（材料物理与化学专业论文）高可靠性电子封装中防潮薄膜技术的研究.pdf

摘要 在高可靠性电子封装中，为了抵御高温高湿的极端气候，防潮薄膜技术 有着极其重要的作用。本文着重从实验和模拟两方面研究了有机无机双层膜 防潮技术相关的材料筛选、工艺优化、防潮性能等，首次提出了硅酮加氮化 硅双层膜结构的技术方案，并将该技术应用于先进的倒装焊( f c o b ) 封装的 水汽敏感性研究。此外，首次深入研究了近室温沉积的p e c v d 氮化硅薄膜的 性质和防潮性能，并有效地应用于有机发光器件( o l e d ) 的封装。 通过对有机和无机防潮镀层材料的研究和筛选，确定了硅酮加氮化硅双 层膜结构的技术方案；通过对硅酮涂敷工艺的优化，得到了表面光滑平整无 气泡的硅酮涂层；通过对氮化硅沉积参数的优化，得到了防潮性能优良、台 阶覆盖一致、大面积沉积均匀和在水汽及热冲击下稳定性良好的氮化硅薄膜； 通过对在硅酮表面沉积氮化硅工艺的优化，得到了外观平整性能优良的硅酮 氮化硅双层防潮膜结构。 通过对在f r 4 基板上用引线键合和顶充胶封装的湿度传感器的进一步测 试，研究了在不同温度湿度条件下研究无防护、氮化硅薄膜防护、硅酮涂层 防护、硅酮涂层加氮化硅薄膜防护四种情况下的水汽扩散过程；采用体扩散 模型和a n s y s 有限元软件对实验测出的水汽扩散曲线进行了拟合，从而计算 出水汽的扩散系数、扩散激活能和水汽浓度在封装体内的分布及随时间的变 化。氮化硅薄膜和硅酮涂层防护的效果相近，虽有所改善但不理想；这是由 硅酮的聚合物结构和氮化硅薄膜的台阶覆盖性能所决定的。硅酮加氮化硅薄 膜双层防护的样品表现出了优异的防水性能，这是由于方面硅酮本身可以 阻挡水汽，另一方面硅酮又使得顶充胶的台阶平滑化，可沉积出厚度均匀而 致密的氮化硅防水膜。 将有机无机双层膜防潮技术的研究结果应用于倒装焊样品的水汽防护， 比较了无防护、氮化硅薄膜防护、硅酮涂层防护和硅酮涂层加氮化硅双层膜 防护四种情况下水汽对倒装焊可靠性的影响。实验结果表明： 虽然水汽的侵入会逐渐降低芯片与环氧基材料界面的粘合强度，但水汽 的单独作用对倒装焊可靠性影响不大。当底充胶材料吸收少量水汽时，不会 导致胶芯片界面的分层。 温度高达2 4 0 。c 时，温度的单独作用对倒装焊可靠性影响也不大，硅酮 涂层加氮化硅双层膜防护的倒装焊芯片可以通过j e d e c 水汽敏感一级标准。 水汽和温度( 特别是高温) 的联合作用将严重影响倒装焊可靠性。无防 护样品、氮化硅薄膜防护样品、硅酮涂层防护样品在j e d e c 水汽敏感一级标 准评测中失效。 如果样品中水汽含量特别高，即使经历的温度不是很高，也有可能出现 分层等问题。无防护的倒装焊样品经过8 5 。c 8 5 r h 环境下1 0 0 0 小时后，水 汽含量已经非常高，随后的热冲击最高温度只有1 2 5 ，仍然出现了少量的 分层。 p e c v d 氮化硅薄膜的往质，如密度、折射率、成分和化学键台，均随着 沉积温度和射频功率而变化。当沉积温度从2 0 增加到1 8 0 时，p e c v d 氮 化硅薄膜的密度、折射率和s i n 比相应增加，而沉积速率和h 含量相应减 少。当射频功率从1 0 w 增加到3 0 w 时，p e c v d 氮化硅薄膜的沉积速率、密度、 折射率和s i n 比相应增加，而h 含量相应减少。水汽渗透实验发现，即使 沉积湿度降低为5 0 ，所沉积的氮化硅薄膜仍然具有良好的防水性能。研究 结果可以有效地应用于o l e o 的封装。实验表明，氮化硅薄膜封装后的o l e d 的寿命比未封装的提高了超过两个数量级。 关键词： 防潮技术，敷形涂层，等离子体化学气相沉积，倒装焊，有机发光器件 茎壅塑蔓 a b s t r a c t h u a n gw e i d o n g ( m a j o r ：m a t e r i a lp h y s i c s a n d c h e m i s t r y ) d i r e c t e db y p r o f l u ol e m o i s t u r e r e s i s t a n tc o a t i n gt e c h n o l o g yi so f g r e a ti m p o r t a n c e 南rh i g hr e l i a b i f i t y e l e c t r o n i cm o d u l e sa p p l i e di ne x t r e m e l yh i g h t e m p e r a t u r e a n dh j 【g h - h u m i d i t y e n v i r o n m e n t h at h i st h e s i s ，a l l o r g a n i c i n o r g a n i c d u a l - l a y e rm o i s t u r e r e s i s t a n t c o a t i n gt e c h n o l o g yi n c l u d i n gt h e m a t e r i a l s e l e c t i o n ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n