绪论ic制造基础-第一章

芯片封装工艺及设备机电学院吴小洪课程特点内容：先进性+连贯性2.教材：汇编性+理论性3.学习：课本+课外教学进度周讲授内容学时备注1第1章绪论2IC物理基础及芯片制造工艺简介2补充内容2第2章芯片互连技术2.1概述芯片粘接工艺及芯片粘接设备的原理2补充内容2.2引线键合（WB）技术232.3载带自动焊（TAB）技术22.4倒装焊（FCB）技术2.5埋置芯片互连2.6芯片互连方法的比较24第3章插装元器件的封装技术TO92三极管的生产工艺及主要设备2LED芯片的封装工艺及主要设备2补充内容5第4章表面安装元器件的封装技术26第5章BGA和CSP的封装技术2第6章多芯片组件（MCM）第8章未来封装技术展望27考试2微电子产业链的分工设计制造封装目前微电子产业已逐渐演变为设计，制造和封装三个相对独立的产业。IC制作

基本概念微电子产业：设计、制造、封装半导体技术与封装技术前工序与后工序封装与组装

什么是封装？封装的目的:功能性，可靠性，通用性有源器件与无源器件：前者具有“增益功能和开关功能”。有源器件：

在工作时，其输出不仅依靠输入信号，还要依靠电源，或者说，它在电路中起到能量转换的作用，通常称之为“器件（device）”。如：三级管、二极管、IC等无源器件：

一般又可以分为耗能元件（如，电阻）、储能元件（如，电容、电感）、结构元件（如，开关、接插件）。通常称之为“元件（component）”。本课程学习：有源器件有源器件分类：双极型集成电路（NPN型、PNP型；电子+空穴导电；速度高、驱动能力强、功耗大）MOS集成电路（金属-氧化物-半导体，包括NMOS、PMOS、CMOS（互补MOS），电子/空穴导电；功耗小、集成度高、抗干扰强，是LSI的主流）BiMOS（双极型、MOS的混合；综合两者优点，但制造工艺复杂）1.1.1微电子封装技术的演变封装元器件、组装方式的发展过程IC元件发展：电子管—>三极管—>集成电路—>LSI(大规模)—>VLSI(超大规模)—>ULSI(特大规模)—>GLSI(吉大规模)封装形式：插装元件DIP—>贴片QFP—>PGA—>BGA1900年，真空晶体管，美国无线电之父：德福雷斯特1946年第一台计算机(ABC?ENIAC?)（当1946年2月在美国莫尔学院研制成功第一台名为电子数值积分器和计算器（ElectronicNumlerical

Inte-grator

and

Computer）即ENIAC问世的时候，是一个庞然大物，由18000个电子管组成，占地150平方米，重30吨，耗电140KW，足以发动一辆机车，然而不仅运行速度只有每秒5000次，存储容量只有千位，而且平均稳定运行时间才7分钟）1947年发明了晶体管，美国AT&T公司1951年，场效应管发明1956年,氧化物掩膜技术、光刻技术出现1958年第一块IC（1.2cm长，5*2个元件，其中1*2个晶体管,4*2个电阻），美国TI公司60年代后期（70年代），SSI、MSI（晶体管21-211）DIP，THT组装技术80年代：LSI（晶体管211-216）QFP，SMT组装技术90年代：VLSI（晶体管216-223）BGA2014年诺贝尔物理学奖颁发给三位日本科学家赤崎勇、天野浩和中村修二，表彰他们在蓝光二极管的研发方面做出的贡献。IC发展历史速度

5,000次/秒，18000个电子管组成，占地150平方米，重30吨，耗电140KWENIAC194655年后206MHzStrongARM32/64MBRAM(16MBROM)Size:13cmx8.35cmx1.57cm,178g

1.8GHzPentium4256MRAM60GBHDIC发展历史：第一台计算机

1947年美国电报电话公司（AT&T）贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖克莱发明了第一只晶体管，同时也就开创了微电子封装的历史：晶体管要在电路中使用和焊接——外壳和外接引脚；固定晶体管小芯片——支撑芯片的外壳底座；保护芯片、坚固耐用——密封。20世纪50年代：三根引线的TO（TransistorOutline,晶体管外壳)型金属—玻璃封装为主→陶瓷、塑料封装。IC发展历史：晶体管与TO封装世界第一只晶体管(Transistor)世界第一块集成电路

