封裝技術(shù)的研究

1、封裝與失效分析封裝與失效分析 本章圍繞非氣密封裝技術(shù)、氣密 封裝技術(shù)、常見封裝形式、混合 電路常見失效模式與分析等方面 進(jìn)行介紹。 當(dāng)將有源器件和無(wú)源元件組裝到已完成膜層印燒/蒸發(fā)/ 濺射的基片上以后，這個(gè)混合微電路就可以進(jìn)行封裝 了。組裝和封裝作為產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界引 起人們?nèi)找嬖龆嗟年P(guān)注。 廣義的封裝是指將半導(dǎo)體和電子元器件所具有的電子 的、物理的功能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于設(shè)備或系統(tǒng)的形式， 并使之為人類社會(huì)服務(wù)的科學(xué)技術(shù)。 狹義的封裝(Packaging,PKG)是指裸芯片與布線板實(shí)現(xiàn) 微互連后，將其密封在塑料、玻璃、金屬或陶瓷外殼 中，以確保半導(dǎo)體集成電路芯片在各種惡劣條件下正 常工作

2、。 l無(wú)論是單芯片封裝前的裸芯片，還是多個(gè)裸芯片裝 載在多層布線板上的多芯片組件(MCM),在不經(jīng)封裝 的狀態(tài)下，由于空氣中濕氣和氧的影響，半導(dǎo)體集 成電路元件表面及多層布線板表面的導(dǎo)體圖形及電 極等，會(huì)隨時(shí)受到氧化的腐蝕，使其性能退化。因 此，無(wú)論是單芯片封裝還是MCM制造，在整個(gè)工藝 過程中，應(yīng)避免在空氣中放置，而應(yīng)在氮?dú)鈿庀涞?非活性氣氛中加以保護(hù)。否則，會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體元件 的內(nèi)側(cè)引線凸點(diǎn)因氧化而難以鍵合，多層布線板的 導(dǎo)體電極因氧化而不能釬焊等問題。 l即使已完成了微互連，不經(jīng)封裝而在含有濕氣的空氣中工 作加之遷移現(xiàn)象，半導(dǎo)體元件及多層布線板上的導(dǎo)體電路 會(huì)發(fā)生突然短路。因此，多層布線板

3、及半導(dǎo)體元件表面露 出的導(dǎo)體圖形必須與外界氣氛隔絕。無(wú)論對(duì)于單個(gè)使用的 裸芯片還是MCM，封裝都是必不可少的。 l封裝除對(duì)混合電路起機(jī)械支撐、防水和防磁、隔絕空氣等 的作用外，還具有對(duì)芯片及電連接的物理保護(hù)、應(yīng)力緩和、 散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化等多種功能。 n非氣密性樹脂封裝技術(shù) 一、單芯片封裝 單芯片封裝分氣密性封裝型和非氣密性封裝型兩大類：前者包括金屬 外殼封接型、玻璃封接型(陶瓷蓋板或金屬蓋板)、釬焊(Au/Sn共晶焊 料)封接型；后者包括傳遞模注塑封型、液態(tài)樹脂封裝型、樹脂塊封 裝型等。其中傳遞模注塑封法價(jià)格便宜，便于大批量生產(chǎn)，目前采用 最為普遍。 傳遞模注塑封技術(shù) a.模注樹

4、脂成分及特性 樹脂通常是指受熱后有軟化或熔融范圍，軟化時(shí)在外力作 用下有流動(dòng)傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有時(shí)也可以是 液態(tài)的有機(jī)聚合物。廣義地講，可以作為塑料制品加工原 料的任何聚合物都稱為樹脂。 樹脂有天然樹脂和合成樹脂之分。天然樹脂是指由自然界 中動(dòng)植物分泌物所得的有機(jī)物質(zhì)，如松香、琥珀、蟲膠等。 合成樹脂是指由簡(jiǎn)單有機(jī)物經(jīng)化學(xué)合成或某些天然產(chǎn)物經(jīng) 化學(xué)反應(yīng)而得到的樹脂產(chǎn)物。 按樹脂分子主鏈組成分類 : 按此方法可將樹脂分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有 機(jī)聚合物。 碳鏈聚合物是指主鏈全由碳原子構(gòu)成的聚合物，如聚乙烯、 聚苯乙烯等。 雜鏈聚合物是指主鏈由碳和氧、氮、硫等兩種以上元素的 原子

5、所構(gòu)成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。 元素有機(jī)聚合物是指主鏈上不一定含有碳原子，主要由硅、 氧、鋁、鈦、硼、硫、磷等元素的原子構(gòu)成，如有機(jī)硅。 ex:環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分 子化合物。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為 其特征，環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于 分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，使它們可交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不 熔的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。 傳遞模注樹脂封裝的可靠性取決于模注樹脂的可靠 性。標(biāo)準(zhǔn)模注樹脂的組成，按其配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 從高到低依次為填充料(filler)(約70%),環(huán)氧樹脂 (約18%以下)，固化