a n d m o i s t u r e r e s i s t a n ta b i l i t yw a ss t u d i e db yb e t he x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n t h e n t h ed u a l l a y e rc o a t i n gt e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho nt h em o i s t u r e s e n s i t i v i t yl e v e lo f a d v a n c e d f l i p c h i po nb o a r d ( f c o b ) p a c k a g i n g t h ep r o p e r t i e s a n dm o i s t u r e - r e s i s t a n ta b i l i t i e so fp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) s i n x f i l m sd e p o s i t e da tn e a r r o o m t e m p e r a t u r ew e r e a l s os t u d i e df o rt h e a p p l i c a t i o ni no r g a n i cf i g h te m i t t i n gd e v i c e s ( o l e d ) p a c k a 百n g , w h i c hn e e da b a r r i e rl a y e ra g a i n s tm o i s t u r ea n do x y g e n d e p o s i t e d a tl e s st h a n5 5 c a s i l i c o n e s i n xd u a l l a y e rs t r u c t u r ew a su s e db ys e l e c t i o no nv a r i o u so r g a n i c c o n f o r m a lc o a t i n g sa n di n o r g a n i cf i l m s al a y e ro fs i l i c e n ec o a t i n gw i t hs m o o t h s u r f a c ea n dw i t h o u tb u b b l e sw a so b t a i n e db yo p t i m i z a t i o no f c o a t i n gp r o c e s s p e c v d s i n xf i l m sw i t hg o o dm o i s t u r e - r e s i s t a n ta b i l i t y ，s t e pc o v e r a g e ，u n i f o l m i t y o n l a r g ea r e a ，s t a b i l i t yu n d e rh i g hh u n t i d i t ye n v i r o n m e n ta n dt h e r m a ls h o c kw e r e d e p o s i t e db yo p t i m i z a t i o n o fd e p o s i t i o n p a r a m e t e r s t h e n a s i l i c o n e s i n x d u a l l a y e r s t r u c t u r ew i t ha g o o d s m o o t hs u r f a c ew a so b t a i n e d b yp r o c e s s o p t i m i z a t i o no f t h es i n xd e p o s i t i o n o ns i l i c o n es u r f a c e h u m i d i t ys e n s o r sa r ew i r e - b o n d e dt of r 4l a m i n a t eb o a r d sa sc h i po nb o a r d ( c o b ) a n dp a c k a g e d w i t h e p o x y - b a s e dg l o b t o p t h em o i s t u r e d i f f u s i o n si n g l o b t o pm a t e r i a lo fu n c o a t e d ，s i n x c o a t e d ，s i l i c o n e c o a t e da n ds i l i c o n ep l u ss i n x d u a l c o a t e d s a m p l e sw e r ei n v e s