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文檔簡介
半導(dǎo)體封裝簡介一、半導(dǎo)體封裝介紹二、封裝主要原材料三、封裝工藝流程—IC芯片四、封裝工藝流程—功率模塊1.1半導(dǎo)體工藝流程
目前半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代,第一代以硅(Si)為代表材料;第二代以砷化鎵(GaAs)為代表材料;第三代以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為主流材料。目前Si仍然是半導(dǎo)體行業(yè)使用最多的材料。
半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝,主要是從沙子中提取高純硅,制作成單晶硅,經(jīng)過切割、研磨、拋光制作成硅片,在硅片上經(jīng)過光刻、摻雜,制作成裸芯片。之后將芯片進(jìn)行封裝測試一、半導(dǎo)體封裝介紹1.2封裝的定義
封裝,就是把芯片上的電路管腳,通過導(dǎo)線接引到外部接頭處,以便于其他器件連接1.3封裝的作用
電力或者電子信號(hào)的傳輸
散熱保護(hù)芯片電路
便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸1.4封裝的種類按照封裝材料,目前常見的封裝種類包括塑料封裝(環(huán)氧樹脂)、陶瓷管殼封裝、金屬管殼封裝等。金屬封裝主要用于軍工或航天技術(shù),無商業(yè)化產(chǎn)品;陶瓷封裝優(yōu)于金屬封裝,也用于軍事產(chǎn)品,占少量商業(yè)化市場;塑料封裝用于消費(fèi)電子,因?yàn)槠涑杀镜凸に嚭唵?可靠性高而占有絕大部分的市場份額;1.4封裝的種類按與PCB板的連接方式劃分為:PTH-PinThroughHole,通孔式;SMT-SurfaceMountTechnology,表面貼裝式。PTHSMT1.4封裝的種類按照封裝外形可分為QFN、SOIC、TSSOP、BGA、SOP等
QFN—QuadFlatNo-leadPackage四方無引腳扁平封裝SOIC—SmallOutlineIC小外形IC封裝TSSOP—ThinSmallShrinkOutlinePackage薄小外形封裝QFP—QuadFlatPackage四方引腳扁平式封裝BGA—BallGridArrayPackage球柵陣列式封裝CSP—ChipScalePackage芯片尺寸級(jí)封裝1.5其他封裝類型除了上述封裝類型,高壓、大功率芯片還采用模塊封裝,如目前電力行業(yè)多用的IGBT模塊、可控硅模塊等TOPVIEWSIDEVIEWLeadFrame
引線框架GoldWire
金線DiePad
芯片焊盤Epoxy
銀漿MoldCompound環(huán)氧樹脂1.6封裝分解圖【W(wǎng)afer】晶圓二、封裝原材料簡介2.1
wafer(晶圓)CompanyLogo2.2【LeadFrame】引線框架提供電路連接和Die的固定作用;主要材料為銅,會(huì)在上面進(jìn)行鍍銀、NiPdAu等材料;L/F的制程有Etch和Stamp兩種;易氧化,存放于氮?dú)夤裰?,濕度小?0%RH;除了BGA和CSP外,其他Package都會(huì)采用LeadFrame,BGA采用的是Substrate;有導(dǎo)電型銀漿和非導(dǎo)電型兩種主要作用是將Die固定在DiePad上;散熱作用,-50°以下存放,使用之前回溫24小時(shí);2.3焊接材料【Epoxy】銀漿【solderpaste】焊膏焊錫膏是一種均勻、穩(wěn)定的錫合金粉、助焊劑、以及溶劑的混合物。在焊接時(shí)可以形成合金性連接。這種物質(zhì)極適合表面貼裝的自動(dòng)化生產(chǎn)的可靠性焊接,是現(xiàn)電子業(yè)高科技的產(chǎn)物。焊錫膏中的助焊劑,一是隔離空氣防止氧化,另外增加毛細(xì)作用,增加潤濕性,防止虛焊?!緎olderpreform】焊片高潔凈焊片是通過精細(xì)加工得到高品質(zhì)預(yù)成型焊料,特別適用于半導(dǎo)體真空焊接工藝,沒有助焊劑殘留,無須清洗。焊片也可以涂敷助焊劑使用【GoldWire】鍵合金線實(shí)現(xiàn)芯片和外部引線框架的電性和物理連接;金線采用的是99.99%的高純度金;同時(shí),出于成本考慮,目前有采用銅線和鋁線工藝的。優(yōu)點(diǎn)是成本降低,同時(shí)工藝難度加大;線徑?jīng)Q定可傳導(dǎo)的電流;0.8mil,1.0mil,1.3mils,1.5mils和2.0mils;【AluminiumWire】鍵合鋁線功率電力電子器件多采用鋁線進(jìn)行鍵合。