6、劑(約9%以下)等。 填充料的主要成分是二氧化硅。晶態(tài)二氧化硅 有利于提 高模注樹脂的導(dǎo)熱性，熔凝態(tài)(非晶)二氧化硅有利于降低 模注樹脂的熱膨脹系數(shù)及吸濕性。圖中可見隨熔凝二氧化 硅含量的增加，封裝樹脂熱膨脹系數(shù)降低最多，從而對(duì)模 注塑封中的熱應(yīng)力緩和更為有效。 環(huán)氧樹脂的組成，一般都采用甲酚-酚醛系(C6H3OHCH2n)。 環(huán)氧樹脂具有保護(hù)芯片、使其于外部氣體隔絕，確保成形 時(shí)的流動(dòng)性外，還對(duì)模注樹脂的機(jī)械、電氣、熱等基本特 性起決定性作用。 固化劑的主要成分為苯酚-酚醛系樹脂，其與環(huán)氧樹脂一 起對(duì)成形時(shí)的流動(dòng)性及樹脂特性起作用。 此外，模注樹脂中還含有如下成分：促進(jìn)固化反應(yīng)的固化 促進(jìn)劑

7、(觸媒)；樹脂在注模內(nèi)固化后，為使其便于取出的 脫模劑；為阻止燃燒，滿足阻燃特性規(guī)定的阻燃劑；以黑 色炭粉及各種顏料進(jìn)行著色的著色劑等。 b.傳遞模注工藝過程 先將模具預(yù)熱，將經(jīng)過微互連的芯片框架插入上下模具中，上模具下 降，將芯片框架固定。 注塑壓頭按設(shè)定程序下降，樹脂料餅經(jīng)預(yù)加熱器加熱，粘度下降，在 注塑壓頭壓力作用下，由料筒經(jīng)流道，通過澆口分配器進(jìn)入澆口，最 后注入到型腔中。 注入中不加壓力，待封裝樹脂基本上填滿每個(gè)型腔之后再 加壓力。在加壓狀態(tài)下保持?jǐn)?shù)分鐘，樹脂聚合而硬化。 上模具提升，取出模注好的封裝體。切除流道、澆口等不 必要的樹脂部分。 此時(shí)樹脂聚合仍不充分，特性也不穩(wěn)定，需要在

8、160180 攝氏度經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫加熱，使聚合反應(yīng)完結(jié)。 由于模注時(shí)樹脂可能從模具的微細(xì)間隙流出，故最后還要 利用高壓水及介質(zhì)(玻璃粉等)的沖擊力，使殘留在外引腳 表面的樹脂溢料(又稱毛邊、飛邊等)剝離。 外引腳經(jīng)過電鍍焊料或電鍍Sn等處理，以改善引腳的耐蝕 性及微互連時(shí)焊料與它的浸潤(rùn)性。至此，傳遞模注封裝全 部完成。 問題1：隨著芯片封裝規(guī)模及相應(yīng)模具的大型化，往往會(huì) 發(fā)生樹脂注入型腔的不均勻化問題。從樹脂注入每個(gè)型腔 的過程看，離注塑壓頭遠(yuǎn)的型腔注入樹脂前，離注塑壓頭 近的型腔中樹脂已開始硬化；離注塑壓頭遠(yuǎn)的型腔填充完 畢開始增加注入壓力時(shí)，離注塑壓頭近的型腔中的樹脂已 經(jīng)硬化，殘留的氣體

9、會(huì)產(chǎn)生氣孔或氣泡。 解決方法是采用多個(gè)注塑壓頭，以保證樹脂在每個(gè)型腔內(nèi)處于均衡的 流入狀態(tài)。 問題2：一般的模注采用下澆口注入樹脂，這在芯片和封裝尺寸較小 時(shí)沒有問題，但隨著芯片和封裝尺寸變大，離澆口遠(yuǎn)的封裝上部，往 往出現(xiàn)樹脂未填充的部分。 解決方法是通過將澆口設(shè)置在封裝中部，保證注入樹脂在型腔內(nèi)芯片 的上面、下面均衡流動(dòng)，從而避免樹脂未填充問題。 c.模注樹脂流速及粘度對(duì)Au絲偏移(沖絲)的影響 封裝樹脂在型腔內(nèi)流動(dòng)會(huì)造成微互連Au絲的偏移(沖絲)。 為了減小Au絲偏移，應(yīng)降低封裝樹脂的粘度，并控制封裝 樹脂盡量緩慢的在型腔內(nèi)流動(dòng)。 二、多芯片封裝 MCM封裝也可按其氣密性等級(jí)，分為氣密封

10、裝和非氣密 封裝兩大類。非氣密封裝的代表是樹脂封裝法，依樹脂的 加入方式不同，進(jìn)一步還可分為注型(casting)法、浸漬 (dipping)法、滴灌(potting)法及流動(dòng)浸漬法(粉體涂裝法)等； 氣密性封裝包括低熔點(diǎn)玻璃封接法、釬焊封接法、縫焊封 接法及激光熔焊法等。 封裝可靠性與其價(jià)格具有明顯的關(guān)系，可靠性越高則封裝 價(jià)格越貴。 樹脂封裝價(jià)格低，但從可靠性角度，特別是耐濕性存在問 題，對(duì)于可靠性要求高的大型電子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，必須采 用氣密性封裝。 采用釬焊密封法，可以做到完全的氣密性封接，金屬性腔 體內(nèi)還可封入氦氣、氮?dú)獾确腔钚詺怏w。但這種方法存在 焊料與多層布線板上導(dǎo)體層之間的擴(kuò)散問