t i g a t e da t t h r e ed i f f e r e n te n v i r o n m e n t s7 0 8 5 r h 8 5 8 5 r ha n d9 5 8 5 r h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r e s i m u l a t e d b y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a c c o r d i n g t of i c k sb u l kd i f f u s i o nl a w t h e m o i s t u r ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s ，d i f f u s i o n a c t i v a t e d e n e r g i e s a n d t i m e d e p e n d a n td i s t r i b u t i o r l so fm o i s t u r ec o n c e n t r a t i o ni nc o bp a c k a g e sw e r e c a l c u l a t e d 。t h em o i s t u r e - r e s i s t a n c e so fs i n x - c o a t i n ga n ds i l i c o n e - c o a t i n g 料e s i m i l a ra n dn o tg o o de n o u g h ，w h i c hi sd u et o p o o rs t e pc o v e r a g eo fs i n xa n d p o l y m e rs t r u c t u r eo fs i l i c o n e t h ee x c e l l e n tm o i s t u r e - r e s i s t a n c ec a nb ef o u n di n s i l i c o n ep l u ss i n xd u a l c o a t e ds a m p l e t h i s m a y b ec o n t r i b u t e dt ot h ef a c tt h a tt h e 英文摘要 s i l i c o n ec o a t i n gn o to n l yb l o c k st h em o i s t u r ei n g r e s sb u ta l s os m o o t h st h eg l o b t o p s t e p ，t h e r e f o r es i n xf i l m s c a l lb ed e p o s i t e d c o m p a c t l y t h er e s e a r c hr e s u l t so fo r g a n i c i n o r g a n i cd u a l - l a y e rc o a t i n gt e c h n o l o g yw e r e a p p l i e di nt h er e s e a r c ho n f c o bm o i s t u r es e n s i t i v i t yl e v e l t h em o i s t u r ee f f e c to n f c o br e l i a b i l i t yw a ss t u d i e df o ru n c o a t e d ，s i n x - c o a t e d ，s i l i c o n e - c o a t e da n d s i l i c o n ep l u ss i n xd u a l - c o a t e d s a m p l e s t h ec o n c l u s i o n sc a n b el i s t e db e l o w t h em o i s t u r ei n g r e s sm a y g r a d u a l l yd e g r a d et h ea d h e s i o no f i n t e r f a c eb e t w e e n s i - c h i pa n de p o x y - b a s e dm a t e r i a l b u tt h em o i s t u r ee f f e c to nf c o br e l i a b i l i t yi s n o ts i g n i f i c a n t as m a l la m o u n to fm o i s t u r ea b s o r b e di nu n d e r f i l lm a t e r i a lc a l ln o t l c a dt od e l a m i n a t i o no f i n t e r f a c eb e t w e e n s i c h i pa n du n d e r f i l l t h e t e m p e r a t u r e ( e v e nh i 曲t e m p e r a t u r ea t2 4 0 。