鋁線鍵合工藝與金線鍵合工藝在原理上有較大的差別;鋁線多采用楔鍵合,金線多采用球鍵合2.4鍵合線【MoldCompound】塑封料/環(huán)氧樹脂主要成分為:環(huán)氧樹脂及各種添加劑(固化劑,改性劑,脫模劑,染色劑,阻燃劑等);主要功能為:在熔融狀態(tài)下將Die和LeadFrame包裹起來,提供物理和電氣保護(hù),防止外界干擾;存放條件:零下5°保存,常溫下需回溫24小時(shí);2.5塑封材料三、封裝工藝流程-IC封裝CompanyLogoFOL/前段EOL/中段Plating/電鍍EOL/后段FinalTest/測試FOL–FrontofLine前段工藝BackGrinding磨片WaferWaferMount晶圓安裝WaferSaw晶圓切割WaferWash晶圓清洗DieAttach芯片粘接EpoxyCure銀漿固化WireBond引線焊接2ndOptical第二道光檢3rdOptical第三道光檢EOLFOL–BackGrinding背面減薄Taping粘膠帶BackGrinding磨片De-Taping去膠帶將從晶圓廠出來的Wafer進(jìn)行背面研磨,來減薄晶圓達(dá)到
封裝需要的厚度(8mils~10mils);磨片時(shí),需要在正面(ActiveArea)貼膠帶保護(hù)電路區(qū)域,同時(shí)研磨背面。研磨之后,去除膠帶,測量厚度;FOL–WaferSaw晶圓切割WaferMount晶圓安裝WaferSaw晶圓切割WaferWash清洗將晶圓粘貼在藍(lán)膜(Mylar)上,使得即使被切割開后,不會(huì)散落;通過SawBlade將整片Wafer切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的Dice,方便后面的
DieAttach等工序;WaferWash主要清洗Saw時(shí)候產(chǎn)生的各種粉塵,清潔Wafer;FOL–WaferSaw晶圓切割WaferSawMachineSawBlade(切割刀片):FOL–2ndOpticalInspection二光檢查主要是針對(duì)WaferSaw之后在顯微鏡下進(jìn)行Wafer的外觀檢查,是否有出現(xiàn)廢品。ChippingDie
崩邊FOL–DieAttach芯片粘接WriteEpoxy點(diǎn)銀漿DieAttach芯片粘接EpoxyCure銀漿固化EpoxyStorage:
零下50度存放;EpoxyAging:
使用之前回溫,除去氣泡;EpoxyWriting:
點(diǎn)銀漿于L/F的Pad上,Pattern可選;FOL–DieAttach芯片粘接芯片拾取過程:
1、EjectorPin從wafer下方的Mylar頂起芯片,使之便于
脫離藍(lán)膜;
2、Collect/Pickuphead從上方吸起芯片,完成從Wafer
到L/F的運(yùn)輸過程;
3、Collect以一定的力將芯片Bond在點(diǎn)有銀漿的L/F
的Pad上,具體位置可控;FOL–DieAttach芯片粘接EpoxyWrite:
Coverage>75%;DieAttach:
Placement<0.05mm;FOL–EpoxyCure銀漿固化銀漿固化:175°C,1個(gè)小時(shí);
N2環(huán)境,防止氧化DieAttach質(zhì)量檢查:DieShear(芯片剪切力)FOL–WireBonding引線焊接利用高純度的金線(Au)、銅線(Cu)或鋁線(Al)把Pad
和Lead通過焊接的方法連接起來。Pad是芯片上電路的外接
點(diǎn),Lead是LeadFrame上的連接點(diǎn)。W/B是封裝工藝中關(guān)鍵的一步工藝。FOL–WireBonding引線鍵合KeyWords:Capillary:陶瓷劈刀。W/B工藝中最核心的一個(gè)BondingTool,內(nèi)部為空心,中間穿上金線,并分別在芯片的Pad和LeadFrame的Lead上形成第一和第二焊點(diǎn);EFO:打火桿。用于在形成第一焊點(diǎn)時(shí)的燒球。打火桿打火形成高溫,將外露于Capillary前端的金線高溫熔化成球形,以便在Pad上形成第一焊點(diǎn)(BondBall);BondBall:第一焊點(diǎn)。指金線在Cap的作用下,在Pad上形成的焊接點(diǎn),一般為一個(gè)球形;Wedge:第二焊點(diǎn)。