11、題，若在高溫環(huán) 境下使用，則耐熱性及長(zhǎng)期使用的可靠性都不能保證。 對(duì)可靠性有更高要求的應(yīng)用，需采用熔焊法。其中之一是 縫焊封接(seamweld),但現(xiàn)有縫焊焊機(jī)的功率有限，只能 焊比較薄(厚度約0.15mm)的金屬蓋板，不能用于大型 MCM。為了能對(duì)大型MCM中采用比較厚(0.250.5mm)的 金屬蓋板進(jìn)行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。 采用縫焊封接時(shí)，先用環(huán)氧樹脂及焊料等粘結(jié)劑，將陶瓷 布線板支持固定在金屬外殼中，而粘結(jié)劑在散熱性及耐機(jī) 械沖擊性等方面都存在問題。為解決這些問題，可以在陶 瓷布線板上，通過銀漿料，粘結(jié)固定與布線板熱膨脹系數(shù) 基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封環(huán)，并作

12、為激光熔 焊時(shí)的金屬基體。 耐濕性試驗(yàn)：耐濕性試驗(yàn)： 為了比較各種封裝方法的可靠性，一般以耐濕性為代表， 耐濕性試驗(yàn)最常使用壓力鍋試驗(yàn)。 近30年前的DIP封裝(傳遞模注塑封法)，由于塑封材料耐濕性差，在 121攝氏度，202kPa的壓力鍋中，只能維持70h左右；隨著塑封材料 耐濕性的逐步改善，目前的可靠性已達(dá)200h.對(duì)MCM封裝，大多數(shù)塑 封MCM，例如滴灌法COB(chip on board)、流動(dòng)浸漬法的SMT模塊、 浸漬法、注型法等制作的HIC，僅能維持小于70h的可靠性；而氣密 性MCM封裝，幾乎能維持無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，顯示出高可靠性。 無(wú)論是非氣密樹脂封裝，還是其他幾種氣密性封裝，都具

13、 有各自優(yōu)勢(shì)，但從可靠性比較，氣密封裝明顯優(yōu)于非氣密 封裝。 a.非氣密多芯片樹脂封裝技術(shù) 常用于MCM的非氣密性樹脂封裝法，一般是采用環(huán)氧樹 脂、塑料、硅樹脂等有機(jī)樹脂，覆蓋在微互連于多層布線 板之上的半導(dǎo)體芯片上，使其與外界隔絕。覆蓋樹脂的方 法有以下五種。 涂布(coating)法 用筆或毛刷等蘸取環(huán)氧樹 脂或硅樹脂，直接在半導(dǎo) 體芯片及片式元件上涂布， 經(jīng)加熱固化完成封裝。用 于這種方法的涂布樹脂粘 度要適中略低。 滴灌(potting)法 又稱滴下法。用注射器及布液器 將粘度比較低的環(huán)氧樹脂、硅樹 脂等液態(tài)樹脂滴灌在微互連于多 層布線板之上的半導(dǎo)體芯片上， 經(jīng)加熱固化完成封裝。 浸漬

14、(dipping)法 將完成微互連的MCM浸入裝滿環(huán) 氧樹脂或酚樹脂液體的浴槽中， 浸漬一定時(shí)間后向上提拉，經(jīng)加 熱固化完成封裝。此方法要搭配 掩模等方法避免樹脂在不需要的 部位上附著。 注型(casting)法 又稱模注法。將完成微互連的MCM 置入比其尺寸略大的模具或樹脂盒中， 在它們的間隙中注入環(huán)氧樹脂或酚樹 脂等液體樹脂，經(jīng)加熱固化完成封裝。 流動(dòng)浸漬法 又稱粉體涂裝法。將完成微互連的 多層布線板在預(yù)加熱的狀態(tài)，浸入裝 滿環(huán)氧樹脂與氧化硅粉末的混合粉體 中，并處于流動(dòng)狀態(tài)的流動(dòng)浴槽中， 浸漬一段時(shí)間，待粉體附著達(dá)一定厚 度后，經(jīng)加熱固化完成封裝。 在對(duì)樹脂封裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮

15、耐濕性和減小 內(nèi)應(yīng)力這兩個(gè)問題。對(duì)于前者應(yīng)減少可能漏氣的環(huán)節(jié)，加 強(qiáng)從外氣到半導(dǎo)體元件的密封措施；對(duì)于后者應(yīng)正確把握 封裝樹脂熱膨脹系數(shù)、填充量等的關(guān)系，減少容易發(fā)生應(yīng) 力集中的環(huán)節(jié)等。在有些情況下，可以采用從里到外三層 樹脂封裝的結(jié)構(gòu)，靠近芯片為一層柔軟層，中間為一層緩 沖層，外部為一層致密層。這樣既可提高耐濕性，又可減 小內(nèi)應(yīng)力。 以上幾種方法都屬于樹脂封裝，不可避免都會(huì)浸入一定程 度的濕氣，導(dǎo)致可靠性也短，一般只有23年的保質(zhì)時(shí)間； 封裝之后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不合格或出現(xiàn)故障，需要?jiǎng)冸x樹脂，找 出不合格芯片，但剝離液對(duì)正常芯片會(huì)產(chǎn)生影響，因此， 出現(xiàn)故障的塑封元件一般以廢品處理。這些方法適合于規(guī)