c ) e f f e c to nf c o br e l i a b i l i t yi s n o ts i g n i f i c a n t 。t h es i l i c o n e p l u ss i n xd u a l - c o a t e ds a n l p l e sc a l lp a s si e d e c m o i s t u r es e n s i t i v i t yl e v e l1 t h ec o m b i n e de f f e c to fm o i s t u r ea n d t e m p e r a t u r e ( e s p e c i a l l yh i g ht e m p e r a t u r e ) c a nh e a v i l yd a m a g et h e r e l i a b i l i t y o ff c o b t h eu n c o a t e d ，s i n x - c o a t e da n d s i l i c o n e - c o a t e d s a m p l e s a l lf a i l e di nj e d e cm o i s t u r e s e n s i t i v i t y l e v e l1 q u a l i f i c a t i o n e v e nn o ta t v e r yh i g ht e m p e r a t u r e ，f c o bs a m p l e sw i t he x t r e m e l yh i 曲 m o i s t u r ec o n c e n t r a t i o nm a ys h o wd e l a m i n a t i o n a f t e r 1 0 0 0 ha t8 5 8 5 r h e n v i r o n m e n tt h eu n c o a t e d s a m p l e s c o n t a i n e d e x t r e m e l yh i 曲c o n c e n t r a t i o n m o i s t u r e t h e r e f o r ea f t e rt h ef o l l o w i n gt h e r m a ls h o c kw i t hah i 曲t e m p e r a t u r ea t 1 2 5 as m a l 】a r e ao f d e l a m i n a t i o nc a nb eo b s e r v e d p e c v ds i n xf i l m s p r o p e r t i e ss u c ha sd e n s i t y , r e f r a c t i v ei n d e x c o m p o s i t i o n a n db o n d i n gc o n f i g u r a t i o na r ev a r i e dw i t ht h es u b s t r a t e t e m p e r a t u r ea n dr f p o w e r 、v i mi n c r e a s i n gs u b s t r a t et e m p e r a t u r ef r o m2 0 。ct o1 8 0 t h ed e n s i t y , r e f r a c t i v ei n d e xa n ds i nr a t i oo fp e c v d s i n xf i l li n c r e a s e ，b u td e p o s i t i o nr a t e a n dhc o n t e n td e c r e a s e w i m i n c r e a s i n gr fp o w e r f r o m1 0 wt o3 0 w d e p o s i t i o n r a t e ，d e n s i t y ，t h er e f r a c t i v ei n d e xa n ds i nr a t i oo fp e c v ds i nf i l mi n c r e a s e ，b u t hc o n t e n td e c r e a s e 。