十二章装配与封装

1、第十二 章 装配与封装 引言 在制造厂工艺完成后，通过电测试的硅片准备进行单个 芯片的装配和封装，被称为集成电路制造过程的后道工 序。 最终装配和封装是两个截然不同的过程。 最终装配：从硅片上分离出每个好的芯片并将芯片粘贴 在金属引线框架或管壳上，对于引线框架装配，用细线 将芯片表面的金属压点和提供芯片电通路的引线框架内 端互连起来。 封装：是将芯片封在一个保护管壳内 传统最终装配和封装工艺的概貌 对于所有芯片，集成电路封装有4个重要功能： v保护芯片以免受由环境和传递引起的损坏 v为芯片的信号输入和输出提供互连 v芯片的物理支撑 v散热 业界的封装形式选择设计条件：性能、尺寸、重量、可靠 性

2、和成本目标。 封装形式： 封装层次 两种不同的封装层次： 第一级封装：本章所提到的装配和封装被称为第一级封 装。 第二级封装：将集成电路块装配到具有许多元件和连接 件的系统中，大多数使用Sn/Pb焊料（熔化温度183C） 将集成块焊在印刷电路板上。 印刷电路板又称底板或载体，用焊料将载有芯片的 集成电路块与粘贴在板上的电路相连，同时使用连接件 作为其余产品的电子子系统的接口。 集成电路封装层次 12.1传统装配 传统最终装配的步骤： v背面减薄 v分片 v装架 v引线键合 12.1.1背面减薄 在前端制造过程中，为了使破损降低最小，大直径硅 片相应厚些（300mm的硅片是775m厚）。但在装配

3、前必 须减薄，通常被减薄到200到500 m厚。 减薄的目的：较薄的硅片更容易划成小芯片并改善散热， 有益于在薄ULSI装配中减少热应力。更薄的 芯片也减少最终集成电路管壳的外形尺寸和 重量。 12.1.2分片 方法：使用金刚石刀刃的划片锯把每个芯片从硅片上切下来。 12.1.3装架 分片后，好的芯片被挑选出来，粘贴到底座或引线框架上。 芯片的粘结方法： v环氧树脂粘贴 v共晶焊粘贴 v玻璃焊料粘贴 环氧树脂被滴在引线框架或基座的中心，芯片粘贴工具将 芯片背面放在环氧树脂上，加热循环以固化环氧树脂（125 C，1h）。大部分MOS产品直接使用环氧树脂，如果芯片和 封装的其余部分之间有散热要求，

4、可在环氧树脂中加入银粉 制成导热树脂。 1、环氧树脂粘贴： 在减薄的硅片背面淀积一层金，基座有一个金或银的金属 化表面，然后用合金方式将金粘接到基座（加热到420 C 约6 秒，略高于Au-Si共晶温度，在芯片和引线框架之间形成共晶 合金互连）。双极集成电路使用共晶焊粘贴更普遍。 2、共晶焊粘贴 玻璃焊料粘贴：玻璃焊料由银和悬浮在有机媒介中的玻璃颗粒 组成。玻璃焊料中的银和玻璃在固化过程中变 软，并构成对陶瓷具有良好导热的焊接，要 固化含银的玻璃需要相对高的温度。 3、玻璃焊料粘贴 12.1.4引线键合 引线键合又称微互连，是将芯片表面的铝压点和引线框架 上或基座上的电极内端进行电连接。键合线

5、为Au或是Al线， 引线直径是25到75 m之间。 一、引线键合的方法 引线键合的方法根据在引线端点工艺中使用的能量类型分为： v热压键合 v超声键合 v热超声球键合 1、热压键合 利用的能量类型为：热能和压力 具体方法：一种被称为毛细管劈刀的键合机械装置，将引 线定位在被加热的芯片压点并施加压力，力和热结合促使 金线和铝压点形成键合，称为楔压键合。然后劈刀移动到 引线框架内端电极，同时输送附加的引线，在那里用同样 的方法形成另一个楔压键合点。 超声键合使用的能量类型：超声能和压力 键合方法：通过毛细管劈刀底部的孔输送引线并定位到芯片压点上方， 细管针尖施加压力并快速机械振动摩擦，通常超声频率

6、是60kHZ,以形成 冶金键合，键合形成，移到引线框架内端电极压点，形成键合，并将引 线扯断。 2、超声键合 3、热超声球键合 热超声球键合的能量类型：超声振动、热和压力 键合方法：基座保持在150 C 。球键合毛细管劈刀通过中间的孔竖 直输送细Au丝。伸出的细丝用小火焰或电容放电火花加热，引起线熔 化并在针尖形成一个球，在键合过程中，超声能和压力引起在Au球和 Al压点键冶金键合的形成，球键合完成后，键合机移动到基座内端压 点并形成热压的楔压键合，将引线扯断。 二、引线键合质量测试： 目测和拉力测试。 目测：通过看楔压或球并验证已形成良好的键合点来进行。 楔压键合在劈刀尖超声振动接触处有一平

