浅谈集成电路技术的发展

浅谈集成电路技术的发展

0微生物封装sema等三大要素自20世纪90年代以来，以计算机、通信、家用电器等新型电子产品（commercialgas）为代表的行业取得了快速增长。微电子产业已经成为当今世界第一大产业,也是我国国民经济的支柱产业。现代微电子产业逐渐演变为设计、制造和封装三个独立产业。微电子封装技术是支持IT产业发展的关键技术,作为微电子产业的一部分,近年来发展迅速。微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件(即集成电路芯片)组装成一个紧凑的封装体,由外界提供电源,并与外界进行信息交流。微电子封装可以保证IC在处理过程中芯片免受机械应力、环境应力(例如潮气和污染)以及静电破坏。封装必须满足器件的各种性能要求,例如在电学(电感、电容、串扰)、热学(功率耗散、结温)、质量、可靠性以及成本控制方面的各项性能指标要求。现代电子产品高性能的普遍要求、计算机技术的高速发展和LSI,VLSI,ULSI的普及应用,对PCB的依赖性越来越大,要求越来越高。PCB制作工艺中的高密度、多层化、细线路等技术的应用越来越广泛。微电子封装越来越受到人们的重视。目前,表面贴装技术(SMT)是微电子连接技术发展的主流,而表面贴装器件、设备及生产工艺技术是SMT的三大要素。SMT元器件及其装配技术也正快速进入各种电子产品,并将替代现行的PCB通孔基板插装方法,成为新的PCB制作支柱工艺而推广到整个电子行业。1上世纪80和20世纪90年代技术发展IC封装的引线和安装类型有很多种,按封装安装到电路板上的方式可分为通孔插入式(TH)和表面安装式(SM),或按引线在封装上的具体排列分为成列、四边引出或面阵排列。微电子封装的发展历程可分为3个阶段:第1阶段,上世纪70年代以插装型封装为主,70年代末期发展起来的双列直插封装技术(DIP)可应用于模塑料、模压陶瓷和层压陶瓷3种封装技术中,可以用于I/O数从8~64的器件,这类封装所使用的印刷线路板PWB成本很高。与DIP相比,面阵列封装(如针栅阵列PGA)可以增加TH类封装的引线数,同时显著减小PWB的面积。PGA系列可以应用于层压的塑料和陶瓷两类技术,其引线可超过1000。值得注意的是,DIP和PGA等TH封装由于引线节距的限制无法实现高密度封装。第2阶段,上世纪80年代早期引入了表面安装(SM)封装。比较成熟的类型有模塑封装的小外形(SO)和PLCC型封装、模压陶瓷中的CERQUAD、层压陶瓷中的无引线式载体(LLCC)和有引线片式载体(LDCC)。PLCC,CERQUAD,LLCC和LDCC都是四周排列类封装,其引线排列在封装的所有四边。由于保持所有引线共面性难度的限制,PLCC的最大等效引脚数为124。为满足更多引出端数和更高密度的需求,出现了一种新的封装系列,即封装四边都带翼型引线的四边引线扁平封装(QFP)。与DIP相比,QFP的封装尺寸大大减小,且QFP具有操作方便、可靠性高、适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,封装外形尺寸小,寄生参数减小,适合高频应用。Intel公司的CPU,如Intel80386就采用的PQFP。第3阶段,上世纪90年代,随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用,LSI,VLSI,ULSI相继出现,对集成电路封装要求更加严格,I/O引脚数急剧增加,功耗也随之增大,因此,集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展,出现了球栅阵列封装(BGA),并很快成为主流产品。90年代后期,新的封装形式不断涌现并获得应用,相继又开发出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装(CSP)。与此同时,多芯片组件(MCM)发展迅速。MCM是将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线基板上,经过整体封装而构成的具有多芯片的电子组件。封装技术的发展越来越趋向于小型化、低功耗、高密度,典型的主流技术就是BGA技术和CSP技术。BGA技术有很多种形式,如陶瓷封装BGA(CBGA)、塑料封装BGA(PBGA)以及MicroBGA(μBGA)。与PQFP相比,BGA引线短,因此热噪声和热阻抗很小,散热好,耦合的电噪声小。同时,BGA封装面积更小、引脚数量更多,且BGA封装更适于大规模组装生产,组装生产合格率大大提高。随着对高I/O引出端数和高性能封装需求的增长,工业上已经转向用BGA(球栅阵列封装)代替QFP。