e v e na tt h el o ws u b s t r a t e t e m p e r a t u r ea s5 0 t h em o i s t u r e r e s i s t a n c eo fs i n xf i l m sk e e p sq u i t eg o o d o u rr e s u l t sc u nb ea p p l i e di no l e d p a c k a g i n ge f f e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tt h el i f e t i m eo ft h ee n c a p s u l a t e do l e d i n c r e a s e sb ym o r et h a nt w oo r d e r so f m a g n i t u d eo v e rt h a to ft h eu n e n c a p s u l a t e d o i l e k e y w o r d s ： m o i s t u r e r e s i s t a n t ，c o n f o r m a lc o a t i n g ，p e c v d ，f c o b ，o l e d 兰= 皇堂皇王堑茎垦苎堕塑翌堕垫查坠 第一章微电子封装及其防潮薄膜技术概述 1 1 微电子封装技术简介 自本世纪5 0 年代晶体管诞生以来，微电子技术发展异常迅速，目前已进 入甚大规模集成电路和系统集成时代，微电子已经成了整个信息时代的标志 和基础。集成电路( i c ) 由最初的几个晶体管集成在一个芯片上的小规模集 成( s s i ) ，经过m s i ( 中规模集成) 、l s i ( 大规模集成) 、v s i ( 超大规模 集成) 到今天的u l s i ( 特大规模集成) 乃至g s i ( 千兆规模集成) ，集成度 已提高了8 到9 个数量级；而特征尺寸却在4 0 年间缩小了1 4 0 倍 1 ，2 。m o o r e 定律 3 芯片集成电路按照4 年( 后来发展到3 4 年) 为一代，每一代 集成度要翻两番，芯片工艺线宽约缩小3 0 ，工作速度提高1 5 倍得到 了充分地验证。 微电子科学技术和产业发展的重要性，首先表现在当代的食物链上，即 国民经济总产值( g n p ) 每增加i 0 0 3 0 0 元，就必须有l o 元电子工业和1 元集成电路产值的支持。而且据相关数据表明，发达国家或是走向发达国家 的过程中，在经济增长方面都有这样一条规律，电子工业产值的增长速率是 g n p 增长速率的3 倍，微电子产业的增长速率又是电子工业增长速率的2 倍 4 。 微电子技术的核心是集成电路( i c ) 。而i c 芯片功能的实现，要靠连接引 出信号，即靠封装组成半导体器件。封装是i c 支撑、保护的必要条件，也是 其功能实现的组成部分，没有封装的芯片不能实际工作。因此微电子行业的 三大领域即是芯片设计、芯片制造和微电子封装。封装是芯片和电子系统之 间的桥梁，集成电路封装技术的发展既受微电子技术中芯片设计和制造技术 的推动，同时，封装技术的发展又有力地支撑和推动了整个微电子技术地发 展。在过去几十年里，为适应集成电路向小型化、高速化、大功率、高密度 发展的需要，集成电路封装技术得到了不断的提高和改进。随着i c 工业的飞 速发展，芯片的集成度越来越高，功能越来越强大，信号引出数目越来越多， 芯片的功率不断提高，芯片制造也开始向大尺寸、信号传输高速化转变。这 对电子封装技术提出了更高的要求，电子封装已从传统的插入式器件向高密 度、高可靠性封装方向发展，进而新发展起来各种先进封装形式，如芯片尺 高可靠性电子封裟中防潮薄麒技术的研究 度封装( c s p ) 、球栅阵列( b g a ) 和多芯片封装( m c p ) 等已逐渐成为新一代电子器 件和电子产品的组装手段。同时，封装总体的效率( 芯片面积与印刷电路板 面积比) 己从8 提高到2 0 0 0 年的4 0 ，到2 0 1 0 年将达8 0 以上。另一方 面，为了提高系统的信号传输速度，人们开始研究低介电常数的封装材料， 如低温共烧陶瓷技术，用于高频高速系统和无线通讯领域。另一特征为，封 装的引线越来越短，最终发展为无引线封装；片式、膜状封装材料也成为研 究热点，并大量用于卡式、小型移动通讯或者智能卡领域。光学连接也开始 应用于封装器件中。同时，封装的成本也比以前任何时候显得更加重要，特 别是对于消费类电子产品。 1 1 1 微电子封装的定义 所谓微电子封装，或者说电子封装就是采用特殊的材料与结构来包封芯 片，对芯片起到机械支撑和保护的作用，并通过送电和输入输出信号实现芯 片的功能，进面实现系统的功能。根据美国乔治亚理工学院的r a or t u m a a l a 等主编的微电子封装手册中的定义 5 ，封装具有四种主要作用：( 1 ) 信 号的输入、输出端向外界的过渡手段；( 2 ) 电源的输入、输出端同外界的过渡 手段：( 3 ) 散热；( 4 ) 保护器件不受外界环境的影响，如图1 1 所示。 图1 1 封装的四种主要功能 因此，集成电路封装是指将具有一定功能的集成电路芯片，放置在一个 与之相适应的外壳或外层中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境；同时。 封装也是芯片各个输出、输入端的向外过渡的连接手段，以及起将器件工作 所产生的热量向外扩散的作用，从而形成一个完整的整体，并通过一系列的 2 第一章微电子封装及其防潮薄膜技术概述 性能测试、筛选和各种环境、气候、机械的试验，来确保器件的质量，使之 具有稳定、正常的功能。实际上，微电子元器件的应用越来越广泛，集成电 路芯片等元件若无封装保护，其性能无法实现 6 】。