装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板的组装，这就是一种立体组装技术。当然出了这四种分级外，还有先进的三维（3D）封装技术、系统封装技术、微电子机械系统封装技术、圆片封装技术等。,1.4国内外微电子封装技术发展现状 微电子封装的产量在1999年已达约620亿只，产值约为35亿美元，今后几年产量仍将以10%左右的年平均增长率增长。微电子封装技术是当今电子元器件发展技术中最主要的技术之一，它始终伴随着电子元器件技术的发展而发展，本文综述了微电子封装技术从片式元器件到COB和FlipChip芯片封装技术以及多芯片封装的技术发展过程。,并对今后电子元器件封装技术的发展趋势进行了探讨。由下表可以看出，封装产量最多的是SOP，但增长速率最快的是BGA和CSP，它们的年平均增长率将分别达到约35%和68%。,各类封装在封装总量中所占份额,集成电路几类主要封装总产量的年增长率(%),国际半导体芯片技术发展的蓝图各年份半导体芯片技术发展预测表,国内半导体企事业单位统计表,2005年中国10大IC与分立器件制造公司（CSIA）,2005年中国10大IC设计公司（CSIA）,2003年是我国IC产业蓬勃发展、持续攀升走高的一年，形势喜人，成绩斐然。2003年我国集成电路总产量首次突破100亿大关、达到134.1亿块，与2002年同比增长39.3%，全行业实现销售收入351.4亿元。与2002年同比增长30.9%（见下图）。,20012003年中国集成电路产业的销售收入规模及增长,IC设计企业销售收入分布,2003年IC设计业实现突破性发展，首先是设计单位达到463家，比2002年增长近20%。其次是以“方舟”、“龙芯”、“北大众志”为代表的国产CPU，上海复旦大学DSP“汉芯1号”、北京海尔IC 设计公司“爱国者3号”数字解码芯片、北京中星做的“星光”系列音视频解码芯片等，都标志着我国IC设计有很大的突破性进展。其三是我国又众多能满足中低端IC产品设计企业，也都有长足的发展,2003年我国国内销售收入过亿元的集成电路设计公司已有9家，这9家总销售收入约25亿元，集成电路设计全行业的销售收入超过40亿元达到44.9亿元，与上年同期的30亿元相比，增长将近50%。这标志着我国集成电路设计业进入快速成长期。销售收入过亿元的9家公司分别是：大唐微电子技术有限公司、杭州士兰微电子股份有限公司、无锡华润矽科微电子有限公司、中国华大集成电路设计中心、上海华虹集成电路设计有限公司、上海复旦微电子有限公司、江苏意源科技有限公司、杭州友旺电子有限公司、芯谷微电子有限公司，其中，大唐微电子销售收入近6亿元。,2003年，世界IC产业由低谷走向复苏，到第4季度，它比2002年同期增长14.2%，而代工量增长25%。2003年我国IC制造业实现销售收入60.5亿元，同比增长27.9%，就我国IC制造企业增长因素来看，首先是我国一些大的IC制造企业投资已达生产期，如上海宏力、中芯国际等，其二是自主产品生产线向代工线转向，如华虹NEC公司由两年前的NEC DRAM工厂，在2003年转型为晶圆代工厂。其三是我国半导体市场走向，呈现一派产销两旺的好景象，如无锡华润、浙江华越、上海贝岭、先进、新近、珠海南科等大公司。其四是在产能大增之时，其加工工艺水平也正在提高，从0.5微米向0.35微米加工水平进军，有大公司从0.35微米向0.18微米进军。其五是8寸线增加且增量生产，如中芯国际、华虹NEC等等。