集成电路封装的设计陶瓷封装外壳芯片低熔点玻璃陶瓷盖板-Read-2022年学习资料

第五章-微电子封装技术一、集成电路封装的设计-芯片-陶瓷盖板-低熔点玻璃-封装外壳的设计-陶瓷封装外壳-金属化布线-封接的设计-电胶-引线和引线架的设计二、集成电路封装的设计-芯片-陶瓷盖板-低熔点玻璃-封装外壳的设计-陶瓷封装外壳-封接的设计-引线和引线架设计1、封装外壳的设计-集成电路外壳是构成集成电路整体的一个主要组成部分。-它不仅仅对集成电路芯片起着一个单纯机械保护和芯片电-极向外过渡连接的作用，而且对集成电路芯片的各种-功能参数的正确实现和电路使用场所要求的环条件，以及-体现电路特点，都起着根本的保证作用。封装外壳的设计要求-电性能-芯片-热性能-参数，阻抗-尺寸引线数-热阻结混-艳缘电阻-焊点位置-功托-封装求-底部状况-散热方式-外壳设计-使肘场蛀-总排都局，按封形式。-材料-环境气医要求-结构尺砂，材料选，-合金-工作祖度-特殊条件-参教计算，技术要求-剩瓷玻摔-要料-制造-组装-工艺装求-成本-粘片方式-制难点馋合方式-封盖种类-图？-1外克设计与各因素的关系外壳设计的主要原则-外壳设计是一项综合性工作，需要对总体布局、结构尺寸-材料选择以及制造工艺和成本等方面进分折选定出一个最佳-方案。-外壳设计最主要考虑的问题-电性能、热性能和使用场所，-电设计和热设计1外壳的电性能设计原则-对任一集成电路的封装外壳都要求具有一定的电性能，-以保证相互匹配而不致对整个集成电的性能产生失误或失-队其中又以超高频外壳更为突出。-①分布电容和电感-当集成电路处在超高频状态下工作时，由外壳金属体-所形成的分布电容和分布电感常会起不必要的反馈和自激，-从而使集成电路的功率增益下降、损耗增加，以在一般情-况下，都希望外壳的分布电容与分布电感愈小愈好。②特性阻抗-在超高频范围内工作的集成电路，当传输线中有信号传递-时，如在中途因阻抗不匹配就会引起信号反射损，使传输-的信号减弱。因此，要求外壳能保证电路有恒定特性阻抗值-国内一般使用50Ω或75Ω的传输线。-③电屏蔽-在放大电路中，当使用金属外壳时，由于屏蔽作用使-金属外壳相当于一只矩形波导，在这波导中，放大电路的-级元器件都对它起电磁场的激励作用，其中以末级元器-件的激励最强，这样因屏蔽外壳的耦合，很容易引起寄生-反馈为了消防这些影响，应将外壳做得长一点。④引线电阻-集成电路封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引-线的几何形状。在陶瓷外壳中，引线电阻又与陶瓷金化-材料和图形尺寸有关。若引线电阻过大，则会使电路增加-一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗增大，并且影响了电路的性能。⑤绝缘电阻-集成电路封装外壳的绝缘电阻，通常是两相邻的引线间或任一-线与金属底座间的电阻值。这个数值的大小仅与引线间的距离和外-壳结构有关，也与绝缘体的绝缘性能与环境条件有关。-外壳绝缘电阻的降低将会导致电极问的电流增大，-使整个集成-电路的性能下降或变坏，这对MOS集成电路则更为突出。-绝缘电阻可分为体积电阻和表面阻.前者的性能好坏决定于本-身内在的物质结构.而后者则与所处环境条件及材料表面状态有关，-特别是水分、潮气材料表面电阻影响甚大。