谈CPU的封装及测试 毕业论文.doc

四川交通职业技术学院毕业设计(论文) 编号 毕 业 设 计（论 文）题目：谈cpu的封装及测试学 生 姓 名：_ _ 学 号： 系 别： 自动化工程系 专 业： 数 控 技 术 _班 级： 数 控10 - 2 指 导 教 师：_ 四川交通职业技术学院前 言电子技术，在中国这是一门新兴的学科，它涉及的面很广，涵盖了：材料学、物理学、化学等科学、半导体技术、陶瓷技术、焊接技术、薄厚膜技术、真空技术、纳米技术及多种封装技术等等。 本文主要针对intel成都公司cpu的封装测试相关工艺，对微电子技术的一些知识方向进行描述。intel作为拥有全球顶尖技术的cpu制造商，它的ic设计和封装技术不断推陈出新，带领着集成电路朝着低功耗、低成本、高集成度、高可靠性的方向发展。而随着环境问题被世人越来越关注，ic的设计选材也开始考虑环境友好问题，intel最新一代45纳米笔记本微处理器penryn就已经停止使用含铅材料，且采用hing-k材料后，能有效降低漏电流、提高集成度、降低电能损，耗延长电池续航能力。英特尔笔记本处理器序列正在进行一次大规模的更新换代，尤其明显的是最低端的赛扬双核和最高端的新酷睿2双核。将原本高阶的处理器放入低一阶的产品序列中，这在t1600身上表现得尤其明显。英特尔于去年四季度推出基于45纳米penryn架构的奔腾双核t4200处理器，、它无疑已拉开新老奔腾双核之间的差距，加快老款酷睿2处理器的退市速度。45纳米新制程的奔腾双核t4000系列和酷睿2双核t6000系列将会一统中端主流市场.下一步,intel计划将推出16nm的新架构，将更加体现上述优点。目前，已知的16nm命名为haswell的cpu，已在小规模生产中。根据intel最新规划，首16nm桌面双核心处理器haswell及行动计算机双核心处理器将会于2013年上市，主要针对主流级，均内建绘图核心，主流级至效能四核心级短期内无意导入16nm，仍会由45nm桌面4核心lynnfield及行动计算机4核心clarksfield支撑，2013年下半年将推出全新6核心高阶桌面、服务器处理器gulftown，取代bloomfield处理器原有地位。 封装正朝着高频率，高信号强度，低能耗，微型化，低成本、优良散热性、适应复杂环境等方向发展。 intel目前研发的cpu主要包括： wolfdale 、conroe 、woodcrest 、merom 、penryn（3m/6m） 、harpertown、 clarkdale、 nehalem。 通过对intel的整个生产流程的一些了解，本文将对从封装到测试的每个站点进行介绍。而老化作为intel公司在cpu生产企业中独有的一个站点，它在生产中起到的是什么作用。经老化后的产品有哪些优点都会在本文中介绍。生产的基本操作，以及在生产过程中遇到故障如何排除，机器如何维护都会在后面进行详尽的描述目 录前 言.。. 1 摘 要. 4第 一 章 芯 片 的 封 装 及 测 试 工 艺 概 述. 6第 二 章 因 特 尔 公 司 的 封 装 及 测 试 工 艺. 72.1 站点介绍 2.2 submark lasermark 打码 2.3 cam 芯片贴装 2.4 deflux 去助焊剂 2.5 epoxy环氧树脂的注塑 2.6 芯片测试 第 三 章 因 特 尔 公 司 的 封 装 及 测 试 工 艺 规 程. 13第 四 章 c t l物 料 转 换. 144.1 ctl站点工艺目的、加工技术 4.2 ctl站点设备结构介绍 4.2.1 卸载机uoloader/装载机loader结构4.2.2 分拣机acs结构 4.3 人机工程学 4.4 设备维护pm 第 五 章 结 论. 31致 谢. 32参 考 文 献. 33摘 要 中央处理器是英语“central processing unit”的缩写，即cpu，cpu是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由cpu负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。目前以intel和amd所生产的cpu占的市场份额较大，生产技术较前端。