6封装可靠性教程课件(23页PPT)

1、封装的可靠性问题北京大学微电子学系Department of microelectronics Peking University第1页，共23页。内容提纲 集成电路后工序简介 封装形式封装可靠性问题 封装的可靠性问题第2页，共23页。封装工艺过程划片分离芯片镜检及分选装架检验引线键合检验封盖外引线整形打印标签包装入库组装工艺流程后工序主要是将硅片分割成单个芯片，并封装到管壳内。大体分为：划片键合封装成品检测老化筛选键合和封装工艺最为关键，在很大程度上决定了集成电路的可靠性和成本简 介第3页，共23页。封装工艺过程引线键合芯片粘结芯片和管座的机械结合，不仅芯片要牢靠固定，而且具有电学上的欧姆接

2、触，并改善散热条件引线键合芯片上的压焊点与管壳基座边上的引线压焊区，采用金属细线连接金丝球焊法、热压键合法、超声键合法等面朝下键合芯片正面朝下，将芯片上的压焊点与管壳基座上的压焊区进行键合省略金属引线，键合速度快，可靠性和成品率都高，对自动化有利典型方式有：到装方式、樑式引线、珠网方式等第4页，共23页。封装工艺过程封装形式封装的主要目的：阻止来自外界的冲击和潮气等，以保护内部的芯片和键合部位；其次是为了易于安装在印刷电路板上。封装类型主要应用金属管壳封装晶体管、SSI塑料封装晶体管、SSI陶瓷平行缝焊双列直插封装SSILSI陶瓷模塑双列直插封装SSILSI陶瓷扁平封装SSIMSI塑料双列直插

3、封装SSILSI芯片载体LSIVLSI第5页，共23页。先进的封装技术目前的集成电路封装技术：四列扁平封装(QFP)；球焊阵列封装(BGA)芯片尺寸封装(CSP)；多芯片组装(MCM)载带自动键合(TAB)；倒装焊(FC)发展过程： 20世纪60、70年代中小规模IC曾大量采用I/O数十个引脚的TO封装，后来发展成为这个时期的主导封装产品DIP(双列直插封装 Dual In-line Package) 80年代出现了表面安装技术(SMT)，IC封装形式发展成为适合表面贴装的短引线或无引线(SMC/SMD)结构，用以封装I/O数十个引脚的中规模集成电路(MSIC)或较少I/O的LSI第6页，共2

4、3页。发展过程(续)： 90年代开发出QFP、塑料四列扁平封装(PQFP)，不但解决了较多I/O LSI的封装问题，而且适于SMT在印刷电路板(PCB)或其他基板上进行表面贴装QFP、PQFP成为SMT的主导微电子封装形式。90年代出现了BGA(球格阵列 Ball Grid Array)，以面阵排列、球形凸点为I/O，克服QFP在VLSI中遇到的困难近几年又发展出BGA，封装达到不超过芯片尺寸20%的所谓芯片尺寸封装(CSP)，这促使MCM得以迅速发展WB丝焊DCA直接晶片接合(Direct Chip Attachment)SLIM单级集成模块(Single level integrated

5、module)第7页，共23页。年份19701980199020002005芯片互连WBWBWBFC低成本高I/0的FC封装形式DIPQFPBGACSP裸芯片组装方式PIHSMTBGA/SMTBGA/SMTDCA无源元件分立分立分立分立/组合集成基板有机有机有机DCA板SLIM封装层次333311元件类型5105105105101Si效率（芯片/基板）2%7%10%25%75%微电子封装发展的历程及趋势第8页，共23页。从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减

6、小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。先进的封装技术简介一、DIP封装 封装结构形式：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。第9页，共23页。二、芯片载体封装 封装形式有：陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装P

7、QFP(Plastic Quad Flat Package)，QFP比DIP的封装尺寸大大减小。Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。 三、BGA封装 成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。第10页，共23页。最新的封装发展趋势第11页，共23页。

8、封装的可靠性问题集成电路封装的可靠性要求：保持器件管芯与外界环境隔绝，排除外界干扰，即集成电路工作期间维持比较干燥的惰性的内部环境。从封装的材料方面，封装可分为：气密封装：金属封装、陶瓷封装、低熔点玻璃封装塑料封装一般塑料封装的可靠性比气密封装的差。通常在工作环境苛刻、整机可靠性要求高或使用较长时，采用气密封装；工作环境良好条件下采用塑料封装。在美国大量的器件采用塑料封装，气密封装大都用于军用器件。第12页，共23页。封装的可靠性问题封装造成器件失效的原因：由于气密性差，水及周围各种污染物渗透到管芯，令芯片及电极系统发生各种物理化学反应，而造成器件不稳定和失效。如某些研究表明：管壳气密密封结构