2焊接机构的工作原理表面组装技术采用软钎焊技术,把表面组装元器件钎焊到印制板的焊盘上,使它与印制板之间建立可靠的电器和机械连接,从而实现具有一定可靠性的电路功能。这种焊接技术的主要特点是:用钎剂将要钎焊的金属表面净化(去除氧化物),使之对钎料具有良好的润湿性;供给熔融钎料润湿金属表面;在钎料和钎焊金属间形成金属间化合物。在表面组装技术中,根据熔融钎料的供给方式主要采用波峰焊和再流焊这2种软钎焊技术。2.1提高焊接可靠性波峰焊是将熔化的钎料,经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的钎料波峰,使预先装有电子元器件的印制板通过钎料波峰,实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。波峰焊主要用于通孔插装组件和采用混合组装方式的表面组装组件的焊接。在采用波峰焊焊接SMC/SMD时,由于引线对钎料的遮蔽作用、钎料尾流的“钎料遮蔽”效应以及元器件对截流的钎剂气泡的遮蔽效应等因素,容易产生漏焊、桥接和钎缝不充实等缺陷,难以保证钎接的可靠性。为了克服这些缺陷,双波峰焊应运而生。双波峰焊有2个波峰,第1个波峰是窄喷嘴流速快的“湍流”波峰,钎料具有较高的垂直压力,提高了对表面组装元器件焊端的渗透性,增大了钎料的润湿性,同时克服了钎料“遮蔽”效应,大大减少了漏焊、桥接和钎缝不充实等缺陷,提高了钎焊可靠性。第2个波峰是流速慢的“平滑”波峰,有利于形成充实的钎缝,可有效去除过量的钎料修正钎焊面,最终保证了钎焊可靠性。双波峰焊在SMT中应用广泛。针对波峰焊产生的缺陷问题,MLiukkonen等人利用自组织映射神经元网络研究了波峰焊过程中焊接工艺参数与焊点缺陷之间的关系。研究表明,自组织映射神经元网络适用于波峰焊接过程,能够有效地发现钎焊工艺参数与钎焊点缺陷之间一些有意义的联系。由于铅及其化合物属剧毒物质,无铅钎料在波峰焊中的使用势在必行。文献利用正交试验法研究了无铅波峰焊焊接工艺与焊接质量的关系,研究表明,影响钎焊质量的因素按主次顺序排列为:钎剂类型、锡炉温度、预热温度、传送带速度。采用Sn-Cu钎料时的最佳工艺参数是:钎剂类型选用IF2005C,预热温度为120℃,锡炉温度为260℃,传送带速度为1.2m/min。2.2激光、工具等再流焊技术的应用再流焊是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的焊膏,实现表面组装元器件焊端或引脚与印刷板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。与波峰焊相比,再流焊具有明显的优点,钎料中不会混入不纯物,钎焊时能正确保持组成;可采用局部加热技术,在同一基板上用不同的再流焊焊接工艺;受熔融钎料表面张力的作用,元器件贴放位置有一定偏离时可以自动纠正偏离;不需要把元器件直接浸渍在熔融钎料中,元器件受到的热冲击小;仅在需要位置施放钎料,可控制钎料施加量,避免桥接等缺陷。再流焊包括气相、红外、热风循环、热板、光束、激光、工具加热等再流焊技术。其中红外再流应用最普遍,工具加热再流是最实用的局部再流技术,气相再流最有效,热风循环再流正在推广,光束和激光再流适用于军事电路组件的焊接。随着免清洗和无铅钎焊的要求,出现了氮气气氛钎焊技术。适应无铅钎焊的耐高温再流焊成为该技术重要的发展方向。激光以其可局部加热、快速升温和冷却、不需直接接触元器件、易于实现自动化等优点,特别适合钎焊封装密度高、需要高可靠性的电子元器件。薛松柏等人研究了激光再流焊焊接速度对SOP器件焊点力学性能的影响,分别采用Sn-Pb钎料及Sn-Ag-Cu无铅钎料对器件进行了激光再流焊,并与红外再流焊焊接质量进行了对比。研究表明,无铅钎料焊点的最大值高于Sn-Pb钎料焊点的最大值。激光再流焊时,Sn-Pb钎料焊点强度最大值比红外再流焊的焊点强度高出了28.8%;Sn-Ag-Cu无铅钎料激光再流焊时,焊点抗拉强度的最大值比红外再流焊的焊点强度高出了20.2%。再流焊过程中PCB过大的热变形,一方面可能造成元器件偏移或虚钎等组装故障,另一方面,可能使钎焊界面产生较大的工艺应力和微裂缝,严重影响焊点的组装质量和长期可靠性。文献对无铅PCB组件再流焊焊接工艺的热变形进行了仿真分析。采用ANSYS软件建立了FR-4PCB高密度组装组件的三维有限元模型,设计了3种不同的PCB边界条件,分别进行了无铅再流焊热变形仿真分析,计算得出PCB在不同边界条件下的翘曲度。研究表明,在无铅钎焊条件下,对PCB边缘沿厚度方向的夹持极大地减小了PCB的热变形,实现了应力最小化和变形最小化的双重目标。