芯片互连技术讲义

1、芯片互连技术讲义前课回忆1.1.集成电路芯片封装工艺流程集成电路芯片封装工艺流程2.2.成型技术分类及其原理成型技术分类及其原理 引线键合技术引线键合技术WBWB主要内容 载带自动键合技术TAB 倒装芯片键合技术FCB引线键合技术概述引线键合技术概述 引线键合技术是将半导体裸芯片引线键合技术是将半导体裸芯片DieDie焊区与焊区与微电子封装的微电子封装的I/OI/O引线或基板上的金属布线焊区引线或基板上的金属布线焊区PadPad用金属细丝连接起来的工艺技术。用金属细丝连接起来的工艺技术。引线键合技术分类和应用范围引线键合技术分类和应用范围 常用引线键合方式有三种： 热压键合 超声键合 热超声波

2、金丝球键合 低本钱、高可靠、高产量等特点使得WB成为芯片互连主要工艺方法，用于以下封装:陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP陶瓷和塑料封装QFP芯片尺寸封装 (CSP) 提供能量破坏被焊外表的氧化层和污染物，使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，到达原子间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以相同或不同。WB技术作用机理技术作用机理超声键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加超声键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属外表迅速向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线

3、在焊区金属外表迅速摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常用摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常用于于AlAl丝键合，键合点两端都是楔形丝键合，键合点两端都是楔形 。热压键合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间到达热压键合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间到达原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形 ，常用于，常用于AuAu丝键合。丝键合。金丝球键合：用于金丝球键合：用于AuAu和和CuCu丝的键合。采用超声波能量，键丝的键合。采用超声波能量，键合时要提供外加热源。合时要提供外加热源。WB技术作用

4、机理技术作用机理 球形键合球形键合 第一键合点第一键合点 第二键合点第二键合点 楔形键合楔形键合 第一键合点第一键合点 第二键合点第二键合点 引线键合接点外形引线键合接点外形采用导线键合的芯片互连引线键合技术实例引线键合技术实例不同键合方法采用的键合材料也有所不同： 热压键合和金丝球键合主要选用金Au丝，超声键合那么主要采用铝Al丝和Si-Al丝Al-Mg-Si、Al-Cu等 键合金丝是指纯度约为99.99，线径为l850m的高纯金合金丝，为了增加机械强度，金丝中往往参加铍(Be)或铜。 WB线材及其可靠度线材及其可靠度键合对金属材料特性的要求：键合对金属材料特性的要求： 可塑性好，易保持一定

5、形状，化学稳定性好；尽可塑性好，易保持一定形状，化学稳定性好；尽量少形成金属间化合物，键合引线和焊盘金属间形成量少形成金属间化合物，键合引线和焊盘金属间形成低电阻欧姆接触。低电阻欧姆接触。WB线材及其可靠度线材及其可靠度柯肯达尔效应：柯肯达尔效应：两种扩散速率不同的金属交互扩散形成缺陷：如Al-Au键合后，Au向Al中迅速扩散，产生接触面空洞。通过控制键合时间和温度可较少此现象。金属间化合物形成金属间化合物形成常见于Au-Al键合系统引线弯曲疲劳引线弯曲疲劳引线键合点跟部出现裂纹。 键合脱离键合脱离指键合点颈部断裂造成电开路。 键合点和焊盘腐蚀键合点和焊盘腐蚀 腐蚀可导致引线一端或两端完全断开

6、，从而使引线在封装内自由活动并造成短路。WB可靠性问题可靠性问题载带自动键合载带自动键合TAB技术概述技术概述 载带自动焊载带自动焊(Tape Automated Bonding(Tape Automated Bonding，TAB)TAB)技术技术是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集成电路封装技术；将芯片焊区与电子封装体外壳的I/O或基板上的布线焊区用有引线图形金属箔丝连接，是芯片引脚框架的一种互连工艺。TAB技术分类技术分类 TAB按其结构和形状可分为Cu箔单层带、Cu-PI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金属带等四种。 TAB技术首先在高聚物上做好元件引