9、的缺陷，致使水汽在长时间微漏中浸入，造成电路失效，是主要失效因素。引起引线开路和铝线腐蚀断开。另外，在封装壳内采用有机硅树脂等作为内涂料，成为“实封”；而不用内涂料的称为“空封”(可充保护气体)。实封存在问题：涂料与管芯引线的热膨胀系数不同，多次温度变化后，会拉断引线，造成开路而导致器件失效。因此，高可靠性器件封装均采用气密性空封。第13页，共23页。塑料封装的可靠性问题封装优点：工艺简单、成本低、节省大量贵重金属、适合大量生产、产品质量容易满足整机的需要等。据报道，现在生成的半导体器件中90%是采用塑料封装可靠性要求：树脂渗透性小：水份渗透过程中，水、钠离子、氯离子或具有极性基的有机物沾污会

10、引起金属引线部分断裂，或增加器件表面漏电塑料中的离子浓度小。热稳定性好加工性能好，尺寸稳定，成型后有较好的机械强度。第14页，共23页。常用的封装材料：聚酯、聚氨酯、环氧化物、有机硅树脂(硅酮树脂)和热固性塑料(聚酰亚胺、聚苯二甲酸二丙烯脂)。目前，主要有环氧化物和硅酮树脂两大类。环氧树脂优点：抗潮性能好。粘结强度、机械强度、绝缘性能、抗化学药品等性能均优良，并有固化收缩率小，容易固化等特点。缺点：耐热性能稍差，以1500C为限，目前使用最普遍地塑封材料硅酮树脂优点：耐热性能好(1752000C)，绝缘性能优越。 缺点：抗潮性能差；粘结力、机械强度和抗化学药品的性能不如环氧化物。硅酮树脂适用于

11、功率器件的封装。改性环氧树脂优点：进一步改善环氧树脂的性能，具有高强度的粘结性和优良的电绝缘性能，抗潮性能好。塑料封装的可靠性问题第15页，共23页。塑料封装的可靠性问题主要失效模式：分为短期失效模式和长期失效模式短期失效模式：压焊系统出现断线。原因硅片、压焊引线、引线框和塑料等的热膨胀系数、弹性系数不同，温度变化时产生内应力，当内引线承受不住应力，出现断线现象长期失效模式：金属化系统和铝电极出现腐蚀而断裂原因水份和离子的污染，来源有：塑料本身水份的渗入；水份从塑料和引线交界处渗入；塑料析出的微量杂质、管芯加工工艺中引入的杂质以及环境气氛引入的杂质离子第16页，共23页。塑料封装的可靠性问题金

12、属化的腐蚀封装树脂的吸潮性树脂吸潮有两种机制快速吸潮，潮气借助于氢键穿过有机环氧基体迁移；慢速吸潮，潮气通过二氧化硅填料基体迁移，硅酮环氧树脂吸潮。水份渗透的速率与温度有关；潮气容易从树脂与金属结合处浸入。封装树脂的杂质塑封材料中含有卤化物、碱金属、碱金属的化合物以及酚醛类杂质等。如果固化剂中残存有未反应完的高分子合成树脂，不仅塑料材料的热性能下降，而且易于发生水解生成有害的Cl、(OH)-、Na-等离子(引起漏电流增大)高温下(2000C)，聚合物交链会发生断裂，通过缩和作用生成水，与Cl-生成盐酸，腐蚀金属。第17页，共23页。塑料封装的可靠性问题对器件性能的影响形成电荷树脂中存在的杂质离

13、子，在一定的温度、湿度、偏压作用下，正、负离子分离，产生极化现象。在半导体表面感应电荷，导致器件异常开关。粘接处出现裂纹由于热膨胀系数不同，塑封材料与金属框架、芯片与金属框架之间的粘接处出现裂纹，器件热特性下降，热阻增大。辐射效应塑封材料中存在微量的铀和钍，辐射出的Alfa粒子会产生软误差。第18页，共23页。塑料封装的可靠性问题改进方法提高塑封材料的纯度提高树脂与金属框架的粘结性降低塑封材料的热膨胀系数芯片表面进行钝化键合工艺采用金丝球焊第19页，共23页。金属封装的可靠性问题金属管壳的气密性好，热传导性能好，可屏蔽电磁波，可靠性高。金属冷压焊的密封性问题大功率器件的金属管壳采用金属冷压焊，利用被焊件的变形形成牢固的