ICbyJackKilby(TexasInstruments)

1958年（晶体管发明十年后）,第一块集成电路（IC）研制成功——内有多个晶体管,输入/输出(I/O)引脚数也增加了,推动了外壳的发展，但仍以TO型金属—玻璃封装外壳为主。IC发展历史：第一块IC1）1959年2月杰克-基尔比申请了专利：全部元件（晶体管、电阻、电容）用同一种半导体材料制成、都集成（焊接）在半导体圆片的基片或附近

2）1959年7月诺伊斯申请专利：平面技术（扩散、掩模、照相、光刻……）3）法庭裁决：

集成电路的发明专利属于基尔比集成电路的内部连接技术专利权属于诺伊斯4）2000年一起获诺贝尔物理奖PGABGADIPQFPIC元器件封装外形

电子系统小型化、高速化、高可靠性（如电子计算机）：要求元器件小型化、集成化→晶体管越做越小→同时将无源器件和布线同时形成→二维电路→薄膜或厚膜集成电路。

薄膜或厚膜集成电路+有源器件（晶体管)——混合集成电路HIC（HybridIngegratedCircuit)。

将无源器件和布线像晶体管一样制在一块硅片(Si)上(电路微型化）——单片集成电路MIC（MonolithicIntegratedCircuit）。

集成26∽211个元器件的中等规模IC（MediumScaleIntegration,简称MSI）。I/O引脚数达到数十个，TO型封装难以适应

双排直插式引脚陶瓷封装DIP（DoubleIn-linePackage)。20世纪70年代中小规模IC电子封装的主导产品，后来又开发出塑封DIP（PDIP）,至今仍在使用。20世纪60年代中期，IC由集成21∽26个元器件的小规模IC(SmallScaleIntegration,简称SSI）

大规模IC(LargeScaleIntegration,简称LSI），集成度从量变到发生了质变：元器件集成数量增加(107∽108MOS/CM2)，集成对象，可以是一个具有复杂功能的部件(电子计算器),也可以是一台电子整机（单片电子计算机）。20世纪70年代,一块硅片已可集成211∽216个元器件20世纪80年代，电子组装技术出现了一场革命

出现了表面安装技术SMT（SurfaceMountTechnology），引出了大量的与SMT相适应的表面安装元器件SMC/SMD（SurfaceMountComponent/Device）电子封装技术：如无引脚陶瓷片式载体LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）、塑料有引脚片式载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）和四边形引脚扁平封装QFP（QuadFlatPackage）等。

随着环氧树脂性能的提高，适合于SMT的塑料四边引脚扁平封装PQFP（Plastic

QuadFlatPackage）成为20世纪80年代的主导产品。同时由荷兰菲利蒲公司在20世纪70年代研制的小外形封装SOP（SmallOutlinePackage）,在中、小规模的IC及I/O引脚数不多的芯片中也得到了应用。20世纪80∽90年代，出现了超大规模IC（Very

LargeScaleIntegration,简称VLSI）。集成元器件件数216∽221个,I/O引脚数数百个甚至上千个，原先的QFP及其它封装引脚节距一再缩小（已到0.3mm的工艺极限）还不能满足要求,电子封装引脚由四边形——面阵型：针栅阵列PGA(PinGridArray)封装。但PGA有很大缺撼——体积大，太重，制作工艺复杂，成本高，不能用SMT进行表面安装，难以实现工业化规模生产。20世纪90年代初，新一代的微电子封装技术——焊球阵列BGA（BallGridArray）封装的出现，标志着多年来一直落后于芯片发展的封装技术，终于能够适应芯片的发展步伐。

但封装的另一个问题：芯片小而封装大的矛盾，至BGA封装技术的出现也没有很好解决。

•

DIP：(15.24X50):(3X3)=85:1(40个I/O引脚的CPU产品)。•

QFP：(28X28):(10X10)=7.8:1(208个引脚,节距0.5mm)。•

BGA之后,美国和日本又开发了芯片级封装•

CSP(ChipSizePackage）：=1.2:1,解决了长期存在的芯片小而封装大的根本矛盾，足以再次引发一场革命。•未来：MCM，SOP/SIP……IC元器件封装的封装面积与芯片之比