中国区域现在主要以封装测试为主，还没有比较成熟的cpu制造技术。我国自主研发的“龙芯”系列cpu，将打开中国在半导体领域的新篇章。 本文只要针对实习单位intel的cpu部分封装测试工艺流程进行详细说明。以流程为主线，针对低成本老化测试（low cost burn in）站点的工艺进行了更细层次的讲述，包括老化的一些基本概念，老化在半导体生产中的主要作用，站点使用的设备介绍，设备的具体操作，常见设备故障的分析处理关键词 cpu 封装 测试 低成本老化 流程 操作 故障abstractcpu is the english“central processing unit”of the acronym, that is, cpu, cpu is the heart of computer accessories, matchbox only so much, a few dozen sheets of paper so thick, but it is a computer computing core and control core . computer is responsible for all operations by the cpu command to read the instruction decoding and execution of the core components. at present, as long as intel and amd accounted for by the production of the cpu market share larger than the front-end production technology. china regional now based mainly in packaging and testing, there is no more mature manufacturing technology. china own development “godson”series cpu, china will open a new chapter in the field of semiconductors. in this paper, as long as the intern for my part of intel cpu for packaging and testing process in detail. to process the main line, the aging test for low-cost (low cost burn in) site of the process in more detail about the level, including some of the basic concepts of aging, the site introduced the use of the equipment, the concrete operation of equipment, common equipment failure analytical processing.key word cpu assembly test （low cost burn in） process operation fault第一章 芯片的封装及测试工艺概述 芯片封装技术90年代至21世纪初时我国有计划经济向社会主义市场经济过渡的重要时期，初步建立新的经济体系，也是国际产业重组、国际分工不断深化、科学技术突飞猛进发展的时期，世界各国都在把提高产业竞争力和发展高新技术抢占未来经济至高点作为科技工作的主攻方向。在经济和科学技术方面我国与世界各国日益紧密，中国市场与国际市场进一步接轨，面对国内外激烈的市场竞争，企业对技术的需求将更加强化和迫切，先进制造技术将得到更大的重视，机械工业科技发展正面临着挑战与机遇并存的新形势。我们故要抓住机遇，迎接挑战，坚决贯彻“以科技为先导，以质量为主体”的方针，进一步推动机械工业的振兴。我们就必须不断的开发自己的大脑设计出更加科学更加便捷的制造方法和方案。