以上种种原因，都促成了我国IC产业在2003年持续走高的主要因素（下图）。,2003年中国集成电路产业价值链销售收入及增长,第二章：微电子封装的分类,2.1 按材料分类2.2 按封装的外形、尺寸、结构分类2.3 单芯片封装的分类 2.3.1 非气密性树脂封装技术 2.3.2 气密性封装技术,我们经常听说某某芯片采用什么什么的封装方式，在我们的电脑中，存在着各种各样不同处理芯片，那么，它们又是是采用何种封装形式呢？并且这些封装形式又有什么样的技术特点以及优越性呢？那么下面将介绍几种主要芯片封装形式及特点。芯片的封装技术历经几代变迁，芯片面积与封装面积之比越来越接近，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，适用频率更高，耐温性能更好，可靠性提高，使用更加方便。微电子封装技术的分类有许多种方法，下面介绍几个最主要的分类方法。,2.1 按材料分类：,材料的类型：基板材料、介质材料、金属材料1、基板材料：金属、合金、陶瓷、玻璃、塑料、复合材料2、介质材料：有机（聚合物）材料和无机材料（陶瓷）3、金属材料：基本薄膜金属化材料、辅助薄膜金属化材料、本厚膜金属化材料、辅助厚膜金属化材料,微电子封装按封装材料分金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷封装、塑料封装4类。每种材料的封装又以封装器件分若干种，再按封装结构分很多种。下面是我国的按材料的分类：,一、金属封装1）光电器件封装：带光窗型、带透镜型、带光纤型2）分立器件封装：A型、B型、C型3）混合电路封装：双列直插型、扁平型4）特殊器件封装：矩阵类、多层多腔型、无磁材料型,二、陶瓷封装1）SSI、MSI封装：DIP、FP、SIP、CerDIP 2）LSI、VLSI封装：PGA、LCCC、QFP、BGA(CSP)三、金属陶瓷封装1）分立器件封装：同轴型、带线型 2）MMIC封装：载体、多层陶瓷型、金属框架陶瓷绝缘子型四、塑料封装1）分立器件封装：A型、F型 2）集成电路封装：PSOP(PSSOP、PTSOP)、PDIP、PQFP(TPQFP)、PBGA(CSP)、TBGA(CSP),2.2 按封装的外形、尺寸、结构分类,所谓按外形，主要是根据封装接线端子的排布方式对其进行分类。按大类型可分引脚插入型、表面贴装型、载带自动焊型。,MOS LSI封装的种类和特征（表中，P表示塑料，C表示陶瓷）,2.3 单芯片封装的分类,2.3.1 非气密性树脂封装技术,一、传递模式注塑封技术 1、模注树脂成分及特性：传递模注树脂封装的可靠性取决于模注树脂的可靠性。2、标准模注树脂的组成，按其配比质量分数，从高到低依次为填充料（约70%），环氧树脂（约18%以下），固化剂（约90%以下）等。除此之外，还含有触媒（固化促进剂）、耦合剂、脱模剂、阻燃剂、着色剂等添加剂，其总是一般控制在3%7%。,填充料的主成分是二氧化硅。环氧树脂的级成，在世界范围内都采用早酚一酚醛系。环氧树脂除具有保护芯片、使其与外敢隔绝，确保成形时的流动性之外，还对模注树脂的机械、电气、热等基本特性起决定作用。固化剂的主成分为苯酚醛系树脂，其与环氧树脂一起对于成形时的流动性及封装树脂的特性卢决定性作用。为了降低应力和弹性模量，要加入降低应力的添加剂；为了提高与引脚的密接性，要加入密接性增加剂；为了提高弹性和强韧性，要加入可挠性增加剂等。总之，为了对封装树脂进行改性，要加入各种各样的添加剂。