随着电子技术的进步和信息技术的发展，电子系统的功能不断增强，往往要采用多个芯片，将多个未加封装的通用IC和专用IC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)芯片先按功能安装在多层布线基板上，再将所有芯片互连后整体封装起来——多芯片组件MCM（MultiChipModule）。

以上封装都是限于xy平面的二维2D(Two-Dimensional)电子封装,在此基础上又发展成为三维3D(Three-Dimensional)封装技术。

从以上所述可以看出,一代芯片必有与之相适应的一代电子封装。20世纪50∽60年代是TO型封装，70年代是DIP封装，80年代是QFP封装，而90年代则是BGA和MCM封装时代。

下面分别为封装技术发展过程和发展趋势图。

未来的电子封装——系统级SOP(SystemOnaPackage)或SIP(SystemInaPackage),其典型的封装是单级集成模块(SingleLevelIntegratedModule),它是将各类元器件、布线、介质以及各种能用IC芯片和专用IC芯片甚至射频和光电器件都集成于一个电子封装系统内。IC元器件封装的组装方式1.1.2微电子封装技术

现在世界正进入电子信息时代，现代电子信息技术飞速发展，极大地推动着电子产品向多功能、高性能、高可靠、小型化、便携化和大众化普及所要求的低成本等方向发展，而满足这些要求的基础与核心乃是IC。要讨论IC的发展，首先要展示电子科技的发展。1.IC工艺技术及其发展趋势：尺寸小、性能高

微电子封装一向是跟踪有源器件芯片的发展而发展的，而先进微电子封装则是追随集成电路芯片的发展而发展的。因此，论述微电子封装的发展，首先要展示IC的发展。

下面给出了IC不同品种历年来的进展及发展趋势、IC的集成度发展趋势、IC芯片尺寸（面积）发展趋势以及IC的特征尺寸逐年减小的发展趋势图。从中可以看出，IC的尺寸、功耗、I/O引脚数、电源电压及工作频率将对微电子封装提出更高的要求，也是影响微电子封装的主要因素。IC集成度：一块IC内部拥有的晶体管的数量目前：超过1亿（100M）只单位面积芯片数IC特征尺寸：在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。在CMOS工艺中，特征尺寸典型代表为“栅”的宽度，也即MOS器件的沟道长度。2014年已达22nm2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μm工艺2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工艺。2007年：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。适用频率越来越高耐温性能越来越好引脚数增多间距减小重量减小可靠性提高使用更加方便集成电路的规模:SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、GLSI封装引脚(I/O)：从几十根，逐渐增加到几百根，到目前的2千根SSI：

21∽26个，小规模IC(SmallScaleIntegration,简称SSI）MSI：

26∽211个，中等规模IC（MediumScaleIntegration,简称MSI）LSI：

211∽216个，大规模IC(LargeScaleIntegration,简称LSI）VLSI：

216∽221个，20世纪80∽90年代，出现了超大规模IC（Very

LargeScaleIntegration,简称VLSI）。ULSI：特大规模集成电路GLSI：吉大规模集成电路100,000,00010,000,0001,000,000100,00010,0001,000`71`73`75`77`79`81`83`85`87`89`91`93`95`97`99`01晶体管数目快速成长的IC工业摩尔定律

Moore’sLaw(byGordonMoorein1965)IC上可容纳的晶体管数目，约每18个月便会增加一倍，性能也提升一倍40048008808080868088286386486PentiumP-ProP-IIP-IIIP-IV飞跃进展的IC技术速度

5,000次/秒，18000个电子管组成，占地150平方米，重30吨，耗电140KWENIAC194655年后206MHzStrongARM32/64MBRAM(16MBROM)Size:13cmx8.35cmx1.57cm,178g