16、模較小，價(jià)格比較低的一般民用器件。 b.樹脂封裝中濕氣侵入路徑及防止措施 樹脂材料作為有機(jī)物，都或多或少存在耐濕性較差的問題。 樹脂封裝中濕氣的來(lái)源主要有三條：一是樹脂自身的吸濕 性；二是樹脂自身的透水性；三是通過樹脂與多層布線板 之間的間隙，以及通過封裝與MCM引腳之間的間隙發(fā)生 滲漏。 液態(tài)樹脂的固化條件(溫度和時(shí)間)對(duì)吸水性、透水性有決 定性的影響，必須嚴(yán)格保證。還要注意樹脂的保質(zhì)期及冷 藏保管，使用前要進(jìn)行脫泡處理，嚴(yán)禁粉塵和氣泡混入。 經(jīng)生產(chǎn)廠家多年努力，樹脂的吸水性和透水性已明顯改善。 關(guān)于密封性，不單單取決于樹脂材料，還取決于引腳的表 面狀態(tài)，以及樹脂材料同氧化鋁陶瓷多層布線板等

17、基體材 料的匹配情況。對(duì)于耐濕性良好而密封性不太理想的樹脂， 可以通過增加基體材料表面粗糙度的方法，增加整體的密 封性。 樹脂封裝法中，芯片周圍包圍的樹脂材料越多、有效隔離長(zhǎng)度越長(zhǎng)、 耐濕性越好。但另一方面，隨著封裝樹脂量的增加及樹脂中內(nèi)應(yīng)力的 增加，會(huì)造成陶瓷布線板發(fā)生翹曲，致使芯片布線板上搭載的芯片部 件剝離、引起WB電氣連接破壞、造成布線板上膜電阻出現(xiàn)裂紋等。 故應(yīng)正確把握樹脂填充量、有效絕緣長(zhǎng)度、內(nèi)應(yīng)力等因素的關(guān)系。 熱膨脹系數(shù)是否匹配為內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的重要起因之一。應(yīng)通過改進(jìn)樹脂 添加成分，使樹脂與電路材料熱膨脹系數(shù)盡量匹配。 c.樹脂未填充起因及解決辦法 由于模具溫度過高，預(yù)熱后的塑封

18、料在高溫下反應(yīng)加快， 會(huì)造成型腔還未充滿時(shí)，塑封料粘度急劇上升，流動(dòng)阻力 增大，注塑壓力無(wú)法傳遞，形成有趨向性的未填充。這種 現(xiàn)象在大體積電路中容易出現(xiàn)，因?yàn)槠涿磕Ｋ芊饬嫌昧枯^ 多，為使塑封料在短時(shí)間內(nèi)受熱均勻，設(shè)定的模溫一般較 高。 有趨向性未填充主要是塑封料流動(dòng)不充分引起的，可采用 提高塑封料預(yù)熱溫度和增加注塑速度使塑封料流動(dòng)加快， 同時(shí)降低模具溫度，減緩反應(yīng)速度，可以使流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)， 填充更充分。 由于模具的澆口堵塞，使塑封料無(wú)法注入，以及排氣口堵 塞造成型腔氣體殘留，從而阻礙了型腔的填充。這種未填 充在型腔位置分布上無(wú)規(guī)律性，小體積電路出現(xiàn)的幾率較 高，因?yàn)樾⌒头庋b的澆口、排氣口相對(duì)較

19、小而容易引起堵 塞。 對(duì)于澆口和排氣口的堵塞，可用工具刮去堵塞物并涂上脫 模劑，每模封裝后，用氣槍和刷子清掃模具。 d.沖絲 塑封料在注塑成形時(shí)是有粘度的運(yùn)動(dòng)流體，因此具有一定 的沖力。沖力作用在金絲上，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況 下金絲沖斷，這就是所謂的沖絲。 沖絲是塑封產(chǎn)品的一個(gè)通病，無(wú)法完全消除，它必須借助 專用的X射線儀才能觀察到，在生產(chǎn)中無(wú)法做到全檢，一 般只做少量的抽檢。如何通過抽檢來(lái)判斷沖絲程度就非常 重要了。 a/b越大，沖絲程度越嚴(yán)重； 當(dāng)a/b20%時(shí)可判為不良品； a/b12%15%時(shí)，必須引起重視并進(jìn)行調(diào)整； a/b10%時(shí)，情況較好。 一般來(lái)說(shuō)，塑封料粘度越大，速度越快

