微電子制造概論互連和封裝

微電子制造概論元器件互連技術(shù)IC封裝的4種重要功能

1.保護(hù)使其免于外界環(huán)境與人工操作的破壞。2.信號進(jìn)入芯片、從芯片輸出的之內(nèi)連線。3.對芯片實質(zhì)上之固持。4.散熱。

傳統(tǒng)裝配與封裝

晶圓Wafer測試與分類

引線鍵合（wireBounding）

晶粒分離

塑膠封裝Packaging

成品封裝與測試貼片圖20.1

典型的IC封裝體四方扁平封裝(QFP)無管腳芯片載體(LCC)塑料電極芯片載體(PLCC)雙列直插式封裝

(DIP)薄小外形輪廓封裝

(TSOP)單列直插式封裝(SIP)圖20.2

IC封裝有關(guān)之設(shè)計限制

表20.1

IC封裝之層級第二層級封裝：印刷電路板裝配

第一層級封裝：IC封裝

最后的產(chǎn)品裝配：電路板組入系統(tǒng)之成品裝配

用以固著于印刷電路板的金屬引腳針腳針腳被插入針孔，繼之焊著在PCB背面表面固著芯片被焊著在PCB上的銅墊頂端邊緣的連接器插入主系統(tǒng)PCB副配件主電子裝配板引腳圖20.3

傳統(tǒng)式裝配

背面研磨分片裝架引線鍵合

背面研磨制程之示意圖

旋轉(zhuǎn)及振蕩軸在旋轉(zhuǎn)平盤上之晶圓下壓力工作臺僅在指示有晶圓期間才旋轉(zhuǎn)圖20.4

晶圓鋸與已切割之晶圓

晶圓工作臺刀刃圖20.5

典型用于裝架之導(dǎo)線架

芯片

引腳導(dǎo)線架 塑膠式DIP圖20.6

環(huán)氧基樹脂之芯片粘帖

芯片環(huán)氧基樹脂導(dǎo)線架圖20.7

連接帶從導(dǎo)線架中的移除

芯片導(dǎo)線架連接帶連接帶移除線圖20.15

金-硅低共熔性接著Si

金膜金/硅低共熔性合金Al2O3圖20.8

從芯片接合墊到導(dǎo)線架之引線鍵合

WireBounding

模塑化合物導(dǎo)線架接合墊芯片引線針尖腳圖20.9

引線鍵合芯片至導(dǎo)線架

照片20.1

熱壓接合之示意圖

柱元件接合墊圖20.10

超聲波焊線接合之順序

焊線楔形工具(1)工具向上移更多焊線饋入工具(3)超聲波能量壓力導(dǎo)線架(4)工具向上移焊線在接合墊處切斷(5)(2)鋁接合墊超聲波能量壓力晶粒圖20.11

熱聲波球接合

(2)氫火源球(1)金線毛細(xì)管工具(5)壓力與熱形成墊導(dǎo)線架(6)工具往上移金線在接合墊處切斷墊上之接合球壓力與超聲波能量晶粒(3)工具向上移并饋入更多的金線晶粒(4)圖20.12

焊線拉伸測試

柱元件

受測試芯片勾物品夾具圖20.13

傳統(tǒng)封裝

塑膠封裝陶瓷封裝

TO款式之金屬封裝圖20.14

DIP封裝（DualIn-linePackage），也叫雙列直插式封裝技術(shù)，雙入線封裝，DRAM的一種元件封裝形式。

圖20.16A

單列直插封裝SIP

圖20.16B

TSOP是“ThinSmallOutlinePackage”的縮寫，意思是薄型小尺寸封裝。

圖20.16C

雙排引腳封裝存儲器模塊DIMM

（Dual-Inline-Memory-Modules

）圖20.16D

QFP（QuadFlatPockage）為四側(cè)引腳扁平封裝是表面貼裝型封裝之一，引腳從四個側(cè)面引出呈海鷗翼(L)型。

圖20.16E

PLCC(PlasticLeadedChipCarrier),帶引線的塑料芯片載體

圖20.16F

無引腳芯片載器LCC

圖20.16G

多層板耐高溫陶瓷制程之順序

陶瓷性內(nèi)連接層4層電路板圖20.17

陶瓷針腳格狀陣列

(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)