因此，集成电路的封装是 集成电路各种性能得以实现的重要保证。 i c 封装发展总的原则是，在保证可靠性的前提下提高信号传输速度，提 高功率，提高散热能力，增加i o 端口数，减少器件尺寸，降低封装生产成 本。目前，i c 封装概念已由器件封装扩展为电子封装，即包括从芯片到组装 在印刷电路板( p c b ) 的全过程。 1 1 2 微电子封装的级别 理论上，晶片规模集成( w s i ) ，即在一个晶片上制作出整个系统或次级 系统并进行封装，最后切割开来成为一个个器件，是最理想化的微电子封装。 然面，由于集成电路工艺技术所限，导致w s i 成品率低，迄今为止，微电子 产业般仍采用先将晶片划分为一系列单个芯片，在完成各芯片个体封装并 测试后，再进一步组装成系统，因此形成了微电子封装系统中的多级封装组 装体系。从整个封装结构看，电子封装包括一级封装、二级封装和三级封装 6 8 。图1 2 示出了前三级封装组装层次图例，第一级为芯片级封装，第二 级为电路板( 或卡) 级组装，第三级为母板级组装。 图1 2 电子封装系统中前三级封装组装层次 尽管晶片没有包括在图中的封装层次里，但是集成电路芯片取自于整块 晶片。如何实现一个芯片( 或多个芯片) 有效、可靠的封装，已成为微电子 技术发展的一个重要方面。本章按封装与芯片的关系，分为芯片级互连、一 级封装、二级封装等方面进行阐述。 1 。1 2 1 芯片级互连 引线键合( w i r eb o n d i n g ) 、倒装焊( f l i pc h i p ，f c ) 和载带自动焊( t a p e a u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 是芯片和封装互连通常采用的三种技术。具体取决 于芯片和基板上的i 0 ( i n p u t o u t p u tt e r m i n a l ) 端口数目和间距以及所允许 的成本。引线键合和载带自动焊的i o 端口数目最大约为1 0 0 0 ，而倒装焊的 i o 端口数目可多达1 6 0 0 0 。 引线键合即通常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金一金键合，金一铝 键合或铝一铝键合。因为它们都是在一定压力下进行焊接，所以又称键合为压 焊。到目前为止，芯片周边i 0 端口数的单排或双排连续的引线键合已经能 满足逻辑电路的陶瓷和塑料封装的需要。自动引线键合的速度非常快，效率 非常高，可靠性亦好。若在高i o 端口数目下想要保持小的芯片尺寸，周边 排布的u o 间距就必须更小( 1 9 9 6 年时就已达到周边5 0 0 6 0 0 个连接点) ， 这就必须用t a b 键合来取代引线键合。另一方面，从周边焊接发展到面阵列 焊接工艺时，芯片的整个表面被凸点面阵列所覆盖，其最高i o 数可达到 2 0 0 0 3 0 0 0 。凸点技术成为此技术的关键点之一。 倒装焊技术通过在集成电路( i c ) 芯片的输入输出( i o ) 端用平面工艺制 成金属凸点( 通常采用s n p b 基焊料合金) ，将裸芯片面朝下贴装在基板上( 如 f r 4 印刷电路板) ，利用再流焊工艺使芯片凸点焊球和基板焊盘问形成焊点， 实现芯片与基板的电、热和机械连接。由于省略了芯片和基板之间的引线， 起电连接作用的焊点路径短，使倒装焊技术与其它封装技术相比，具有封装 密度高、信号处理速度快、寄生电容电感小等优点。 1 1 2 2 一级封装 一级封装是指芯片级封装，即将芯片封装以形成器件，所以又称器件封 装。最基本的集成电路器件封装是指将一个具有一定功能的集成电路芯片， 放置在一个与之相适合的外壳容器或保护外层中，为芯片提供一个稳定可靠 的工作环境和与外部的机械连接和电学连接。同时，封装也是芯片各个输出、 输入端向外过渡的连接手段，从而形成一个完整的器件，并通过一系列的性 4 墨二兰 塑皇三塾茎垄茎堕塑堕堕塾查塑垄一 能测试、筛选，以及各种环境、气候和机械的试验，来确保集成电路的质量。 因此，器件封装的目的在于提供芯片与外界的连接并保护芯片不受外界环境 的影响。 在过去的3 0 多年中，一级封装可分为两类：仅包含单个芯片时，为单芯 片模块( s c m ) ；多于一个芯片，为多芯片模块( m c m ) 。图l3 给出了一级 封装发展的演化进展情况。最后，电子封装将发展为系统级集成模块( s l i 6 f 【) 。 图1 3 电子封装的发展 1 1 2 3 二级封装 二级封装是指将元器件连接在印刷电路板上。它有三种基本连接类型： 一种是引脚需要插入通孔( p t h ，p i n t h o u g h t h o l e ) 的引脚插入类，另一釉 是引脚表面贴装类，它使用表面贴装技术( s m t ) 实现表面贴装器件( s m d ) 和印 刷电路板的连接。第三类是b g a ，它使用面阵列形式的焊球代替了引脚。封 装组件包括装有逻辑电路和存储器有源芯片的陶瓷或塑料封装器件，和电容、 电阻、电感等无源元件。图1 4 给出了集成电路二级封装的发展过程和未来 趋势。从早期的通孔插入封装到八十年代的表面贴装，九十年代后期的球栅 阵列封装和代表未来发展方向的系统级集成模块( s y s t e m l e v e li n t e g r a t e d m o d u l e ，s l i m ) 。