20、，對(duì)鍵合絲的沖擊角 度越接近于90度，沖力越大。 n氣密性封裝技術(shù) a.釬焊氣密封接技術(shù) 釬焊氣密封接是通過釬焊將金屬外殼固定在多層布線板上，將IC芯 片與外氣絕緣。為了利用釬焊實(shí)現(xiàn)氣密封接的目的，要求焊料與被 釬焊材料之間具有良好的浸潤(rùn)性。通常采用Sn63/Pb37焊料。 為了釬焊金屬封裝外殼，需要在多層布線板表面的四周，形成與外 殼相匹配、用于釬焊連接的導(dǎo)體圖形。該導(dǎo)體圖形與焊料間應(yīng)有良 好的浸潤(rùn)性，且與焊料的互擴(kuò)散盡量小。一般是通過厚膜法，采用 Cu漿料印刷。對(duì)于氧化鋁陶瓷多層共燒基板來(lái)說(shuō)，一般在W導(dǎo)體 層上電鍍Ni/Au層，以達(dá)到良好的浸潤(rùn)性。 金屬外殼與多層布線板的熱膨脹系數(shù)一般是不

21、同的，因此 對(duì)氧化鋁布線板來(lái)說(shuō)，最好選用可伐合金外殼。但可伐合 金與焊料間的浸潤(rùn)性不好，通常金屬外殼也需要電鍍 Ni/Au或Sn，以改善其浸潤(rùn)性。 可伐合金可伐合金（Kovar）:本合金含鎳29%，鈷17%的鐵基封接合金。該合金在 20450范圍內(nèi)具有與陶瓷相近的熱膨脹系數(shù)，和相應(yīng)的陶瓷能進(jìn)行有 效封接匹配，此容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，廣泛用于 制作電真空元件，發(fā)射管，顯像管，開關(guān)管，晶體管以及密封插頭和繼電 器外殼等。用可伐合金對(duì)工件進(jìn)行封接 時(shí)，一般工件表面要求鍍金。 釬焊封接時(shí)，將金屬外殼扣在預(yù)釬焊的封接圖形上，在大 約240攝氏度下進(jìn)行回流焊，此時(shí)外殼內(nèi)的空氣會(huì)膨脹，

22、因此需要在金屬外殼上制作空氣向外逃逸用的小孔，而后， 在氦氣或氮?dú)獾确腔钚詺夥罩?，用共晶焊料?duì)小孔進(jìn)行封 接。 釬焊封接的金屬外殼封裝便于分解、重裝，一般可保證在 10次以上。因此，這種封接可用做通常氣密性封裝后半導(dǎo) 體元件的初期不良品篩選。 釬焊封接中采用助焊劑，焊接過程中產(chǎn)生殘?jiān)?，清洗助?劑的三氯乙烷等有機(jī)清洗劑破壞臭氧層，不利于環(huán)保。 b.激光熔焊封接技術(shù) 激光熔焊適用于大型MCM及外形復(fù)雜的MCM，并能保證 高可靠性。 其工藝過程如下：先在多層布線板的設(shè)定位置上，由Ag焊 料固定作為熔焊金屬基體的焊接環(huán)，將金屬外殼扣在焊接 環(huán)上，使兩者處于緊密接觸狀態(tài)，用激光束照射密接部位， 焊接環(huán)

23、及與其密接部位的外殼金屬同時(shí)熔化，經(jīng)冷卻完成 氣密封接。由于相同金屬間便于熔焊，一般情況下焊接環(huán) 與外殼都采用可伐合金。 激光熔焊封接法僅使焊接環(huán)與金屬外殼間需要密封連接的 部位瞬時(shí)達(dá)到高溫再冷卻。不像焊料封接那樣，需要使多 層布線板達(dá)到高溫，因此，不必考慮金屬外殼內(nèi)部空氣的 膨脹問題，不需要在金屬外殼上設(shè)置氣孔。激光熔焊法可 以在非活性氣氛封接箱內(nèi)完成氣密性封接。 對(duì)熔焊封接外殼進(jìn)行拆卸、重裝是比較困難的，一般采取 的是拆卸、重裝焊接環(huán)的方式。因此，焊接環(huán)的高度一般 保持在0.75mm以上，在每一次拆卸、重裝過程中，焊接 環(huán)需要研磨掉約100200 的高度，總共可進(jìn)行23次 返修、重裝操作。

24、 m 與釬焊封接法相比，激光熔焊法允許的拆卸、返修次數(shù)少，故在正式 封裝前，需要對(duì)半導(dǎo)體元件進(jìn)行老化篩選，以去除初期不良的器件。 將無(wú)Pb的激光熔焊封接技術(shù)和無(wú)鉛的芯片微互連技術(shù)相結(jié)合，就可以 在完全不必采用Sn-Pb系焊料，實(shí)現(xiàn)封裝的真正無(wú)無(wú)鉛化。 n常見封裝形式及性能 表面貼裝元器件的發(fā)展導(dǎo)致了安裝方式從通孔插裝到表面 貼裝的變化。相應(yīng)的元器件封裝形式也發(fā)生了變化。 lTo封裝 To封裝是混合微電路最早的封裝形式之一。有罐形、碟形、 兩面形、平臺(tái)形等外殼。 To封裝最初被用作上面 有厚膜電阻、電容、芯 片-線焊半導(dǎo)體器件的多 層陶瓷基板的封裝外殼。 To99是低矮款式的To5 封裝，其常用

