微电子制造概论互连和封装

微电子制造概论元器件互连技术IC封装的4种重要功能

1.保护使其免于外界环境与人工操作的破坏。2.信号进入芯片、从芯片输出的之内连线。3.对芯片实质上之固持。4.散热。

传统装配与封装

晶圆Wafer测试与分类

引线键合（wireBounding）

晶粒分离

塑胶封装Packaging

成品封装与测试贴片图20.1

典型的IC封装体四方扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插式封装

(DIP)薄小外形轮廓封装

(TSOP)单列直插式封装(SIP)图20.2

IC封装有关之设计限制

表20.1

IC封装之层级第二层级封装：印刷电路板装配

第一层级封装：IC封装

最后的产品装配：电路板组入系统之成品装配

用以固着于印刷电路板的金属引脚针脚针脚被插入针孔，继之焊着在PCB背面表面固着芯片被焊着在PCB上的铜垫顶端边缘的连接器插入主系统PCB副配件主电子装配板引脚图20.3

传统式装配

背面研磨分片装架引线键合

背面研磨制程之示意图

旋转及振荡轴在旋转平盘上之晶圆下压力工作台仅在指示有晶圆期间才旋转图20.4

晶圆锯与已切割之晶圆

晶圆工作台刀刃图20.5

典型用于装架之导线架

芯片

引脚导线架 塑胶式DIP图20.6

环氧基树脂之芯片粘帖

芯片环氧基树脂导线架图20.7

连接带从导线架中的移除

芯片导线架连接带连接带移除线图20.15

金-硅低共熔性接着Si

金膜金/硅低共熔性合金Al2O3图20.8

从芯片接合垫到导线架之引线键合

WireBounding

模塑化合物导线架接合垫芯片引线针尖脚图20.9

引线键合芯片至导线架

照片20.1

热压接合之示意图

柱元件接合垫图20.10

超声波焊线接合之顺序

焊线楔形工具(1)工具向上移更多焊线馈入工具(3)超声波能量压力导线架(4)工具向上移焊线在接合垫处切断(5)(2)铝接合垫超声波能量压力晶粒图20.11

热声波球接合

(2)氢火源球(1)金线毛细管工具(5)压力与热形成垫导线架(6)工具往上移金线在接合垫处切断垫上之接合球压力与超声波能量晶粒(3)工具向上移并馈入更多的金线晶粒(4)图20.12

焊线拉伸测试

柱元件

受测试芯片勾物品夹具图20.13

传统封装

塑胶封装陶瓷封装

TO款式之金属封装图20.14

DIP封装（DualIn-linePackage），也叫双列直插式封装技术，双入线封装，DRAM的一种元件封装形式。

图20.16A

单列直插封装SIP

图20.16B

TSOP是“ThinSmallOutlinePackage”的缩写，意思是薄型小尺寸封装。

图20.16C

双排引脚封装存储器模块DIMM

（Dual-Inline-Memory-Modules

）图20.16D

QFP（QuadFlatPockage）为四侧引脚扁平封装是表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。

图20.16E

PLCC(PlasticLeadedChipCarrier),带引线的塑料芯片载体

图20.16F

无引脚芯片载器LCC

图20.16G

多层板耐高温陶瓷制程之顺序

陶瓷性内连接层4层电路板图20.17

陶瓷针脚格状阵列

(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)

照片20.2

CERDIP封装陶瓷双列直插

陶瓷盖板玻璃密封物陶瓷基板金属引脚在树脂及导线架上之芯片横切面指示性刻痕横切面之平面图20.18

用于IC封装之测试插座图20.19

先进装配与封装

倒装芯片FlipChip球栅阵列(BGA)板上芯片(COB)卷带式自动接合(TAB)多芯片模块(MCM)芯片尺寸级封装(CSP)晶圆级封装

FlipChip封装

在接合垫上之焊锡凸块硅芯片基板连接用针脚金属内连线介质孔图20.20

在晶圆接合垫上之C4焊接凸块图20.21

再回流制程金属沈积与蚀刻2层金属沈积(3)焊接凸块形成于再回流期间(4)氧化物氮化物Al接合垫(1)3层金属积层铜-锡铬+铜铬(2)锡铅用于覆晶之环氧基树脂底部填胶

图20.22

焊接凸块芯片环氧基树脂基板覆晶面积阵列之焊接凸块与

焊线接合之比较

接合垫周边阵列覆晶凸块面积阵列图20.23

球栅阵列之芯片BGABallgridarray

照片20.3

球栅阵列

图20.24

模塑遮盖芯片接合垫环氧基树脂热介质孔焊线基板金属介质孔焊接球板上芯片(COB，chiponboard)IC芯片印刷电路板图20.25

卷带式自动接合TAB高分子带铜引脚图20.26

多芯片模块

MCM基板个别晶粒图20.27

先前封装之趋势

1996200119971998199920000180060090012001500300芯片直接接着直接组于电路板之覆晶卷带式自动接合其他年代RedrawnfromS.Winkler,“AdvancedICPackagingMarketsandTrends,”SolidStateTechnology(June1998):p.63.图20.28

单位(百万)芯片尺寸级封装之变化

表20.2

晶圆后封装

具C4凸块之单晶片图20.29

C4凸块晶圆

(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)

照片20.4

晶圆级封装之设计概念

RedrawnfromV.DiCaprio,M.Liebhard,andL.Smith,“TheEvolutionofaNewWafer-LevelChip-SizePackage,”ChipScaleReview(May/June1999).芯片

接合线焊接凸块图20.30

标准测试流程与

晶圆级封装测试流程间的比较

WLP制作晶圆级原处预烧晶圆级功能测试切割

在配件板处之晶圆级拾取晶圆级封装之测试流程装载入自动带与卷轴晶圆探测晶圆切割封装个别之IC在封装级之插座／预烧在封装级之功能测试标准测试流程

图20.31

晶圆级封装之特征与优点

表20.3

芯片互连和封装小测试什么是引线键合？引线键合有哪两种类型，分别适合什么线？什么是TAB？TAB相对引线键合的优缺点是什么？什么是FlipChip？FC相对引线键合的优缺点是什么？指出下列封装的类型LED生产和制造LED结构LED芯片生产LED封装LED应用LED结构-插装式LED（LightEmittingDiode，发光二极）芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。贴片式LED：3528,5050LED芯片LED芯片：是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能。半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED芯片的分类用途：根据用途分为大功率led芯片、小功率led芯片两种；颜色：主要分为三种：红色、绿色、蓝色（制作白光的原料）；形状：一般分为方片、圆片两种；大小：小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等LED芯片结构传统正装的LED蓝宝石衬底的蓝光芯片电极在芯片出光面上的位置如图1所示。由于p型GaN掺杂困难，当前普遍采用p型GaN上制备金属透明电极的方法，从而使电流扩散，以达到均匀发光的目的。LED芯片生产工艺首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片(外延片)，外延片所需的材料源(碳化硅SiC)和各种高纯的气体如氢气H2或氩气Ar等惰性气体作为载体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。接下来是对LED-PN结的两个电极进行加工，并对LED毛片进行减薄，划片。然后对毛片进行测试和分选，就可以得到所需的LED芯片MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。然后是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。包装好的LED芯片LED封装1.LED的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。2.LED封装形式LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。LED封装工艺1.芯片检验镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整2扩片由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。3.点胶在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。）工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。4.备胶和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。5.手工刺片将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品.6.自动装架自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。7.烧结烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。8.压焊压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程，先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。9.点胶封装LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的