因此在进行封装外壳设-计时，要注意结构安排的合理性，并考虑到材料加工后的表面状态，-尽量选用一些表面抗电强度和绝缘电阻高的材料。光电外壳-在实际应用中具有光电转换性能的集成电路已经为数不-少，数字电路中的可改写只读存储器EPRO则是其最好-的一个例子。但是要使集成电路能够具备这样的功能，就必-须要有一个类似窗户一样的结构，使各种不同的光能透射-进去，这样才能达到光电转换的目的。为此这类集成电路的-封装外壳需具有特殊的“光窗”结构形式。-这类具光窗的集成电路封装外壳，我们称它为光电外-壳，光窗的结构和所用的材料是设计光电外壳时应考虑的主-要问题。-先要搞清楚需要透过什么样波长的光，如红外光、紫-外光或可见光；其次是透光的强度；最后还要考虑外壳对其-他不要的光如何进行掩蔽，这样才能根据已知的条件来进-行设计光电外完。2外壳的热性能设计原则-随着集成电路的组装密度不断增大，将导致功率密度也-相应的提高，集成电路单位体积发热也有所增加。在外壳-结构设计上如果不能及时地将芯片内所产生的热量散发出去-设法抑制集成电路的温升，必然对集电路的可靠性产生极-为严重的影响。为此，封装外壳的热设计是一个至关重要的-课题。-在进行封装外壳的热设计时需要估计集成电路芯片-由于电功率的热效应所产生的热量如何通过外壳散发到周-围环境中去。散热问题-封装树脂-IC芯片-内引线-基板-氧化铝、氮化硅、氧化铍-改善底座和散热板的接触状态-加大散热板面积-改变散热材料，将散热板的热阻降低。2、引线和引线架的设计-引线和引线框架是构成集成电路封装外壳的主要组成零-件。它的作用就是通过引线能够把电芯片的各个功能瑞与-外部连接起来。由于集成电路的封装外壳的种类甚多，结构-形成也不一样，因此其引线的图形尺和使用材料也都各有-特点，在集成电路使用过程中，由于线加工和材料使用不-当而造成封装外壳的引线断裂和脱焊等例为数不少，因而-如何提高引线质量、改进制造技术和开发一些新型引线是很-重要的。引线的结构尺寸是根据封装外壳整体要求来设计的。-如金属圆形外壳，其引线是直接封接在电真空玻璃中，为-了便于内引线键合，上端焊接点要求平整、光洁，甚至-要求打平以增加焊接面积。因此这种引线都是圆形的，是-用金属丝材棒材加工而成的。-对于各类扁平式和双列式外壳，其引线有的是封接在-电真空玻璃中；有的是钎焊在陶瓷基体的侧面底面，-因此这种引线都是矩形的，是用金属带材或板材冲压而成-的。这种引线除了要保证两引线间具有一定的距离外而-且在使用时要按一定的规格进行排列和不致松散，所以要-设计成引线框架形式。这样在集成电路组装中它既能起到整齐排列的作用，也能达到保护引线的目的（在老化测试-前，剪去多余的连条部分，就成为我们所需要的引线。图6-1中。-打华面积-线框架边掘-中间引，-引线识别标记-据-图」-行-型-引线分商处-引线专钩-线扇-腔长度-外引线-名义进行长度-图61陶瓷熔封双列外壳引线框架术语3、封接设计-封接材料根据低温封接的特定要求，封接材料必须具备以下几个条件：-①封接材料的软化温度要低，应保证能在足够低的温度条下进-行封接，以免封接温度过高而导致芯片上金属连线球化或引线框架-变形变坏；同时在封接温度下封接材料的粘度在1一200Pas范-围之间，使封接材料既充分而又不过份地在封接面上流动：-②封接材料的线膨胀系数应能和被的陶瓷、金属相匹配，从而-保证封接件具有一定的封接强度和经受得住诸如温度、气候和机械-等一系列的环境考验。