25、于封裝中 等復(fù)雜程度的單層基片 電路。 To形式的封裝成本最低， 且封裝合格率較好，在半 導(dǎo)體工業(yè)界曾廣泛使用。 lDIP封裝(dual in-line package,雙列直插封裝) 上世紀(jì)70年代開始流行DIP，其針腳分布于兩側(cè)，且 呈直線平行布置，直插入印制線路板，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械固 定和電氣連接。 a.DIP封裝比To封裝易于對(duì) 基板布線，操作方便 b.DIP引腳數(shù)一般不超過100 個(gè) c.DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層 陶瓷雙列直插式DIP，單層 陶瓷雙列直插式DIP，引線 框架式DIP等。 d.以采用40根I/O引腳塑料包封雙列直插式(PDIP)的CPU 為例，芯片面積/封裝面積=1:86。

26、所以，這種封裝效 率很低，占去了很多有效安裝面積。 e. 很多中小規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，現(xiàn)在一些 主板的BIOS芯片還采取這種封裝形式。Intel公司在 這段時(shí)間推出的CPU如8086，80286都采用PDIP封 裝。 衡量芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的一個(gè)重要指標(biāo)是芯片面衡量芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的一個(gè)重要指標(biāo)是芯片面 積與封裝面積之比，這個(gè)比值越接近積與封裝面積之比，這個(gè)比值越接近1越好。越好。 lPGA(Pin grid array package,針柵陣列插入式封裝) 此封裝形式是在DIP的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)高速度、多針腳化 (提高端子密度)而出現(xiàn)的。針腳不是單排或雙排，而是在 整個(gè)平面呈柵

27、陣排布。 a. 與DIP相比，在不增加針腳間距的情況下，可以按近似平 方的關(guān)系提高針腳數(shù)。若采用導(dǎo)熱性良好的陶瓷基板，還 可以適應(yīng)高速度、大功率器件的要求。 b. 這種封裝具有向外伸出的針腳，一般采用插入式實(shí)裝而不 宜采用表面實(shí)裝，采用陶瓷基板，價(jià)格相對(duì)較高。 l芯片載體封裝 上世紀(jì)80年代出現(xiàn)了芯片載體封裝，其中有陶瓷無(wú)引線芯 片載體LCCC(Leadless ceramic chip carrier),塑料無(wú)引線 芯片載體PLCC(Plastic Leadless Chip Carrier),小尺寸封 裝SOP(Small Outline Package),塑料四邊扁平封裝 PQFP(Pl

28、astic Quad Flat Package)等。 a. 芯片載體封裝適合用表面安裝技術(shù)在基板上安裝布線。 b. 封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)小，可靠性進(jìn)一步提高，適合 高頻應(yīng)用。 c.以208根I/O引腳的QFP封裝的CPU為例，外形尺寸 28mm*28mm,芯片尺寸10mm*10mm，則芯片面積/封裝 面積=1：7.8。 d. 在此期間，Intel公司的CPU如80386就采用塑料四邊引出 扁平封裝PQFP QFP由SOP發(fā)展而來(lái)，其外形呈扁平狀，鳥翼形引線端子 的一端由PKG的四個(gè)側(cè)面引出，另一端沿四邊布置在同一 平面上。由QFP派生出LCCC、PLCC以及TCP等。 e.QFP實(shí)裝在基板

29、上不是靠針腳插入通孔中，而是采用SMT 方式，即通過焊料等粘附在基板表面相應(yīng)的電路圖形上。 因此，基板兩面可以形成不同的電路，采用整體回流焊等 方式使兩面上搭載的全部元器件一次鍵合完成，便于自動(dòng) 化操作，可靠性也有保證，是目前最常采用的PKG形式。 f. 由于QFP的引線端子四周邊布置，且伸出PKG之外，若引 線間距過窄，引線過細(xì)，則端子更為柔嫩，難免制造及實(shí) 裝過程中造成變形。當(dāng)端子數(shù)超過幾百個(gè)，端子間距等于 或小于0.3mm時(shí)，要精確的搭載在電路圖形上并與其它元 件一起采用再流焊一次完成，難度極大，需采用專用搭載 機(jī)，致使封裝價(jià)格劇增。 lBGA(ball grid array,球柵陣列封

30、裝) 上世紀(jì)90年代，隨著集成技術(shù)的進(jìn)步，LSI、VLSI、ULSI相繼出現(xiàn)， 硅單芯片集成度不斷提高，I/O引腳數(shù)急劇增大，功耗隨之增大，對(duì) 集成電路封裝要求更加嚴(yán)格。 BGA最早由摩托羅拉公司開發(fā)，曾稱為bump grid array.它實(shí)際是在 PGA和QFP的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)：取前者端子平面陣列布置，將插入式 的針腳改換成鍵合用的微球；取后者可采用SMT等由一次回流焊完成 實(shí)裝等優(yōu)點(diǎn)。 目前，從形式上看BGA主要有下面幾種類型： PBGA(Plastic ball grid array),以印制線路板為封裝基板的BGA； CBGA(Ceramic ball grid array),以陶瓷