7、坦区。 球键合由于施加压力，球有形变。 拉力试验：提供了键合质量的定量评价 12.2传统封装 早期的金属封装：芯片被粘贴在镀金头的中心，并用引线 键合到管脚上，在管脚周围形成玻璃密封，一个金属盖被 焊到基座上以形成密封。 最广泛使用的传统集成电路封装材料是：塑料和陶瓷封装 12.2.1塑料封装 塑料封装是使用环氧树脂聚合物将已完成引线键合的芯片和模 块化工艺的引线框架完全包封。 一、塑料封装受欢迎的原因： 1、管脚成型灵活，或作为插孔式管脚（穿过电路板），或作 为表面贴封装技术管脚（管脚粘贴到板的表面）。 2、材料成本低和重量轻。 3、聚合物性能稳定不变形，加工温度高达250 C 。 4、吸潮

8、少，并可以加入填充剂以减小热膨胀系数，使它与引 线框架和芯片的热膨胀系数匹配。 二、塑料封装的步骤 包封铸模 模型去飞边 组件管脚成型 墨水或激光在塑料封面上打印制造和产品信息 铸模的集成电路条带被放入管脚去边成型工具， 被加工成必要的形状：用于表面贴封装的鸥翼 型和J型管脚以及用于插孔式的直插形式。管脚 成型后，要施加一层薄管脚涂层（通常是焊料 或锡），以防止侵蚀。 三、塑料封装的种类 1、双列直插封装（DIP)：典型有两列插孔式管脚向下弯，穿 过电路板的孔。流行于20世纪70年代和80年代，使用正在减 少。 2、单列直插封装（SIP)：DIP的替代品，用以减小集成电路组 件体积占据电路板的

9、空间。 3、薄小型封装（TSOP)：广泛用于存储器和智能卡。具有鸥 翼型表面贴装技术的管脚沿两边粘贴在电路板上相应的压点。 在20世纪90年代被广泛使用，并且在21世纪仍广泛使用的集 成电路封装形式。 4、四边形扁平封装（QFP)：一种在外壳四边都有高密度分 布的管脚（多达256个或者更多）表面贴装组件。 5、具有J型管脚的塑封电极芯片载体（PLCC)：如果不需要过 多的I/O数，这种封装形式被采用替代QFP. 6、无引线芯片载体（LCC)：一种电极被管壳周围边缘包 起来以保持低剖面的封装形式。LCC或者插入插槽座或者 被直接焊到电路板上，采用插槽座是为了容易现场取下升 级或修理。 12.2.

10、2陶瓷封装 应用于要求具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况。 陶瓷封装有两种方法： v耐熔（高熔点）陶瓷 v薄层陶瓷 一、耐熔陶瓷 1、耐熔陶瓷基座：由氧化铝（Al2O3)粉和适当的玻璃粉及一种 有机媒质混合而构成的浆料，被铸成大约1密耳（1密耳约25微 米）厚的薄片，干化，在各层制作用户连线电路的布线图案， 用金属化通孔互连不同的层，几个陶瓷片被精确地碾压在一起， 然后烧结构成一个单一地熔结体。 2、耐熔陶瓷种类：可根据烧结温度地不同分为 高温共烧结陶瓷（HTCC）烧结温度1600 C 低温共烧结陶瓷（LTCC）烧结温度850 C 到 1050 C 3、耐熔陶瓷封装材料的挑战： v高收缩性

11、（使公差难以控制） v高介电常数（增加了寄生电容，并影响高频信号） v氧化铝的电导率（称为信号延迟的原因） 4、陶瓷封装的形式： 最常用的管脚形式是100密耳间距的铜管脚，组成针栅阵 列（PGA）管壳，这是为电路板装配的插孔式管壳。PGA 被用于高性能集成电路，PGA管壳经常需要一些散热片或 小风扇排出管壳内产生的热。 二、薄层陶瓷 陶瓷封装的一种低成本方法是在引线键合后，将两个陶瓷 件压在一起，引线框架被定位在它们之间，这种封装被称 为陶瓷双列直插，使用低温玻璃材料将陶瓷层密封。 12.3先进的装配与封装 未来封装目标：通过增加芯片密度并减少内部互连数来满足。 目标是具有更少互连的封装；缩小