,2、填充料及添加剂对模注树脂特性的影响 在模注树脂封装剂中，可加入的填充料有晶态SiO2，-AI2O3、熔凝SiO2（非晶态SiO2或石英玻璃）等。填充料含量对封装剂热膨胀系数的影响如下图所示。,填充料含量体积分数/%,热膨胀系数,二、各种树脂封装技术 常用于MCM的非气密性树脂封装法，一般是采用环氧树脂、塑料、硅树脂等有机树脂，覆盖在微互联于多层布线板之上的半导体芯片上，使其与外气隔绝。覆盖树脂的方法有以下五种。（1）涂布法（2）滴灌法（3）浸渍法（4）注型法（5）流动浸渍法,三、树脂封装中湿气浸入路径及防止措施 树脂封装的可靠性决定于封装材料、封装材料的膜厚及添加量。树脂材料为有机物，都或多或少存在耐湿气较差的问题。树脂封装中湿气的来源主要有三条：一是树脂自身的吸湿性；二是树脂自身的透水性；三是通过树脂与作为模块基体的多层布线之间的间隙，以及通过封装与MCM引脚等之间的间隙发生的渗漏。,四、树脂封装成形缺陷及防止措施 所有塑封产品无论是采用先进的传递模注封装还是采用传统的单注塑模封装，塑封成形缺陷部总是普遍存在的，而且无法完全消除。相比之下，传统塑封模式的成形缺陷数量多，尺寸大，不良率较高。由于塑封成形缺陷的种类较多，在不同的封装系列上有不同的表现形式，发生的几率和位置也有很大差异，产生原因较为复杂，为此，应分别对每种缺陷进行分析并制定对策。,2.3.2 气密性封装技术,一、气密性封装法中泄漏率的检测法 气密性封装包括钎焊封接、低熔点玻璃封接、缝焊封接、激光熔焊封接等方法。其中，激光熔焊适合于要求高耐热性、高可靠性的封装。所有上述气密性封装都要求与空气隔绝，通常在封装内部要封入He或N2等非活性气体。封装及封接完成之后，为确保气密性，需要进行泄漏率检测。泄漏率检测一般按粗检测和精细检测两种方法进行。,二、钎焊气密性封装技术 钎焊气密封接是通过钎焊将金属外壳固定在多层布线板上，将IC芯片与外气隔绝。为了利用钎焊实现气密封接的目的，要示焊料与被钎焊材料之间具有良好的浸润性。,三、钎焊气密封接技术 缝焊封接法可保证高可靠性，多用于定点卫星用电子器件的封装。卫星上搭载的MCM只能采用金属封接。当然也可采用陶瓷封装，但由于受现有激光熔焊机功率限制，只能用于比较薄的金属外壳的熔焊封接，目前还不能用于大型MCM封装。,四、激光熔焊封接技术 激光熔焊属于气密性封接技术，与上述普通缝焊封接技术相比，可适用于大型MCM及外形复杂的MCM，并且能保证高可靠性。近年来，伴随着对MCM大型化的要求，激光熔焊封接法在高可靠性、高耐热性方面的优势再将得到普遍确认。目前，人们正集中力量针对YAG激光器等在激光功率、散焦特性、激光束送进节距及速度等激光熔焊条件与MCM封接特性之间的关系进行研究开发。,第三章：微连接原理,3.1 固相连接 3.1.1 扩散焊 3.1.2 热压焊 3.1.3 超声压接 3.1.4 超声热压接3.2 钎焊 3.2.1 波峰焊方法 3.2.2 再流焊红外辐射方法 3.2.3 材料的铁钎焊性 3.2.4 材料的耐软钎焊性 3.2.5 钎焊接头的形态3.3 熔化焊 3.3.1 激光焊 3.3.2 电阻焊,3.1 固相连接,影响固相连接的因素,一、表面膜 1）有机污染物；2）表面氰化物。二、表面粗糙度 1）不仅影响结合面的接触，也影响扩散过程：2）越是微细而且规的表面途凸凹，空隙的消失越迅速，扩散机制起主要作用，接触面发生横向移动，使结合面生长：3）当表面凸凹的宽度大时，扩散的作用被减弱。接触面附近空隙表面向接触面移动。