不断提高企业的产品自主开发能力和制造技术水平。第二章 因特尔公司的封装及测试工艺2.1 站点介绍如图所示，每个方框代表一个站点，因特尔的cpu封装测试是一个有着复杂工序的过程，这个过程就是通过各个站点有机的结合起的。每个站点有着它自己的工艺目的。submarkaplcamdefluxepxoytrdiolfppvlcbipevictlcsamcmtolbsfgilasermarkmtifviouttostrap2.2 submark lasermark 打码打码的工艺目的是用于标记。通过打码给每颗芯片一个标记，就相当于“身份证”，这样就便于产品的追踪。当在生产过程中出现了混料，质量缺陷等情况时，可以通过这个标记追查产品在哪个地方出现的问题。这样有了问题及时解决，提高了产品的可靠性。不同产品的标记可能是黑色，灰色，铜标记中的一种。标记的作用：1.提供产品追踪信息。2.向客户提供产品信息。2.3 cam 芯片贴装通过模版印刷和喷涂的方式在基片的贴装区域印制或者喷涂足够的助焊剂，然后读取基片表面上的2d matkix信息以跟踪基片。再把芯片和基片精确的粘贴在一起然后通过回流焊接形成电连接。在粘贴的时候会造成芯片贴歪的情况，造成这种情况的原因可能是助焊剂过多或者机器的数据不正确。因此每天测助焊剂的厚度和收集数据时都要仔细，保证数据正常。这里的芯片贴装方法属于导电胶粘贴法。导电胶是大家熟悉的填充银的高分子材料聚合物，是具有良好导热导电性能的环氧树脂。芯片粘贴后，用导电胶固化要求的温度时间进行固化，可在洁净的烘箱中完成固化，操作起来简便易行。因此成为塑料封装常用的芯片粘贴法。以下有三种导电胶的配方可以提供所需要的电互联：1，各向同性材料，它能沿所有方向导电，代替热敏元件上的焊料，也能用于需要接地的元器件。2，导电硅橡胶，它能有助于保护器件免受环境的危害。3，各向异性导电聚合物，它只允许电流沿某一方向流动，提供倒装芯片元器件的电连接和消除应变。2.4 deflux 去助焊剂这个站点的作用就是为了去除芯片回流以后残余在芯片和基片之间的助焊剂和为溶助焊剂，因为助焊剂和残余会减弱环氧树脂和芯片或基片之间的粘连，因此要去除助焊剂对芯片的危害。助焊剂冲洗机的结构图形如图2.4：图2.4 助焊剂冲洗机的示意图它总共分为6个区：b: 冲洗区 对产品的冲洗清洗掉助焊剂主要是去除多余助焊剂。c: 预漂洗区 对产品进行初步的漂洗d: 漂洗区 在次清洗助焊剂和杂质让产品更干净e: 最终漂洗区 最后对产品进行清洗f: 吹干区 用风吹干产品上面的水g：烘干区 把产品的水分充分的烘干，不让水分对产品产生影响这6个区就是冲洗机的主要组成。产品的经过清洗漂洗烘干的主要过程。清洗有一个区，而漂洗有三个区，烘干有两个区它们共同组成机器的6个区域。2.5 epoxy环氧树脂的注塑它分为epoxy:underfill环氧注塑和epoxy:cure烘烤。epoxy:underfill就是把经过烘烤后的产品把环氧树脂注入到芯片和基片之间以保护焊接点。而epoxy:cure是固化环氧树脂，通过固化炉固化环氧树脂为芯片和基片之间的焊球提供结构化支撑。下面是经过epoxy过后是cpu如图2.5： 图2.5 环氧树脂的注塑环氧树脂的作用：首先环氧树脂可以保护芯片免受环境影响，耐受机械振动和冲击，在此之前因为只有接触点连接作用，在环境（温度）变化或者收到冲击的时候，接触点很容易发生断裂现象，从而出现可靠性问题；其次环氧树脂可以减小芯片于基片间热膨胀失配的影响，起到缓冲的作用。同时环氧树脂可以使得应力和应变再分配，减小芯片中心用四角部分凸点连接处应力和应变过于集中。这样，环氧树脂作用下，元器件的可靠性可以得到提高。通过环氧树脂的作用可以推断出来作为合格的环氧树脂填充料应至少具有以下的要求：（1）填料无挥发性，否则可能导致机械失效。（2）应尽可能减小以消除应力失配。（3）为避免基片产生变形，固化温度要低。因为高的固化温度不但可能引起基片的变形，还可能对芯片造成损坏。（4）填料的粒子尺寸应小于倒装芯片于基片间的间隙。（5）在填充温度下的填料粘滞性要低，流动性要好。（6）填料应具有较高的弹性模量用弯曲强度，求确保喊节点不会断裂。