果和被焊材料的线膨胀系数相差甚远，则-在封接后封接材料中残存应力将使封接材料遭到破坏，从而使封接-强度大大低和无法保证封接体的气密性；-③当金属用封接材料封接时，要求封接材料对金属有良好的浸润-性，同时，为获得牢的封接强度，要求封接材料能够扩散到金属-表面的氧化层中去；-④在与水、空气或其他介质相接触时，封接材料应仍有良好-的化学稳定性和绝缘性能，-⑤在封接过程中，不能由封接材料中产生有害物质，使之挥发-或溅落在电路芯片其他部位上，从而导致集成电路性能变坏或完-全失效。1常用的封接材料-低熔玻璃-低熔玻璃系指软化温度不高于500℃的一类粉状玻璃材-料。由于它易与金属、陶瓷等料粘接且本身不透气，当形-成密封腔体后可获得较高的气密性。同时又具有不燃性和良-好耐热性能，电性能也比较优，因此它作为一种无机焊料，-广泛地被应用在真空和电子产品中。在集成电路封装领域它-也是很好的低温密封材料和接材料。封接合金材料-封接合金材料主要是用来与相应的陶瓷、玻璃或塑料进-行封接的，其具体要求是：-①一定温度范围内封接合金材料的线膨胀系数必需与相应-的封接体基本一致，以达到良好的匹配；-②要具有良好的机械性能和导热性能能耐腐蚀、其加工性-能要好，可以制成丝、管、带、棒等几何形状，抗氧化和具有-好的塑性。并且它们的冲裁成型性表面平整性等都能达到所-需的要求；-③封接合金材料在使用时，。-应没有金相组织的转变，不会因-相变而带来线胀系数的急剧变化，因为这将造成封接材料的-内应力增加，使之产生炸裂等现象而导致漏气；-④材料中非金属杂质、害元素和气体的含量应当在真空中-或氢气保护下进行退火时，能够很好的脱碳、脱气；-⑤在性能满足要求的前提下价要尽可能低廉。4、封装技术的计算机模拟分析-随着半导休器件工作频率的不断提高、集成电路集成度-与速度的迅速增加，一个封装壳内所能容纳的芯片数目及-其功率也相应地急剧增加。-①芯片温度的升高将会降低器件的可靠性而温度的急剧-变化会在器件各部分产生热应力，从而有可能引起芯片、-衬底和键合点的碎裂或脱落。-②在高速、高频或紧密组装的电路统设计中，金属化-布线的电容和电感对电路性能的影响也是不能忽视的。-所以耍实现高可靠、高密度和高性能的封装在进行封-装结构设计时，在处理好由器件温升而引起的热阻、由分布-电容和分布电感而引起的器件高频性能变坏和速降低等一-系列问题时，可利用计算机辅助设计这一有力的手段，以取-得较好的设计效果。一个较完善的封装结构设计必须在几个重要的封装设计-因素中，譬如热阻、芯片热阻、键合点寿命、热应力、热变-形接触电阻和电性能等方面，彼此取得较好的平衡。-换句话说，一个较完善的封装结构实际上就是将这个器-件的电性能环境、寿命、机械和热性能等通过封装材料和-特殊的工艺方法，以特定的结构形式体现出来。-以前对于封装结构的考都是通过一些样品的试制和试-验来获得的，但是随着产品更新周期的缩短，采用计算机辅-助设计则可赢得时间而使封设计工作加速。-比如半导体器件热强度设计系统HISETS软件-热分析与散热设计技术-布线、实装形态与电信号输特性分析-应力分析三、集成电路封装工艺流程硅锭-硅片-切成-经2030工艺步骤-封装-切成芯片-回回回-00-一-☒-测试-形成带芯片的硅片-成品测-可回风-提供给客户1.-划片和分片〔工北文件号-难片-苍片-《材料寻》-2-芯片分选《工艺文件马-7焊料《材料号-3.