照片20.2

CERDIP封裝陶瓷雙列直插

陶瓷蓋板玻璃密封物陶瓷基板金屬引腳在樹脂及導(dǎo)線架上之芯片橫切面指示性刻痕橫切面之平面圖20.18

用于IC封裝之測試插座圖20.19

先進(jìn)裝配與封裝

倒裝芯片F(xiàn)lipChip球柵陣列(BGA)板上芯片(COB)卷帶式自動接合(TAB)多芯片模塊(MCM)芯片尺寸級封裝(CSP)晶圓級封裝

FlipChip封裝

在接合墊上之焊錫凸塊硅芯片基板連接用針腳金屬內(nèi)連線介質(zhì)孔圖20.20

在晶圓接合墊上之C4焊接凸塊圖20.21

再回流制程金屬沈積與蝕刻2層金屬沈積(3)焊接凸塊形成于再回流期間(4)氧化物氮化物Al接合墊(1)3層金屬積層銅-錫鉻+銅鉻(2)錫鉛用于覆晶之環(huán)氧基樹脂底部填膠

圖20.22

焊接凸塊芯片環(huán)氧基樹脂基板覆晶面積陣列之焊接凸塊與

焊線接合之比較

接合墊周邊陣列覆晶凸塊面積陣列圖20.23

球柵陣列之芯片BGABallgridarray

照片20.3

球柵陣列

圖20.24

模塑遮蓋芯片接合墊環(huán)氧基樹脂熱介質(zhì)孔焊線基板金屬介質(zhì)孔焊接球板上芯片(COB，chiponboard)IC芯片印刷電路板圖20.25

卷帶式自動接合TAB高分子帶銅引腳圖20.26

多芯片模塊

MCM基板個別晶粒圖20.27

先前封裝之趨勢

1996200119971998199920000180060090012001500300芯片直接接著直接組于電路板之覆晶卷帶式自動接合其他年代RedrawnfromS.Winkler,“AdvancedICPackagingMarketsandTrends,”SolidStateTechnology(June1998):p.63.圖20.28

單位(百萬)芯片尺寸級封裝之變化

表20.2

晶圓后封裝

具C4凸塊之單晶片圖20.29

C4凸塊晶圓

(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)

照片20.4

晶圓級封裝之設(shè)計概念

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

接合線焊接凸塊圖20.30

標(biāo)準(zhǔn)測試流程與

晶圓級封裝測試流程間的比較

WLP制作晶圓級原處預(yù)燒晶圓級功能測試切割

在配件板處之晶圓級拾取晶圓級封裝之測試流程裝載入自動帶與卷軸晶圓探測晶圓切割封裝個別之IC在封裝級之插座／預(yù)燒在封裝級之功能測試標(biāo)準(zhǔn)測試流程