其中s l i m 是由美国乔治亚理工学院提出的一种新的封装概 念，它可以做到真正的系统级的集成( 把各芯片、无源元件、各级封装等都 塞! 整丝皇王塾苎堕塑翌堕垫查塑竺塑一 集成为一体积很小的模块) ，是高密度电子封装的发展方向。 图1 4 集成电路二级封装的发展趋势 下一级封装( 三级或更高级) 可能是一个小型装置( 如手持电话) 的外 壳，也可能是某一设备的母板。在较大的设备中，几个卡会插入一个印刷电 路板( p w b ) ，这些卡有时称为“子板”，而该p w b 称为“母板”。如在工作站 的机箱内可能有几块子板。 1 1 2 4 芯片直接贴装于印刷电路板 芯片贴装于印刷电路板( c o b ，c h i p o n b o a r d ) 或芯片直接贴装( d c a ， d i r e c tc h i pa t t a c h m e n t ) 技术，如印刷电路板贴装芯片( c o b ) ，玻璃板贴装 芯片( c o g ，c h i p o n g l a s s ) 和倒装焊( f c o b ，f l i p c h i po nb o a r d ) ，可以消 减一级封装，直接实现芯片和p c b 的连接。一种典型的c o b 技术是将芯片粘 合在印刷电路板上，用微细金属线将芯片输入输出端口连接在印刷电路板上 的各端口上，并充顶封胶保护。这种技术避免了引线框架和引脚，提供了很 小的几何尺寸和很高的信号速度。该技术在提高封装密度、减少重量、降低 成本等方面有广泛的应用。倒装焊是应用较广的c o b 技术，它能提供所有封 装技术中最商的封装密度，但倒装焊技术需在芯片电路面上靠作焊球，芯片 电路面向下将焊球直接与印刷电路板上焊盘焊连。有人预计，在不远的将来， 倒装焊将成为封装技术的主流。底充胶的使用能有效地提高倒装焊连接的可 靠性。但是，对于焊点和底充胶的可靠性还有待进步研究。c o b 封装省略 了器件封装这一步，能满足缩小体积、减小重量、降低成本的要求，正在得 到迅速的发展。 6 苎二童垡皇三塾薹垦茎堕塑苎堕楚查塑鲨 1 1 3 电子封装的发展趋势 集成电路封装工艺的发展是伴随着集成电路工艺的发展和成熟而发展 的。在集成电路工艺的早期，封装技术并未能受到足够的重视，被认为是次 要的技术。当时对于封装技术的了解也仅限于从事封装工作的人员。但是， 随着集成电路工业的迅猛发展，不仅整个半导体工业成为当今第一大产业， 而且半导体技术已经渗透到各个工业及社会生活领域，如消费性电子、计算 机、汽车电子、通讯领域等。此时，封装技术的发展已成为影响集成电路技 术发展和应用的瓶颈问题。据统计，当前的电子器件中，其成本的4 0 是用 于封装，而对于集成电路的失效则超过2 5 是由封装因素引起的 9 。因此， 近年来对于封装技术的研究引起了科研及产业界的高度重视。总的来说，影 响集成电路封装工艺发展的因素主要有：集成电路芯片的输入、输出端子数 ( i o 数) ；封装的可靠性；成本：系统性能等。而封装技术的发展趋势正是 为了适应以上的要求面向着高封装密度、高可靠性、和低成本要求发展。 ( 1 ) 高封装密度： 某种封装形式的封装效率可以用芯片和封装外形的体积比来表示。通常来说， 双列直插( d i p ，d u a li n l i n e ) 等封装形式的封装效率仅有2 7 。八十年 代中期出现的主要以表面贴装工艺( s m t ，s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ) 为主 的四面引脚的封装形式，如塑料扁平封装( p q f p ，p l a s t i cq u a df l a t p a c k a g e ) 、薄型扁平封装( t q f p ，t h i no u a df l a tp a c k a g e ) 等，其封装效率 有1 0 一3 0 。进入九十年代，为了适应芯片i 0 数的增长和器件小型化的要 求，出现了球栅阵列( b g a ，b a l lg r i da r r a y ) 、芯片尺寸封装( c s p ，c h i ps c a l e p a c k a g e ) 等新型封装形式，其封装效率可达2 0 - - 8 0 。最近，采用倒装焊技 术( f l i pc h i p ) 或导电胶方法将裸芯片直接贴装到印刷电路板上的 d c a ( d i r e c tc h i pa t t a c h m e n t ) 技术，可使封装效率达到5 0 一9 0 。 ( 2 ) 高可靠性： 随着半导体技术在工业生产自动化、计算机技术、通讯技术中的广泛应用， 以及电子设备的复杂程度不断加大，对于电子器件的可靠性要求也越来越高。 在早期的各种封装形式中，陶瓷等气密性封装可靠性最高。而早期的塑料封 装由于水汽扩散问题未能解决，可靠性难以同气密性封装相比。随着材料和 工艺的不断改进，目前，塑料封装的可靠性在某些方面已接近或达n t 陶瓷 等气密性封装的水平。同时，由于塑料封装成本低和适合大规模自动化生产， 所以当前国际上整个集成电路生产中9 7 的芯片采用塑料封装形式 1 0 。