指金線在Cap的作用下,在LeadFrame上形成的焊接點(diǎn),一般為月牙形(或者魚尾形);W/B四要素:壓力(Force)、超聲(USGPower)、時(shí)間(Time)、溫度(Temperature);FOL–WireBonding引線鍵合陶瓷的Capillary內(nèi)穿金線,并且在EFO的作用下,高溫?zé)?;金線在Cap施加的一定壓力和超聲的作用下,形成BondBall;金線在Cap施加的一定壓力作用下,形成Wedge;FOL–WireBonding引線焊接EFO打火桿在磁嘴前燒球Cap下降到芯片的Pad上,加Force和Power形成第一焊點(diǎn)Cap牽引金線上升Cap運(yùn)動(dòng)軌跡形成良好的WireLoopCap下降到LeadFrame形成焊接Cap側(cè)向劃開,將金線切斷,形成魚尾Cap上提,完成一次動(dòng)作FOL–WireBonding引線焊接WireBond的質(zhì)量控制:WirePull、StitchPull(金線頸部和尾部拉力)BallShear(金球推力)WireLoop(金線弧高)BallThickness(金球厚度)CraterTest(彈坑測試)Intermetallic(金屬間化合物測試)SizeThicknessFOL–3rdOpticalInspection三光檢查檢查DieAttach和WireBond之后有無各種廢品EOL–EndofLine后段工藝Molding注塑EOLLaserMark激光打字PMC高溫固化De-flash/Plating去溢料/電鍍Trim/Form切筋/成型4thOptical第四道光檢Annealing電鍍退火Note:JustForTSSOP/SOIC/QFPpackageEOL–Molding(注塑)為了防止外部環(huán)境的沖擊,利用EMC
把WireBonding完成后的產(chǎn)品封裝起
來的過程,并需要加熱硬化。BeforeMoldingAfterMoldingEOL–Molding(注塑)MoldingTool(模具)EMC(塑封料)為黑色塊狀,低溫存儲(chǔ),使用前需先回溫。其特
性為:在高溫下先處于熔融狀態(tài),然后會(huì)逐漸硬化,最終成型。Molding參數(shù):
MoldingTemp:175~185°C;ClampPressure:3000~4000N;
TransferPressure:1000~1500Psi;TransferTime:5~15s;
CureTime:60~120s;CavityL/FL/FEOL–Molding(注塑)MoldingCycle-L/F置于模具中,每個(gè)Die位于Cavity中,模具合模。-塊狀EMC放入模具孔中-高溫下,EMC開始熔化,順著軌道流向Cavity中-從底部開始,逐漸覆蓋芯片-完全覆蓋包裹完畢,成型固化EOL–LaserMark(激光打字)生產(chǎn)日期,生產(chǎn)批次等;在產(chǎn)品(Package)的正面或者背面激光刻字。內(nèi)容有:產(chǎn)品名稱,BeforeAfterEOL–PostMoldCure(模后固化)用于Molding后塑封料的固化,保護(hù)IC內(nèi)部結(jié)構(gòu),消除內(nèi)部應(yīng)力。
CureTemp:175+/-5°C;CureTime:8HrsESPECOven4hrsEOL–De-flash(去溢料)BeforeAfter目的:De-flash的目的在于去除Molding后在管體周圍Lead之間
多余的溢料;
方法:弱酸浸泡,高壓水沖洗;EOL–Plating(電鍍)BeforePlatingAfterPlating利用金屬和化學(xué)的方法,在Leadframe的表面
鍍上一層鍍層,以防止外界環(huán)境的影響(潮濕
和熱)。并且使元器件在PCB板上容易焊接及
提高導(dǎo)電性。電鍍一般有兩種類型:
Pb-Free:無鉛電鍍,采用的是>99.95%的高純
度的錫(Tin),為目前普遍采用的技術(shù),符合
Rohs的要求;
Tin-Lead:鉛錫合金。Tin占85%,Lead占
15%,由于不符合Rohs,目前基本被淘汰;EOL–PostAnnealingBake(電鍍退火)目的:讓無鉛電鍍后的產(chǎn)品在高溫下烘烤一段時(shí)間,目的在于
消除電鍍層潛在的晶須生長(WhiskerGrowth)的問題;
條件:150+/-5C;2Hrs;晶須晶須,又叫Whisker,是指錫在長時(shí)間的潮濕環(huán)境和溫度變化環(huán)境下生長出的一種須狀晶體,可能導(dǎo)致產(chǎn)品引腳的短路。EOL–Trim&Form(切筋成型)
Trim:將一條片的LeadFrame切割成單獨(dú)的Unit(IC)的過程;
Form:對(duì)Trim后的IC產(chǎn)品進(jìn)行引腳成型,達(dá)到工藝需要求的形狀,
并放置進(jìn)Tube或者Tray盤中;EOL–Trim&Form(切筋成型)CuttingTool&FormingPunchCuttingDieStripperPadFormingDie1234EOL–FinalVisualInspection(第四道光檢)FinalVisualInspection-FVI在低倍放大鏡下,對(duì)產(chǎn)品外觀進(jìn)行檢查。主要針對(duì)EOL工藝可能產(chǎn)生的廢品:例如Molding缺陷,電鍍?nèi)毕莺蚑rim/Form缺陷等;四、封裝工藝流程-大功率模塊錫膏攪拌錫膏印刷貼片真空焊接清洗鋁線鍵合外觀檢測端子焊接
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