,3.1.1 扩散焊 在一定的压力下表面互接触，局部塑性变形使氰化膜破坏，产生微小的连接。随时间的延长，紧密接触的部位由于蠕变变形和扩散逐渐生长。扩散继续进行，空隙逐渐消失，连接界面增加。通过体积扩散，空隙完全消失，产生互相结晶，界面消失。变形与扩散是连接的主要机制，在不同的阶段所占的比重不同。,各种连接机制的作用,由于压力一定，所以塑性变形部分是固定的，而表面粗糙增大使扩散所起的作用减小：L越大，单位纵向变形产生的面积的增加越多，即蠕变引起的作用增加。,影响固相连接的工艺参数,一、温度：温度的上升有利于金属原子的扩散二、压力：提高压力，塑性变形的程度增大，接触面增加：扩散焊要求压力不使工作发生宏观的塑性变形三、时间：决定过程发展的程度：扩散焊的时间一般在几十到几百分钟,3.1.2 热压焊,热压焊的原理,热压焊的外观,材料本身的本质因素,一、因态可以形成固溶体因而扩散良好的金属，具有良好的可焊性二、相互间可以形成低熔共晶的材料，可焊性较好三、通过扩散可形成金属间化合物的金属，具有一定的可焊性,热压键合的机理,键合所施加的压力使金球发生很大的塑性变形，其表面上的滑移线使洁净面呈阶梯状，并在薄膜上也切出相应的凸凹槽，表面的氰化膜被破坏，洁净面之间相互接触，发生扩散，产生了连接。,不同材料的形球工艺,金丝形球的规范为15mA，30s，但在此参数下，即使有氩气保护，生成的铝球外观皱折，内部充满空洞。铝球的最佳规范为电流5A，时间0.38ms，Ar+H2保护。,3.1.3 超声压焊,原理：在常温下利用超声机械振动带动丝与膜进行磨擦，使氰化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，通过磨擦产生的热量使金属之间发生扩散，实现连接。特点：1）可以适合细丝、粗丝以及金属扁带 2）不必外部加热。对器件无热影响 3）可以实现在玻璃陶瓷上的连接 4）适用于微小区域的连接,键合设备原理,键合过程中丝的变形特性,在超声压接中，丝的变形表现为两个阶段.第一阶段主要发生丝与膜的磨擦过程；第二阶段，丝与膜已经发生了部分连接，主要发生的是劈刀与丝之间的滑动过程。同时，丝由于压力的作用发生塑性变形，由于材料的不同，两个阶段的时间将有变化，同时连接的机理也不同。,变形特性与键合压力的关系,键合所施加的压力越大，丝与膜之间越易早形成连接，导致丝与膜相对滑动的第一阶段的时间缩短。,键合强度与丝的变形程度的关系,随着变形幅度的增加，连接强度也增加。由于丝的截面积在减小，当连接强度超过截面积减小后的丝的承载能力时，破断将发生在丝的缩颈外。当劈刀落下时对丝有冲击时，此时超声波尚未作用，不会产生连接。这部分变形对连接没有贡献。总强度降低。,3.1.4 超声热压焊,超声丝焊的特点：利用超声机械去膜，有效连接面积大温度低，对芯片的热影响小：但金属之间的扩散不足加大超声功率可能损坏芯片楔焊过程有方向性，降低效率热压焊：温度高，有利于金属扩散去膜不充分，连接强度低球焊无方向性，提高生产效率 超声热压焊：在热压接设备的基础上，增加加热平台 结合了两者的优点,超声热压焊的优势,比较超声热压焊和热压焊的拉伸结果，在达到规定的强度超声热压焊的时间和温度都比热压焊小得多，超声压接时，一般需要3微米以上的振幅和约1秒的时间，而超声热压焊只需要十分之一的振幅和二十分之一的时间。,合金元素结超声丝球热压接性能的影响,合金元素的作用体现在球的硬度上，硬度越大，则对氧化膜的切断和去除能力增加，使有效的键合面积增大，承载能力增强。