-芯片封检验〔拉啦义件号-7外珑（材料号）-4.-装片《工艺文件号-中-V内引毁-〔材料号-5,-内引线键合（下文件昂）-辽牌料（林料号）-6.-口封前质量枪脸〔松验文作易-V上盖-〔材料母-7.-封盖《工艺文体号-↓7氲气（材料号）-蛀检-《工艺文排昂-V筑碳化合物（材料停）-9-粗检附（工艺文纤号-￥-10.-切边（工文件号-11.-○封后质驻检验〔控险文件号-12.-高温带存《工艺文件号-13.-温度冲击〔工艺文并号1、划片-划片就是把已制有电路图形的集成电路圆片切割分离成-具有单个图形（单元功能）的芯片，常用的方法有金刀划片、-砂轮划片和激光划片等几种：金刚刀划片质量不够好，也-不便于自动化生产，但设备简单便宜，目前已很少用；-激光划片属于新技术范踌，正在推广试用阶段。目前使用-最多的是砂轮划片，质量和生产效率都能满足一般集成-路制作的要求。一半切-Uu"■-90%护断-A只只户只口Pョ-成穿切断-塑料喜膜-图7+2-砂轮划片钥割深度示意图2、绷片和分片-绷片：经划片后仍粘贴在塑料薄膜上的圆片，如需要分离成-单元功能芯片而又不许脱离塑料薄膜时，可采用绷片机进-行绷片，即把粘贴在薄膜上的圆片连同框架一起放在绷片机-人用一个圆环顶住塑料薄膜，并用力把它开，粘在其上的-圆片也就随之从划片槽处分裂成分离的芯片。这样就可将已-经分离的但仍与塑料曲膜保持粘连的芯片连同框架一起送-入自动装片机上进行芯片装片。现在装片机通常附带有绷片-机构。-分片：当需人工装片时，则需要行手工分片，即把已经经-过划片的圆片倒扣在丝绒布上，背面垫上一张滤纸，再用有-机玻璃棒在其上面进行擀压，则片由于受到了压应力而沿-着划片槽被分裂成分离的芯片。然后仔细地把圆片连同绒布-和滤纸一齐反转过来，揭去绒布芯片就正面朝上地排列在-滤纸上，这时便可用真空气镊子将单个芯片取出，并存放在-芯片分居盘中备用。3、芯片装片-把集成电路芯片核接到外壳底座（如多层陶瓷封装）-或引线框架（如塑料封装）上的指定位置，为丝状线的-连接提供条件的工艺，称之为装片。由于装片内涵多种-工序，所以从工艺角度习惯上又称为粘片、烧结、芯片-合和装架。根据目前各种封装结构和技术要求，装片-的方法可归纳为导电胶粘接法、银浆或低温玻璃烧结法-和低熔点金的焊接法等几种，可根据产品的具体要求-加以选择。4、引线键合-最早的办法是采用拉丝焊、合金焊和点焊。直到1964年-集成电路才开始采用热压焊和超声焊。-集电路的芯片与封装外壳的连接方式，目前可分为有-引线控合结构和无引线键合结构两大类。有引线镀合结构就-是我们常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金一金-键合，金一铝银键合或铝一铝键合。由于它们都是在一定压-力下进行的接，所以又称键合为压焊。5、密封-密封技术就是指在集成电路制作过程中经过组装和检-验合格后对其实行最后封盖，以保证所封闭的空腔中能-有满意的气密性，并且用质谱仪或放射性气体检漏装置来-进行测定，判断其漏气速率是否达到了预定的指标。通常-是以金属、玻璃和陶瓷为主进行密封，并称它们为气密-性封装；而塑料封袭则称非气密性封装。塑料封装DIP工艺-成本较低-封装树脂-1C芯片-导线丝-铝膜-引线架-外引线-塑料基板-导电粘胶6、塑料封装技术-塑料封装生产的特点，就是在集成电路的生产过程中，-通过组装可以一次加工完毕，而不需由外壳产厂进行配套-因而其工作量可大为降低，适合于大批量的自动化生产，已-成为集成电路的主要封装形式之一。