31、基板為封裝基板的BGA； TBGA(Tape ball grid array),帶載BGA； SBGA(Super ball grid array),以覆銅基板為封裝基板的BGA。 最早開發(fā)并推廣應(yīng)用的BGA形式為PBGA。所謂PBGA是 把PGA的針腳端子變成便于表面實(shí)裝的球形端子，封裝基 板不采用高價(jià)的陶瓷，而采用價(jià)格便宜、跟印制電路板相 同的、加入玻璃纖維的環(huán)氧樹脂基板，芯片電極與封裝基 板布線的連接一般采用WB方式，BGA與實(shí)裝基板的連接 采用回流焊的方式。 按封裝基板的層數(shù)，PBGA又有單層和多層之分，后者有 EBGA(enhanced BGA)、ABGA(advanced BGA)

32、等之分， 但結(jié)構(gòu)大同小異，芯片采用電極面朝下方式，芯片背面粘 附散熱板，有利于高頻信號(hào)的傳輸，熱阻小，基板及封裝 設(shè)計(jì)的自由度大。 第二種BGA形式為TBGA，它可以進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)多端子化 和小型化。它采用便于封裝基板布線圖形微細(xì)化及半導(dǎo)體 芯片鍵合焊盤微細(xì)化的TCP(TAB)技術(shù)。TBGA具有薄型， 低熱阻，有利于高頻信號(hào)傳輸，便于更精細(xì)布線，適合多 端子封裝等優(yōu)點(diǎn)。 還有一種BGA形式為FCBGA(flip chip BGA)，即倒裝芯片 BGA，主要適應(yīng)1000引腳以上的多端子封裝。 a. BGA的I/O引腳雖然繼續(xù)增多(400引腳以上并不困難)，但 引腳間距大于QFP，提高了組裝成品率；

33、 b. BGA厚度比QFP減少1/2以上，重量輕3/4以上； c. 寄生參數(shù)小，信號(hào)傳輸延遲小，使用頻率大大提高； d. 現(xiàn)在的BGA，從技術(shù)上看正向兩級(jí)化領(lǐng)域發(fā)展，一極以滿 足多功能、高性能的電子設(shè)備為主要目標(biāo)，以多引腳、高 速化為其主要特征；另一極以滿足多功能、小型化、便攜 式的電子設(shè)備為主要目標(biāo)，以小型化為其主要特征。 e. 仍與QFP一樣，BGA占用基板面積還是較大；Tessera公司在BGA基 礎(chǔ)上做了改進(jìn)，研制出一種 封裝技術(shù)，芯片面積/封裝面積=1： 4。 BGA一經(jīng)出現(xiàn)，便成為CPU，南北橋芯片封裝的最佳選擇。典型的如 Pentium采用陶瓷球柵陣列封裝CBGA,并在外殼上安裝

34、微型排風(fēng)扇 散熱，從而達(dá)到電路的可靠穩(wěn)定工作。 BGA 開發(fā)BGA最早，最積極的是美國(guó)的公司。日本一些大公司曾想依靠其 高超的操作技能固守QFP不放，但由于BGA具有與電路圖形自對(duì)準(zhǔn)功 能、所占實(shí)裝面積小、對(duì)端子間距要求不苛刻、便于實(shí)現(xiàn)高密度封裝 等優(yōu)點(diǎn)，日本各大電子公司后起直追，投入相當(dāng)大力量開發(fā)各種類型 的BGA。由于CSP的開發(fā)成功，日本在超小型封裝方面后來(lái)居上。 雖然BGA封裝價(jià)格比QFP高，但由于實(shí)裝可靠(日本微機(jī)廠商主板中 采用的200端子PBGA，實(shí)裝不合格率僅為百萬(wàn)分之六)，因?qū)嵮b不良 造成的返修價(jià)格幾乎為零，按總的封裝價(jià)格相比，BGA占優(yōu)勢(shì)。 lCSP(chip size p

35、ackage,芯片尺寸封裝) 1996年可以稱為CSP封裝元年，當(dāng)年CSP技術(shù)的公開發(fā)表 在電子封裝工程的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。這種封裝 與半導(dǎo)體芯片尺寸幾乎同樣大小。如三菱電氣研制的CSP 芯片面積/封裝面積=1：1.1。 CSP具有各種各樣的結(jié)構(gòu)，并不是一種新的封裝類型。但 CSP應(yīng)具有下述特征： 1) CSP就是與芯片尺寸等同或略大的封裝的總稱。 2) 就封裝形式而論，屬于已有封裝形式的派生品，因此可 以按現(xiàn)有封裝形式來(lái)分類，如BGA型，LGA型，SON型 等。 3) 從1996年起，CSP逐漸向便攜式信息電子設(shè)備推廣，其 標(biāo)準(zhǔn)化、一次回流焊特性及價(jià)格等與QFP不相上下。 4) 目前

36、的CSP，不僅從外觀，而且從內(nèi)部連接方式上都有多種不同結(jié)構(gòu)。 各大電子公司為了在包括低檔產(chǎn)品在內(nèi)的一般便攜式信息設(shè)備中實(shí)現(xiàn) 超高密度化，都在積極開發(fā)極限超小型封裝，CSP發(fā)展極為迅速，各 種新型的CSP結(jié)構(gòu)會(huì)不斷出現(xiàn)。 關(guān)于CSP的類型，日本電子機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)(EIAJ)打算按CSP外形分為 平面陣列端子型和周邊布置端子型兩大類。 在平面陣列端子型CSP中，目前世界上開發(fā)、應(yīng)用最廣泛 的是FBGA或稱FLGA。EIAJ正在對(duì)端子間距小于0.8mm, 外形尺寸421mm的這種超小型封裝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。 CSP封裝現(xiàn)已用于內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品，如數(shù)字電視、 手機(jī)芯片、藍(lán)牙等新型產(chǎn)品中。 nHIC失效類型