除 广泛地应用于家电、计算机等领域，塑料封装已开始应用于汽车电子、航空 壅里童丝皇至塾鳖! 堕塑堕堕塾查竺堡塑一 等高可靠性要求的领域。而且，塑料封装也正逐步应用于对可靠性要求非常 严格的军用领域。 ( 3 ) 低成本： 塑料封装的成本由以下几个因素决定，即芯片，塑封材料，组装成本和产率， 筛选，老化及产率等，由于超过9 7 的集成电路芯片采用塑料封装形式，所 以塑料封装因有大的需求、竞争因素和高质量的大规模自动化生产而具有较 低的成本。而气密性封装因为需要进行严格的测试和筛选实验，以至于增加 了成本。据有关资料预计。引脚数每年的增长速率为8 一1 1 ，每个引脚 的成本的降低速率为每年5 1 1 。因此，如何降低封装成本仍是今后封装 技术发展的重要课题。 1 2 水汽对电子封装可靠性的影响 水汽对器件的影响早在封装器件出现时就己出现。但在早期，电子器件 多采用气密性封装，封装材料多为金属或陶瓷，电子器件的尺寸也较大，因 此水汽很难渗透迸电子器件内部，对电子器件可靠性的影响也不大，没有引 起人们太多的注意。随着电子集成技术的发展，电子器件的尺寸越来越小， 芯片上的线宽越来越窄。对复杂电子系统的广泛需求要求系统中关键电子集 成电路具有更高的可靠性。这些集成电路应该能够抵抗潜在的环境应力，阻 止迁移离子和水汽进入电路，防止机械损伤等 1 2 。 同陶瓷等气密性封装形式相比，塑料封装具有重量轻、体积小、成本低、 适应于自动化生产等优点，被广泛应用于消费类电子产品。但是，塑封材料 中的环氧树脂类密封材料气密性不好，对水汽敏感。水汽的侵入会导致集成 电路中金属的氧化和腐蚀 1 3 ，1 4 。此外，进入器件内部的水汽会逐渐在芯 片与塑封料、引线框架与塑封料之间界面处凝结。当器件经历温度循环或高 温时，这些界面处的水汽将会膨胀，造成芯片与塑封料、引线框架与塑封料 之间的分层，以及所谓的“爆米花”现象 1 5 。而且，在高温情况下，水汽 会降低塑封料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度 1 6 ；水汽还会引起塑封 料的硬化、改变塑封料的介电常数 1 7 。 目前大多数电子器件采用的是塑料封装，水汽对封装器件可靠性的影响 也越来越大根据美国电子工业联合会的报告，塑料的潮湿敏感性是一个“对 苎二空堂皇王塾茎垦基堕塑苎堕垫查塑堕一 集成电路质量和可靠性具有极端重要性的问题”。下面，详细介绍水汽 导致的器件可靠性的主要问题：腐蚀、分层和开裂。 1 2 1 腐蚀失效 水汽的侵入会导致集成电路中金属的氧化和腐蚀。金属在潮湿环境中的 氧化是导致电阻变化的一个主要机制 1 8 。铝线的电化学腐蚀是集成电路器 件中一种非常严重的失效类型，它不仅存在于塑料封装中，在气密性封装中 也时有发生 1 9 。电化学腐蚀将导致铝线开路和枝晶的生长。水汽和电偏压 的存在是电化学腐蚀发生的必要条件。在气密性封装中，当水汽含量超过 1 0 0 0 p p m ，时，就会导致铝线的腐蚀；而在气密性封装的腔体中，水汽的含量 常常超过5 0 0 0 p p m 。 在塑料封装中，铝线的腐蚀比气密性封装要严重得多。塑料封装不断地 吸收和释放水汽，就象“呼吸”一样。即使在干袋存储过程中，塑料封装器 件中的水汽含量也会达到饱和，只是饱和度会随着外界环境中气体压力的不 同而有所不同。在铝线的电化学腐蚀中，杂质离子具有重要的作用。在塑料 封装中，存在着许多可引入杂质离子的材料和过程。例如，在环氧树脂等塑 封料以及用于芯片粘片的银浆材料中可能存在氯化物、溴化物或碱金属离子 等，在等离子体刻蚀钝化层的过程中可能会残留氟化物，这些杂质离子的存 在会加速铝线的电化学腐蚀过程。 在塑料封装器件中，当水汽和电偏压存在时，将会发生如下反应： 阳极：2 h 2 0 o ，+ 4 h + + 4 e 。( 1 1 ) h z o = h + + o r( 1 2 ) 阴极：2 h + + 2 e 一一h 。( 1 3 ) 在阴极上，p h 值的升高，将会引发反应： 2 a l + 6 h + - - 2 a i ”+ 3 h 。( 1 4 ) 当杂质离子，如n a + 存在时，n a + 将会迁移到阴极，并发生反应： n a + + e 。一n a ( 1 。5 ) 2 n a + 2 h 2 0 一2 n a + + 2 0 h 一十h 2( 1 6 ) 局部p h 值的升高，将会导致反应 a 1 ”+ 3 0 h 一一a l ( o h ) 。( 1 7 ) 这样，在阴极发生了铝线的阴极腐蚀，电阻值将会升高，并最终产生电路开 路。 此外，不仅在气密性封装和塑料封装中存在着腐蚀现象，在先进的倒装 9 高可靠性电子封装中肪潮薄膜技术的研究 焊封装中也可以发现由侵入水汽导致的失效现象。新加坡的吴建华等人报道 说，在倒装焊封装中，无论有没有间隙填充料，芯片上的a l 焊盘衬底都会被 腐蚀 2 0 。a 1 焊盘的腐蚀是潮湿环境中f c o b 电学性能失效的主要原因。 1 。2 。2 分层和开裂 塑料封装中的开裂现象是另一种与水汽有关的比较严重的失效现象。在 塑料封装中，水汽不停地被塑封料所吸收，并扩散到器件内部：或者，水汽 通过塑封料与引线框架之间的缝隙渗透到器件内部。进入器件内部的水汽会 逐渐在芯片与塑封料，引线框架与塑