,3.2 钎焊,3.2.1 波峰焊方法,特点:大量的焊点同时进行焊接，效率高：适合于焊接点和元件分处电路板两面的插装式组装，设备相对于再流焊设备较为便宜。注意控制钎料材料内的铜和其他杂技的含量。,波峰焊焊接表面组装电路板时的问题,在A处，钎料波峰面与元件的端面形成了封闭的空间，包围在里面的气体难以逸出，会在接头内形成气孔。在B处，元件脱离时对钎料波峰面形成阴影，会造成解决方法：双波峰等：采用再流焊方法。,3.2.2 再流焊红外辐射方法,再流焊的基本特点是将一定量的钎料（一般为膏状，以滴涂或印刷的方式）预先先放置在等焊部位，加热使其熔化并形成接头。,再流焊红外/热风再流焊炉,通过红外国徽和热风的强制对流进行加热，加热效率高且加热更为均匀。在表面组装中应用最为广泛。,再流焊汽相焊方法,氩化物液体其沸点215摄氏度，当冷凝时会释放出凝结热，使预先旋转在焊接外的钎料熔化，实现钎料的重熔焊接。特点：加热温度恒定，不会出现过热的问题。,再流焊激光钎焊方法,与前述方法相比，激光钎焊可以只对焊点加热而避免了对元件的热影响：同时可以根据每个焊点的具体情况实施相应的加热规范：加热和冷却速度最快，接头的组织细密、强度高：可以监测焊点温度变化，进行实时质量控制。,钎料熔化、铺展过程的模式图,3.2.3 材料的铁钎焊性,软钎焊性 1）可润湿性 表面在规定的钎焊时间内被熔融钎料润湿，而钎焊后 不出现弱润湿或反润湿等缺陷，得到良好钎焊结果的能力 2）耐软钎焊性 钎焊加热及及由此产生的应力不对元器件产生影响 可以进行多次钎焊,常用电子材料对Sn/Pb钎料的钎焊性,在常规钎焊制造中认为钎焊性能良好的材料如铜，在微电子制造的特殊条件下其钎焊性并非良好。,3.2.4 材料的耐软钎焊性,材料抵抗钎焊熔蚀的能力溶解反应速度方程dQ/dt=KS(C1C)/Q:固相溶入液态钎料的量 t:固液接触时间K:溶解速率 C1:饱和浓度 C:某一时刻的浓度:扩散层厚度令a=K/S 及Q=sVCs：钎料密度 V：液态钎料体积 S：固液接触面积得到dVC/dt=aS(C1C)/s当温度、液态钎料体积和固液接触面积均为常数时，有：Q=sC1V/S1-exp(-aSt/V),各种金属在Sn/Pb钎料中的溶解速度,对于传统的钎焊过程，母村的充分溶解对于清洁结合面，钎料合金化以提高接头的强度有着重要的意义。溶解量一般在几到十几微米。但是在微电子封装中，膜的厚度只有1微米，一定要保证溶解在一个非常严格的范围，才能既达到结合强度又不损坏膜与基板的附着。,导体抗溶烛性的多次浸沾实验,实验结果：铜导体在10次浸沾后仍然保持完整的状态，表面依然光洁：而金铂导体在5次后已经出现反润湿现象，到10次时，厚膜导体已经与基板脱离，并被溶解掉了。,3.2.5 钎焊接头的形态,接头形态的重要性结构件的钎焊接头依靠搭接面积保证接头的强度圆角部分与钎焊强度关系很小在微电子互连钎焊中,圆角部分占绝大部分圆角形状会影响接头内的应力集中情况，导致可靠性问题,描述钎料液面形状的基本方程,拉普拉斯方程P=（1/R1+1/R2）P：液面两边的压力差：液体的表面张力R1，R2：液面的曲率半径。曲率中心在液体内部取正值液体的静压力方程P=-gy：液体密度 y：液体高度,二维液面问题及解,金属平板浸入液态钎料由于润湿，钎料将沿平板上升，形成一个弯曲的液面形状为“弹性曲线”的一部分弹性曲线（1900年瑞利）1/R=FY/E=gy/F：作用在弹性金属丝两端的力E：金属丝材料的弹性模量,三维液面问题,实际焊点在三个方向尺度相近边界条件复杂基于能力最小原理