（7）在高温高湿的环境下，填料的绝缘电阻要高，以免产生短路现象。2.6 芯片测试在芯片完成这个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量和可靠性两方面的检测。质量检测主要是检测封装后芯片的可用性，封装后的质量和性能情况，而可靠性则是对封装的可靠性相关参数的测试。在封装芯片做t/c测试的时候，有4个参数，分别为热腔温度，冷腔温度，循环次数，芯片单次单腔停留时间。如表2.6所示的参数代表t/c测试时把封装后的芯片放在150c的热炉15分钟，再通过阀门放入-65c的冷炉15分钟，再放入热炉，如此反复1000次。之后测试电力路性能以检测是否通过t/c可靠性测试。表2.6 温度循环测试参数表 温度 时间 次数 150/-65 15分/各区 1000次从t/c的测试方式可以看出，t/c测试的主要目的是测试半导体封装体热胀冷缩的耐久性。t/s测试即测试封装体抗热冲击的能力。hts测试，是测试封装体长时间暴露在高温环境下的耐久性试验。hts测试是把封装产品长时间放置在高温氮气炉中，然后测试它的电路通断情况。hts测试的重点是因为在高温条件下，半导体构成物质的活化性增强，会有物质间的扩散，从而导致电气的不良发生，另外因为高温，机械性较弱的物质也容易顺坏。th测试，是测试封装在高温潮湿环境下的耐久性试验。实验结束时也是靠测定封装体电路的通断特性来判断产品是否具有优良的耐高温湿性。pc测试，是对封装体抵抗抗潮湿环境能力的测试，也是测试产品的电路通断性能。 因特尔的cpu测试站点有：1，lcbi 老化测试。工艺目的是将产品在高温和高压的环境下进行测试，看是否仍能发挥出稳定性能。用以测试产品的可靠性。2，cmt 电性能测。3，ppv 系统测试。用于测试产品的整体性能。4，olf 离线锁频。通过机器锁定cpu的频率使产品有一个好的工作频率。该过程主要是通过两个并联的12v电源熔断掉芯片中某条电路的某个电 容，达到物理上的熔断，不可恢复。图2.6是olf使用的设备olf4000 图2.6 olf 4000图2.1所示为由lkt公司制造的olf4000，其主要作用是锁频，把芯片的频率锁定在一定范围，避免超倍频。第三章 因特尔公司的封装及测试工艺规程熟悉整个封装工艺流程是认识封装技术的基础和前提，唯有如此才可以对封装进行设计，制造和优化。封装流程一般可以分成两个部分：用塑料封装（固封）之前的工艺步骤称为前段操作，在成型之后的工艺步骤称为后段操作。因特尔成都产品有限公司的cpu封装属于后段操作，其主要作用是将已经封装好的芯片与基板连接起来形成一个具有完整电气功能的产品，然后再通过电气性能等测试挑选出有缺陷的产品，最后输出给客户。其工艺流程包括了封装和测试两部分，因此与一般的流程是不大相同的。第四章 ctl物料转换4.1 ctl站点工艺目的、加工技术ctl即物料转换，它是芯片封装中一道重要的工序。在生产过程中，有很多辅助材料比如盛装芯片的料盘，而料盘又分为很多种，不同的料盘有不同的作用。一般料盘分为两种：1，能够在高温中烘烤的carrier; 2,适用于常温的tray；而ctl站点的工艺目的就是将芯片从carrier里面转移到tray图4.1是辅助材料carrier 图4.1 辅助材料carrier如图4.1所示是辅助材料carrier料盘。它是用金属所做，能够承受高温。通常，当芯片需要在高温中烘烤时就盛装在carrier料盘上面。图4.2是辅助材料tray料盘 图4.2 辅助材料tray如图4.2所示是辅助材料tray，它是由塑料所做，不能在高温中烘烤，但是具有轻巧的有点，适合在常温下搬运。通常，芯片不需要烘烤后就盛装在tray料盘中。tray根据盛装的芯片不同有很多种。如图4.2是三种常见的tray盘，区分的标志是每个小格子的长和宽。35mm*35mm的tray用于盛装笔记本cpu；37.5mm*37.5mm用于盛装加了散热盖的cpu；35mm*35mm的用于bga封装的cpu。4.2 ctl站点设备结构介绍ctl站点主要用到两种设备。他们实现的功能都是将cpu从carrier转移到tray。区别是执行速度的快慢等。图4.3是由lkt公司生产的tmt设备 图4.3 tmt设备图4.3是ctl站点的一种设备，中间tmt是由日本lkt公司生产制造的。