1-塑料封装成型方法-塑料封装的成型方法有滴涂法、浸渍涂敷法、填充-法、浇铸法和递模成型法。应根据封装的对、可靠性-水平和生产批量的不同选用合适的成型方法。①滴涂成型法-用滴管把液体树脂滴涂到键合后的芯片上，经加热-后固化成型，又称软封装。-5-3-6-图7·清法成型-】一书酯2一片13一金丝，4一印制战，5一管腿：6一底座。滴涂法工艺操作简单，成本低，不需要专用的封装设备-和模具，适用于多品种小批量生产，但封装的可靠性差，-封装形尺寸不一致，不适合大批量生产，其工艺流程是-外壳或印村板-芯片-滴·涂-加热同化-成品-混合搅光-液体树-都加剂②浸渍涂敷法成型-把元、器件待封装部位浸渍到树脂溶液中，使树脂包-封在其表面，经加热固化成型。-个-图4--浸渍涂激法成型-1一元件，2一液体树肱，3一容器。浸渍涂敷法工艺操作筒单，成本低，不需要专用的封装设-备和模具，但封装的可筹性差，封装外形不一致，表面浸-渍树脂量不易均匀，其工艺流程是-引线-芯片-引线链合-陵波染敷-加热固化一-成品-混合搅拌-液体树脂-添加剂③填充法成型-把元器件待封装部位放入外壳（塑料或金属壳）内，再用液-体树脂填平经加热固化成-好-图4-9】填苑法戚型-1一液体树胎，2一元器件：3一塑封外壳。填充法工艺操作简单，成本低，防潮性能好，适合选用不-同材料的外壳，但生产效率较低，树脂量不易控制.且可-靠差，其工艺流程是-引线-外壶-芯片-装片一→引线键合-→填充塑料→枷热同化→-成品-抿合搅拌-液体树脂-:加剂④浇铸法成型-把元器件待封装部位放入铸模内，用液体树脂灌满，-经加热固化成型-图4-10-1一液体树静，2一元器件」3一模具。浇铸法成型工艺操作简单，成本低，封装外形尺寸一-致，防潮性能较好，但封接后不易脱模，生产效率-低.可靠性也，其工艺流程是-引线-芯片装片-引线键合'一>浇转成一→加热白化-成品-混合搅拌-液体辖脂-拆加剂⑤递模成型-塑料包封机上油缸压力，通过注塑杆和包封模的注塑-头、传送到被预热的模塑料上，使模塑料经浇道、浇缓-促的挤入型腔，并充满整个腔体，把芯片包封起来。此方-法称为递模成型法-6-图4一1]递模成型-1*模，一上模」3一加料腔4一注塑头15一模塑料-6一说道，7一浇口多8一型腔，9一排气孔。递模成型工艺操作简单，劳动强度低，封装后外形一致性-好，成品率高，且耐湿性能好，适合大批量工业化生产，但-次性投资多，占用生产场地大，当更换封装品种时，需要-更换专用的包封模具和辅助工具。递模成型法是集成电路的-要封装形式，其工艺流程是-引线推绍-模翘料-打饼-高须预热：-包封棋-芯-片-一→递模成型：-去2封装塑料的设计原则-好的散热性-热膨胀系数应进可能与硅芯片一致，减小热应力-尽可能低的介电常数，减小信号迟-尽可能高的电阻率，增强绝缘性3-塑封材料-塑料封装所用的有机材料是热固性塑料，以高分子化-合物合成的树脂为基体，加入团化刑、反应促进剂催化剂-填充剂、阻然剂、脱模剂和着色剂等组成。-常用的几种树脂特性-环氧树脂-这是一种热固性树脂，固化后具良好的粘接性、电绝-线性、耐化学腐蚀性和机械强度，收缩率小，外形几何尺寸稳-定性好，并具有较高的耐热性能10一200℃。环氧树脂的缺-点是不适合在高温下工作，高频性能和耐湿性能较差。环氧树-脂的封装方式比较广