随着表面组装密度的继续提高和表面组装技术的深入发展,再流焊技术有可能取代波峰焊技术,成为板级电路组装焊接技术的主流。3微互联技术的作用电子封装有4种基础技术,即成膜技术、微互联技术、基板技术、封装与密封技术。微互联技术起着承上启下的作用,无论是芯片装连在载体上还是封装在基板上,都要用到微互联技术,微互联技术可以说是电子制造的基础技术和专有技术。微互联技术包括引线键合技术(WB)、载带自动焊技术(TAB)、倒装芯片技术(FC)等。3.1超声功率的影响引线键合互连是芯片和载体间常用的互连方法。引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上技术布线用金属细丝连接起来的工艺技术。焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球焊。热压键合焊过程中,由于受热容易使焊丝和焊区形成氧化层,同时芯片容易形成特殊的金属氧化物,从而影响焊点可靠性。因此,热压键合使用得越来越少。与热压键合相比,超声键合能充分去除焊接界面的金属氧化膜,焊接质量较高,不需加热,对芯片的损伤较小。热声键合具有可在较低温度下连接而不易氧化、对接触表面洁净度不敏感等很多优点,广泛用于各类集成电路中。在超声键合过程中,超声振动是决定键合强度的重要因素之一,超声功率的大小直接决定键合强度及其可靠性。文献报道了超声键合中超声功率对引线键合强度的影响。研究表明,在键合力、温度和时间分别设置为4.7N、室温和100ms的典型工艺参数下,当超声功率>3.5W时,键合强度受超声功率的影响规律不明显;超声功率<3.5W时,键合强度受超声功率的影响显著;当超声功率>1.6W时,增强超声功率则键合强度降低;当超声功率<1.0W时,增加超声功率则键合强度提高,而当超声功率在1.0~1.6W之间时,则可获得稳定可靠的键合强度。YYamada等人研究了功率半导体器件高温条件下引线键合与钎焊点的可靠性,采用Al引线与功率半导体器件芯片键合,功率器件与绝缘基板之间采用Zn-Al高温钎料,绝缘基板与散热层之间采用Bi+CuAlMn高温钎料,进行了多种条件下热循环试验。研究表明,Al引线键合与高温钎料焊点在200℃以上的条件下表现出良好的可靠性,有希望作为下一代化合物功率半导体器件的封装技术。3.2热电极键合晶键TAB技术是芯片引脚框架的一种互联工艺,首先在高聚物上做好元件引脚的导体图样,然后将植有凸点的晶片按其键合区对应放在上面,通过热电极一次将所有的引线进行键合,从而实现芯片与基板间的互连。TAB技术比较成熟,自动化程度较高,是一种高生产效率的内引线键合技术。主要优点是成本低,在印制板上的断面形状比较低,所用引线短,电感小,电气性能好。3.3焊接可靠性及疲劳寿命FC技术是目前半导体封装的主流技术,是将芯片倒置后直接装配在基片上,互连介质是芯片和基片上的焊区。FC技术的优点是焊区可以做在芯片的任何部位,所以芯片的利用率很高。由于消除了键合引线和封装,组装密度很高。倒装技术中芯片与基板的定位至关重要。文献报道了自行研制的超声波倒装芯片键合机,建立了基于视觉的芯片定位控制系统,运用图像识别及处理算法对芯片的位置进行实时检测,结合PID控制方法实现了平台的精确位置控制,能够很好地完成芯片与基板的高精度键合定位。芯片上所植焊球的可靠性是影响倒装芯片封装质量的关键因素。MJuergenWolf等人利用电镀方法在芯片上植球获得良好的连接可靠性,与印刷技术相比,采用电镀方法获得的焊球直径可达10μm,球间距可达20μm。研究表明,采用Ni-Cu双层凸点下金属层可以有效提高无铅焊球(SnAg,SnCu,Sn)的可靠性。钎剂及其钎焊后形成的残渣限制了芯片倒装技术在微电子、光电子及微机电领域的使用。TeckKhengLee等人研究了无钎剂条件下金焊端与共晶钎料的连接。研究表明,固态下的连接接头强度低,不能满足可靠性要求。但在优化的连接工艺条件下,在钎料熔化时实现瞬时的无钎剂连接,能够获得满意的可靠性,这类连接属于热-机作用连接,具有良好的绝热性能,适用于热敏感器件。由于铅及其化合物属剧毒物质,长期使用会给人类生活环境和安全带来较大危害,因此无铅钎料得到了迅速发展。MSpraul等人研究了倒装芯片技术中采用SnPb钎料和无铅钎料(SnAg4Cu0.5)在不同试验条件下的可靠性,研究表明,采用SnPb钎料时,钎焊点的疲劳寿命受试验条件及芯片尺寸的影响在637~1465次循环范围内,失效的原因是产生疲劳裂纹。在采用SnAg4Cu0.5钎料时,元件的疲劳寿命显著提高,失效形式为电失效。疲劳寿命提高的原因是金属层内的裂纹起到了局部应力释放的作用。4fc的发展趋势微电子封装技术经历了从插装型封装、表面安装封装、窄间距表面安装焊球阵列封装、芯片尺寸