7、脚的引线框架，然后将芯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键合。 TAB工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的键合在一起，然后对芯片进行密封保护。载带自动键合载带自动键合TAB技术技术TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB关键技术关键技术 TAB工艺关键局部有：芯片凸点制作、TAB载带制作和内、外引线焊接等。TAB关键技术关键技术-凸点制作凸点制作载带制作工艺实例载带制作工艺实例Cu箔单层带箔单层带 冲制标准定位传送孔冲制标准定位传送孔 Cu Cu箔清洗箔清洗 Cu Cu箔

8、叠层箔叠层 Cu Cu箔涂光刻胶双面箔涂光刻胶双面刻蚀形成刻蚀形成CuCu线图样线图样导电图样导电图样CuCu镀锡退火镀锡退火内引线键合内引线键合 (ILB) 内引线键合是将裸芯片组装到内引线键合是将裸芯片组装到TABTAB载带上的技术，通常采用载带上的技术，通常采用热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。当芯热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。当芯片凸点是软金属，而载带片凸点是软金属，而载带CuCu箔引线也镀这类金属时，那么用箔引线也镀这类金属时，那么用“群群压焊。压焊。TAB关键技术关键技术-封胶保护封胶保护然后，筛选与测试然后，筛选与测试外引线键合外引线键合

9、OLB测试完成测试完成TAB技术的关键材料技术的关键材料1基带材料 基带材料要求高温性能好、热匹配性好、收缩率小、机械强度高等，聚酰亚胺PI是良好的基带材料，但本钱较高，此外，可采用聚酯类材料作为基带。2TAB金属材料 制作TAB引线图形的金属材料常用Cu箔，少数采用Al箔：导热性和导电性及机械强度、延展性。3凸点金属材料 芯片焊区金属通常为Al，在金属膜外部淀积制作粘附层和钝化层，防止凸点金属与Al互扩散。典型的凸点金属材料多为Au或Au合金。TAB技术的关键材料技术的关键材料TAB技术的关键材料技术的关键材料TAB的优点的优点1TAB结构轻、薄、短、小，封装高度1mm2TAB电极尺寸、电极

10、与焊区间距较之WB小3TAB容纳I/O引脚数更多，安装密度高4TAB引线电阻、电容、电感小，有更好的电性能5可对裸芯片进行筛选和测试6采用Cu箔引线，导电导热好，机械强度高7TAB键合点抗键合拉力比WB高8TAB采用标准化卷轴长带，对芯片实行多点一次焊接，自动化程度高倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术 倒装芯片键合FCB是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种键合方法：通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而WB和TAB那么是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接基板和载体上，倒装芯片又称为DCADirect Chip Attach FCB省掉了互连

11、引线，互连线产生的互连电容、电阻和电感均比WB和TAB小很多，电性能优越。倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术凸点下金属层(UBM) 芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的多层金属膜(Under Bump Metallurgy)，一般称为凸点下金属层，主要起到粘附和扩散阻挡的作用。 倒装芯片键合技术应用倒装芯片键合技术应用凸点类型和特点 按材料可分为焊料凸点、Au凸点和Cu凸点等按凸点结构可分为：周边性和面阵型周边性和面阵型按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形等FCB技术技术-芯片凸点类型芯片凸点类型 形成凸点的工艺技术有很多种，主要包括蒸发蒸发/ /溅射凸点制溅射凸点制作法、电镀凸点

12、制作法、作法、电镀凸点制作法、置球法和模板制作焊料置球法和模板制作焊料凸点法凸点法等。FCB技术技术-凸点制作方法凸点制作方法 制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可以在PCB上直接将芯片进行FCB焊接。 将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括： Ag/Pd-Au-Cu厚膜工艺和Au-Ni-Cu薄膜工艺PCB的焊区金属化与基板相类似。FCB技术技术-凸点芯片的倒装焊接凸点芯片的倒装焊接倒装焊接工艺倒装焊接工艺 热压或热声倒装焊接：调准对位热压或热声倒装焊接：调准对位- -落焊头压焊加热落焊头压焊加热FCB技术技术-凸点芯片的倒装焊接凸点芯片的倒装焊接再流倒装焊接再流倒装焊接C4C4技术技术对锡铅焊料凸点进行对锡铅焊料凸点进行再流焊接再流焊接FCB键合技术键合技术- 再流倒装焊接