日本lkt公司是一家从事于工业自动化控制的企业，与因特尔是良好的合作伙伴。该设备主要由三个部分组成：1，左边的卸载机即unloader lkt，该设备也是由日本lkt生产制造；2，中间的分拣机tmt；3右边的装载机loader lkt。该设备是一台比较老式的设备，目前在英特尔已经少用，正在逐渐被由grohmann公司生产的acs所代替。而lkt也逐渐被hirata所代替。图4.4也是ctl的一种设备，该设备实现的功能与tmt一样，不同的是该设备使用了两个机械手，分拣速度更快速。而且在很多细小地方都比tmt先进。该设备是由德国grohmann公司生产制造，具有分拣速度快，自动化程度高，放置精度高，且能够自动调整误差等优点。 图4.4 由grohmann公司生产地acs图4.4是由grohmann公司制造的acs设备。该设备由以下部分组成：1左边的卸载机uoloader，该设备是由日本lkt公司制造，名为hirata。2中间的acs分拣机，该设备由德国grohmann公司制造。3右边的装载机loader，该设备同左边的设备是相同的。图4.5是该设备外部结构：图4.5 卸载机unloader/装载机loader图4.5是ctl站点所使用的一种设备，名为hirata，由日被lkt公司制造。其功能主要是卸载和装载盛装芯片的料盘。hirata设备结构分为几部分：1.车的升降部分。 图4.6是车的升降部分示意图：图4.6 车的升降部分图4.6为车的升降部分。该部分由两个升抬手臂，两个电机，一个车缓冲器以及传感器组成。当高温车或常温车进入设备内部时，由传感器感应到发出信号后，两个电机驱动升抬手臂将高温车或常温车抬起固定。2车的传送部分图4.7为车的传送部分图4.7 车的传送部分图4.7为车的传送部分，由3个电机，两个耦合器以及传感器组成。中间的电机驱动耦合器的凸出和凹进，当高温或常温车推进设备内部时，由这个电机驱动耦合器凸出把车的上下两层链条耦合起。上下两个电机驱动耦合器的转动，当耦合器与车的上下两层链条耦合起的时候，由这两个电机驱动耦合器使得链条转动，达到产品箱进出的目的。3机械手部分图4.8为抓取产品箱部分图4.8 机械手图4.8为机械手。该部分由一个电机，一个机械手以及传感器组成。由电机驱动机械手的伸缩抓取产品箱。 4carrier料盘传送图4.9为carrier料盘的传送部分图4.9 carrier料盘传送部分图4.9为carrier料盘传送部分。该部分由两根皮带和一个电机以及传感器组成。由电机带动皮带转动，使得carrier料盘进出。以上4部分为hirata设备的结构。除此之外，还有一个触摸显示屏控制软件图4-10 控制软件图4-10为hirata设备控制软件，该软件主要实现的功能有：a,查看所有传感器状态。当设备出现故障时，可以通过查看传感器的状态来判断出现故障的地方。b，控制电机的转动。有时设备出现故障时，需要人为控制电机转动来测试或控制。c，调整设备位置。通过调整设备各部分位置使得设备各部分能够和谐的，稳定的，默契的工作。4.2.2 分拣机acs结构该设备由德国grohmann公司制造。相比tmt设备而言，它具有分拣速度快，自动化程度高，放置精确等优点。图4-11为acs外观图图4-11 acs外观图图4-11为acs外观图。该设备具有分拣速度快，自动化程度高，放置精确等优点，已经逐渐取代由lkt公司制造的tmt设备。该设备由以下部分组成：1，电脑。该设备用到两个电脑：控制电脑和图像处理电脑。两个电脑共用一个显示器，如图4-11所示。图像处理电脑处理生产过程中抓取的图像，然后将结果传给控制电脑，通过它控制设备的运行。2，饲喂部分feeder。如图4-12所示。图4-12 饲喂机部分feeder图4-12为acs设备的饲喂部分feeder。该部分的主要功能是添加料盘tray和出产品。图4-13为此部分的结构图图4-13 饲喂部分结构图图4-13为饲喂部分结构图。主要由上下两层堆栈区和两个升降台构成。上层堆栈区用来存放需要进入设备的料盘tray。下层堆栈区用来存放需要出来的产品。通过两个升降台进行调节。3，机械手。机械手主要用来抓取，分拣芯片。