12、集成电路管壳的尺寸，适 应最终用户应用和整个外形的新技术设计的需求；增加更多 输入/输出管脚。 先进的封装设计包括： v倒装芯片 v球栅阵列 v板上芯片 v卷带式自动键合 v多芯片模块 v芯片尺寸封装 v圆片级封装 12.3.1倒装芯片 1、什么是倒装芯片是将芯片的有源面（具有表面键 合压点）面向基座的粘贴封装技术。 2、倒装芯片的优点它是目前从芯片器件到基座之间 最短路径的一种封装设计，为高速信号提供了良好的电 连接。由于不使用引线框架或塑料管壳，所以重量和外 型尺寸也有所减小。 3、基座材料陶瓷或塑料。 4、芯片上的用于键合的凸点5Sn和95Pb组成的 锡、铅焊料。 5、焊料凸点工艺被称为

13、C4（controlled collapse chip carrier),由IBM于20世纪60年代开发。 C4工艺C4焊料凸点使用蒸发或物理气相淀积（溅射） 法淀积在硅的芯片压点上，压点上的C4焊料要求要特殊 冶金阻挡层（B LM)，BLM提供到压点良好的C4焊点粘 附并禁止扩散。传统上C4凸点的直径在10密耳的间距时 是4密耳。芯片的C4焊料凸点被定位在相应的基座接触 压点，用热空气加热，并稍微加压力，引起C4焊料回流 并形成基座和芯片间的电学和物理连接。 5、环氧树脂填充术 为何采用环氧树脂填充术？ 关于倒装芯片可靠性的一个重要问题是硅片和基座之间热 膨胀系数失配，严重的热膨胀系数失配将

14、应力引入C4焊点并由 于焊点裂缝引起早期失效，可通过在芯片和基座之间用流动环 氧树脂填充术使问题得以解决，环氧树脂的热膨胀系数被匹配 到C4焊点，使作用于C4焊点的应力有效地减小，使用填充术， 在C4焊点上应力能被减少10倍以上。 6、输入/输出管脚数 倒装芯片技术是面阵技术，在封装中可以引入更多的管脚 数。C4焊料凸点被放在整个芯片表面上，增多的管脚有效地利 用了芯片的表面积。 12.3.2球栅阵列（BGA） 基座：基座材料有陶瓷或塑料。塑料基座具有比陶瓷更低 的介电常数，这将因为减少信号传输延迟而使高频性能和 高速开关改善。基座具有用于连接基座与电路板的共晶 Sn/Pb焊料球面阵列。 BG

15、A工艺：使用倒装芯片C4或引线键合技术将芯片粘附到 基座的顶部。 BGA特点：管脚数增多，高密度的BGA封装具有多达2400 个管脚，BGA焊球间距通常是40、50或60密耳。 12.3.3板上芯片（COB) 又被称为直接芯片粘结（DCA）。使用标准粘贴工艺将芯片环 氧树脂粘贴并用引线键合到基座上（通常是印刷电路板）。在 硅芯片周围没有管壳，环氧树脂直接覆盖，常称滴盖子。 图形游戏卡和智能卡上的应用。 12.3.4卷带式自动键合（TAB） 卷带式自动键合是一种多I/O封装方式，使用塑料带作为芯 片载体。这种塑料带具有夹在两层聚合物介质膜之间的薄铜箔， 铜被刻蚀以形成与芯片压点匹配的电极，带有用

16、于粘附芯片的 凸点内电极键合区（ILB）以及可焊料粘附到电路板的外电极区 （OLB）。一旦芯片被粘附在ILB，可用被称为滴盖子的环氧树 脂将芯片覆盖以进行保护，并将带卷成卷，用于芯片到电路板 的第二级装配。在装配过程中，将芯片和电极从带上取下，电 极形成鸥翼，用焊料回流键合到电路板上， 12.3.5多芯片模块（MCM) 多芯片模块是一种将几个芯片固定在同一基座上的封装 形式。最常用的MCM基座是陶瓷或先进的具有高芯片密 度的印刷电路板。用厚膜胶将有源和无源组件固定在陶 瓷上并连接，方法类似于丝网印刷。 优点：MCM通过在减少总封装尺寸和重量同时减少电路 电阻和寄生电容。 12.3.6芯片尺寸封装（CSP） 为何提出芯片尺寸封装？ 因为集成电路封装设计追求在增强电性能的同时追求更低的 成本、更轻的重量以及更薄的厚度，20世纪90年代集成电路 封装接近于硅芯片相同尺寸范围的发展，导致芯片尺寸封装 的概念。 什么是芯片尺寸封装？ 一般定义是小于芯片占地面积（表面积）1.2倍的集成电路封 装形式。当今主要的CSP封装技术是前面讨论的倒装芯片和 BGA法，因为这两种方法