圖20.31

晶圓級封裝之特征與優(yōu)點

表20.3

芯片互連和封裝小測試什么是引線鍵合？引線鍵合有哪兩種類型，分別適合什么線？什么是TAB？TAB相對引線鍵合的優(yōu)缺點是什么？什么是FlipChip？FC相對引線鍵合的優(yōu)缺點是什么？指出下列封裝的類型LED生產(chǎn)和制造LED結(jié)構(gòu)LED芯片生產(chǎn)LED封裝LED應(yīng)用LED結(jié)構(gòu)-插裝式LED（LightEmittingDiode，發(fā)光二極）芯片是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的芯片，芯片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。貼片式LED：3528,5050LED芯片LED芯片：是led燈的核心組件，也就是指的P-N結(jié)。其主要功能是：把電能轉(zhuǎn)化為光能。半導(dǎo)體芯片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個芯片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。LED芯片的分類用途：根據(jù)用途分為大功率led芯片、小功率led芯片兩種；顏色：主要分為三種：紅色、綠色、藍(lán)色（制作白光的原料）；形狀：一般分為方片、圓片兩種；大?。盒」β实男酒话惴譃?mil、9mil、12mil、14mil等LED芯片結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)正裝的LED藍(lán)寶石襯底的藍(lán)光芯片電極在芯片出光面上的位置如圖1所示。由于p型GaN摻雜困難，當(dāng)前普遍采用p型GaN上制備金屬透明電極的方法，從而使電流擴(kuò)散，以達(dá)到均勻發(fā)光的目的。LED芯片生產(chǎn)工藝首先在襯底上制作氮化鎵（GaN）基的外延片(外延片)，外延片所需的材料源(碳化硅SiC)和各種高純的氣體如氫氣H2或氬氣Ar等惰性氣體作為載體之后，按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好。接下來是對LED-PN結(jié)的兩個電極進(jìn)行加工，并對LED毛片進(jìn)行減薄，劃片。然后對毛片進(jìn)行測試和分選，就可以得到所需的LED芯片MOCVD是利用氣相反應(yīng)物（前驅(qū)物）及Ⅲ族的有機(jī)金屬和Ⅴ族的NH3在襯底表面進(jìn)行反應(yīng)，將所需的產(chǎn)物沉積在襯底表面。通過控制溫度、壓力、反應(yīng)物濃度和種類比例，從而控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)。MOCVD外延爐是制作LED外延片最常用的設(shè)備。然后是對LEDPN結(jié)的兩個電極進(jìn)行加工，電極加工也是制作LED芯片的關(guān)鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨；然后對LED毛片進(jìn)行劃片、測試和分選，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不夠干凈，蒸鍍系統(tǒng)不正常，會導(dǎo)致蒸鍍出來的金屬層（指蝕刻后的電極）會有脫落，金屬層外觀變色，金泡等異常。包裝好的LED芯片LED封裝1.LED的封裝的任務(wù)是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時保護(hù)好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。關(guān)鍵工序有裝架、壓焊、封裝。2.LED封裝形式LED封裝形式可以說是五花八門，主要根據(jù)不同的應(yīng)用場合采用相應(yīng)的外形尺寸，散熱對策和出光效果。LED按封裝形式分類有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。LED封裝工藝1.芯片檢驗鏡檢：材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點麻坑（lockhill）芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求電極圖案是否完整2擴(kuò)片由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小（約0.1mm），不利于后工序的操作。我們采用擴(kuò)片機(jī)對黏結(jié)芯片的膜進(jìn)行擴(kuò)張，是LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以采用手工擴(kuò)張，但很容易造成芯片掉落浪費等不良問題。3.點膠在LED支架的相應(yīng)位置點上銀膠或絕緣膠。（對于GaAs、SiC導(dǎo)電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片，采用銀膠。對于藍(lán)寶石絕緣襯底的藍(lán)光、綠光LED芯片，采用絕緣膠來固定芯片。）工藝難點在于點膠量的控制，在膠體高度、點膠位置均有詳細(xì)的工藝要求。由于銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴(yán)格的要求，銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。4.備膠和點膠相反，備膠是用備膠機(jī)先把銀膠涂在LED背面電極上，然后把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠(yuǎn)高于點膠，但不是所有產(chǎn)品均適用備膠工藝。5.手工刺片將擴(kuò)張后LED芯片（備膠或未備膠）安置在刺片臺的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED芯片一個一個刺到相應(yīng)的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便于隨時更換不同的芯片，適用于需要安裝多種芯片的產(chǎn)品.6.自動裝架自動裝架其實是結(jié)合了沾膠（點膠）和安裝芯片兩大步驟，先在LED支架上點上銀膠（絕緣膠），然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設(shè)備操作編程，同時對設(shè)備的沾膠及安裝精度進(jìn)行調(diào)整。在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴，防止對LED芯片表面的損傷，特別是蘭、綠色芯片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷芯片表面的電流擴(kuò)散層。7.燒結(jié)燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對溫度進(jìn)行監(jiān)控，防止批次性不良。銀膠燒結(jié)的溫度一般控制在150℃，燒結(jié)時間2小時。根據(jù)實際情況可以調(diào)整到170℃，1小時。絕緣膠一般150℃，1小時。銀膠燒結(jié)烘箱的必須按工藝要求隔2小時（或1小時）打開更換燒結(jié)的產(chǎn)品，中間不得隨意打開。燒結(jié)烘箱不得再其他用途，防止污染。8.壓焊壓焊的目的將電極引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程，先在LED芯片電極上壓上第一點，再將鋁絲拉到相應(yīng)的支架上方，壓上第二點后扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球，其余過程類似。9.點膠封裝LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種?；旧瞎に嚳刂频碾y點是氣泡、多缺料、黑點。設(shè)計上主要是對材料的選型，選用結(jié)合良好的