机械手部分是整个设备中最昂贵的部分，也是最为先进的部分。机械手的优点：a，内置一个非常精密的光栅尺，通过对光栅尺上的刻度的读取达到精确定位。b，机械手通过电磁感应原理和气的推动来控制吸头的升降和旋转。c，机械手抓取芯片的力度可以很好的调节，避免损伤芯片。图4-14为机械手的外观图图4-14 机械手外观图4，user interface 软件该软件主要控制设备的运行，调试。它主要具有如下功能：a，查看传感器状态b，控制输出，包括电机转动，升降台的升降等c，调整设备的机器参数。设备运行了较长时间后，因为震动等原因会发生微小的偏移，虽然偏移量小但是影响设备的精确度，这个时候，需要调整设备的机器参数使设备重新稳定地，精确地运行。d，测试设备各部分的好坏。5，图像处理软件vision software在生产过程中设备会抓取很多图像，图像处理软件处理图像产生一系列结果后传给控制电脑控制设备的运行。通常，图像处理产生的结果用来控制设备的精密运行。图4-15是图像处理软件的界面图4-15 图像处理软件 vision software4.3 人机工程学人机工程主要是用来保护工作人员，让工作人员避免因为姿势不合理等带来的对身体的伤害。人机工程在生产过程中有如下体现： a.当搬运小于或等于半箱magazine时必须使用双手。 b.当搬运的magazine装的carrier超过半箱时需要两个人同时操作。 c.抬起magazine时应屈膝并保持背挺直 d.使用双手搬运jedec trays e.最多可一次搬运15盘空tray f.在做实时检查时，使用液压力将有carrier的magazine升起到适合你做目检的高度。 g.一次最多只能搬运五盘装有units的jedec tray4.4 设备维护pm为了更好的使用和延长机器的使用寿命，定期的对机器进行维护是非常必要的。但是在维护机器的时候一定要小心的处理好维护工作，否则出现错误的话就会影响很大。设备维护的时间可以根据生产量来定，也可以预先安排维护时间，定时维护就行了。定时维护可分为：周维护、双周维护、月维护、季度维护、半年维护和年终维护。设备维护从内容上又可以分为硬件维护和软件维护。硬件维护1.周维护和双周维护周/双周维护在内容上是一样的，只是在时间上的不同而已。下面具体介绍其维护的内容。l 在生产跟踪系统里纪录维护开始时间，并将生产设备状态设置为维护状态。这样以后，设备就不能用于生产了，以便于维护。l 在系统里察看前两周的报警纪录，检查是否有异常的历史报警纪录。l 纪录下三条最严重的报警纪录。l 纠正重复报警。l 移出进料器，是其脱离贴片主设备，便于维护。l 关掉主电源，并做好标定锁定。l 清理设备内部、外部和进料器内部。l 清洁并在设备内部涂上润发剂，用干抹布擦拭。并在喷油嘴内加上油脂。l 清洁风扇滤网。l 用ipa异丙醇擦拭校准玻片和设备平台。l 检查吸头是否损坏，如果损坏就更换掉。清洁吸头。l 移除标定锁定，打开主电源。l 清洁传动带传感器，并用异丙醇湿润。l 确定循环风扇功能是否完好。l 测试激光排列情况。l 检查是否有漏气。l 运行设备，确保正常生产。l 在生产跟踪系统里将设备状态设置为生产状态。2月度维护和季度维护它们在内容上是一致的。以下便是具体步骤。l 在生产跟踪系统里纪录维护开始时间，并把整个设备状态设置为维护状态。l 在系统里察看前两周的报警纪录，检查是否有异常的历史报警纪录。l 完成周维护所要做的所有维护步骤。l 在系统里列出三条最严重的报警纪录。l 纠正其它报警纪录数据。l 移动进料器使其处于维护状态。l 关掉主电源，并标定锁定。l 用防静电布沾上异丙醇清洁传动带。l 检查信号线路和软管是否损坏。l 检查气动单元和冷凝单元。l 用刷子清理掉摄像镜头上的灰尘。l 检查吸头是否有环状橡胶，如有，则更换吸头。l 检查用于校准的喷嘴是否完好 l 检查玻璃片上的铬是否完整。l 确定气动夹工作是否正常。l 检查驱动马达是否正常。l 移除标定锁定，打开主电源。 l 在系统里将设备状态设置为生产状态。3半年/年终维护 具体步骤如下：1. 完成周维护任务。2. 完成季度维护任务。3. 测试紧急停机按钮emo和连锁开关功能是否正常。4. 检查所有的传动带，如有必要就