1.8GHzPentium4256MRAM60GBHD2.三级微电子封装__典型三级封装结构封装与组装可分为：零级

(单晶内部或多晶之间的晶圆级连接)一级（单晶片或多个晶片组件或元件）二级（印制电路板级的封装）三级

(整机的组装)部分零级和一级封装称为电子封装（技术）二级和三级封装称为电子组装（技术）硅棒与晶圆

从由硅圆片制作开始，微电子封装可以分为三个层次:一级封装:用封装外壳将芯片封装成单芯片组件(SingleChipModule,简称SCM）和多芯片组件(MCM)二级封装:一级封装和其他组件一同组装到印刷电路板(PWB)（或其他基板）上三级封装:将二级封装插装到母板(Mother-Board)上。*零级封装(包括：晶圆制造的芯片内部互连):在这里，硅圆片虽然不作为一封装层次，但却是微电子封装的出发点和核心。在IC芯片与各级封装之间，必须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装的焊区连接起来才可形成功能，也有的将这种芯片互连级称为芯片的零级封装。(a)导线键合（20x）(b)导电带自动键合(10x)(c)焊球植入(50x)几种晶片级的连接方法3.微电子封装技术的发展特点(1)引脚：量多面广向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向面阵排列发展(2)安装：THT---〉SMT向表面安装式封装（SMP）发展，以适合表面安装技术（SMT）(3)封装材料：陶瓷---〉塑料从陶瓷封装向塑料封装发展(4)开发顺序：封装技术---〉芯片技术从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移•

DIP、SOP：100个I/O引脚。•

PQFP：适宜于300个I/O引脚。•

陶瓷焊柱阵列CCGA（CeramicColumnGridArray）：

可达1089个I/O引脚。•

陶瓷BGA（PBGA）：625个I/O引脚，焊球节距已达0.5mm。•

塑封BGA（PBGA）：2600个I/O引脚以上。(2)向表面安装式封装（SMP）发展，以适合SMT

下表列出了1996∽2002年各类IC封装市场分布的统计及预测值，从中可以清楚地看出，SMP在迅速增加，而插装的DIP等在很快减少。另有如下市场占有率统计结果：

1990199720002002•

DIP：70%25%10%•

SMP：12%73%89%(1)向高密度、高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向面阵排列发展10%100%8822017%100%57275100%48800总计-6%-15%-15%4%17%75%

14%2%

16%15%10%<1%<1%<1%<1%3%58%3%17%8%9100

26005130026301530067008%-7%-13%9%30%78%24%5%19%12%25%1%<1%<1%<1%<1%50%4%13%6%1450041535125

23907600316027%1%<1%<1%<1%<1%47%5%13%6%13400445401151009023120227063902830PDIPCDIP其他DIP陶瓷PGA塑封PGABGA/CSPSOPPLCCPQFP其他1996—2002年CAGR2002年数量所占（M）百分比1997年/1996年变化量的百分比1997年统计值数量所占（M）百分比1996年统计值数量所占（M）百分比封装类型世界常用IC封装市场分布

(3)从陶瓷封装向塑料封装发展

塑料封装始终占93%∽95%，而陶瓷封装从90年的5.6%下降到94年的2%左右。2000年塑料的陶瓷封装分别占90%和1%。

(4)从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移

后道封装对芯片发展有制约作用，芯片投资大，发展慢，而后道封装投资小，见效快，所以各国都纷纷建立独立的后道封装厂（如美国、韩国、东南亚及台湾、香港地区），前几年，曾向东南亚转移，近几年都看好中国。4.微电子封装的发展趋势

(1)微电子封装具有的I/O引脚数将更多；

(2)微电子封装应具有更高的电性能和热性能；

(3)微电子封装将更轻、更薄、更小；

(4)微电子封装更便于安装、使用和返修；

(5)微电子封装可靠性会更高；

(6)微电子封装性能价格比会更好，而成本会更低。1.1.3微电子封装技术重要性

封装并不能增加IC芯片的功能，有时不适宜的封装反而会使其功能下降。事实上，系统开发者早就想过不要封装，直接将芯片安装到电路基板上。1960年IBM公司开发的凸点倒装芯片和AT&T公司开发的梁式引线技术将该想法实现，并由DelcoElectronicsLucent公司成功地将芯片倒装焊到陶瓷基板上。但由于封装后的IC有诸多好处，如对IC加以保护、易于测试、易于传送、易于返修、引脚便于实行标准化而适于装配，所以IC芯片仍要进行封装。

IC的发展促使微电子封装的设计和制造不断向前发展。反过来，微电子封装技术的提高，又促进了IC和电子器件的发展。微电子封装不但直接影响着IC本身的电性能、热性能、光性能和机械性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、可靠性和成本。电子封装已作为一个单独的重要产业来发展了。

有关资料统计表明,50年前,每个家庭只有约5只有源器件，今天已拥有10亿只以上晶体管了。所以微电子封装与每个人都是息息相关的。

目前微电子封装技术已涉及到各类材料、电子、热学、力学、化学、可靠性等多种学科，是与IC同步发展的高新技术产业。1.1.4我国微电子封