37、及原因 為了生產(chǎn)可靠的混合微電路且具有高的成品率，對(duì)發(fā)生的 任何失效都必須進(jìn)行分析，找出原因，進(jìn)行工藝改進(jìn)，防 止失效再次發(fā)生。 混合微電路中的失效可以歸結(jié)為以下六類原因中的一個(gè)或 多個(gè)：器件、線焊、芯片貼裝、基片、封裝、玷污。 由美國(guó)羅姆航空發(fā)展中心搜集的數(shù)據(jù)表明，有缺陷的有源 器件、邊緣質(zhì)量的線焊和玷污是造成失效的主要原因。 專題：金屬互連電遷移可靠性問題研究專題：金屬互連電遷移可靠性問題研究 電遷移現(xiàn)象是由于在電流作用下金屬中的原子定 向遷移所致，是金屬互連中的原子受到運(yùn)動(dòng)電 子作用引起的物質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象。 圖1 電遷移作用下金屬原子受力圖 SEM下下Al電遷移損傷形貌電遷移損傷形貌 l 產(chǎn)

38、生電遷移失效的內(nèi)因，是薄膜導(dǎo)體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性，外因是電流 密度。 (b)晶界三相點(diǎn) 由電遷移而引起的鋁導(dǎo)體的平均失效時(shí)間由black方程預(yù)測(cè)： MTTF=A* A為比例常數(shù)，J是電流密度，n是電流密度指數(shù)， 是電遷移失效 活化能。 電遷移傳統(tǒng)表征參量： 1）1968年，Rosenberg和Berenbau首次提出通過電阻測(cè)量研究電遷移 過程 。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，直觀明了。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要較強(qiáng)的應(yīng)力與較長(zhǎng)的應(yīng)力作 用時(shí)間；實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品具有不可 逆的破壞性；電阻測(cè)量對(duì)溫度控制要求較高。 KTA E ne J / A E 2）1976年，Celasce等人提出可通過噪聲測(cè)量 來(lái)研究電遷移 。 S

39、imoen等人通過老化試驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)公式： 其中， 為樣品失效時(shí)間； 為與電遷移相關(guān)的 噪聲電壓的均方值。 Feng等人指出 噪聲與互連的普適電導(dǎo)波動(dòng) （universal conductance fluctuation）密切相關(guān) 。 2 12 loglogTTFZZvTTF 2 v 2 /1 f 1/ r f Satoshi等人認(rèn)為 噪聲對(duì)溫度的反應(yīng)比電 阻更加敏感，他們測(cè)得鋁互連中 噪聲與溫 度的關(guān)系,最低已可測(cè)至11k的溫度 。 Cottle等人指出 噪聲與電遷移關(guān)系密切,激 活能值的不同反映了不同的電遷移機(jī)制 。 1/ r f 1/ r f 1/ r f 老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及機(jī)理探討老化實(shí)

40、驗(yàn)結(jié)果分析及機(jī)理探討 l電遷移空位聚集階段的電阻變化 （a） （b） 圖1 電遷移過程中的電阻突變 （a）Doan實(shí)驗(yàn)結(jié)果 引自Ref.13； （b）本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Rb E I Rs C v(t) 1:T LabVIEW 虛擬測(cè)試平 臺(tái) 微計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)輸出 A/D卡 低噪聲前置放大器 V0(t) 阻抗匹配變壓 器 偏置電路 PAR1900PARC113 圖5 噪聲測(cè)試系統(tǒng) 老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及機(jī)理探討（老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及機(jī)理探討（2） l電遷移空位聚集階段的噪聲變化 圖2 電阻突變前的噪聲時(shí)間序列與功率譜圖 （a）加速電遷移實(shí)驗(yàn)3小時(shí)；（b）加速電遷移實(shí)驗(yàn)24小時(shí) （a） （b） 相關(guān)積分的定義如下 ：設(shè)有時(shí)間序列為 測(cè)量時(shí)間 ，通過時(shí)間延遲，定義一個(gè)維數(shù)為m的 嵌入空間的矢量： ，那么 相關(guān)積分表示為： ，不難看出 相關(guān)積分是在嵌入空間統(tǒng)計(jì)所有相互之間距離小于r的 點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 N xxx,., 21 ttti 0 ) 1(,.2,(TmxTxTxxv iiiii N n nN i ini vvrH N NrC 11 2 )( 2 ),( 相關(guān)積分 和 有如下冪函數(shù)的關(guān)系： 對(duì)于確定性信號(hào)，冪指數(shù) 隨m的增加而 趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這個(gè)值與m無(wú)關(guān); 對(duì)于隨機(jī)信號(hào)，冪指數(shù) 值將隨m值變化 不會(huì)達(dá)到飽和，而有