半导体器件与工艺.ppt

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1、第十二章第十二章 测试、装配与封装测试、装配与封装哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学微电子学微电子学半导体器件与工艺半导体器件与工艺 在制造厂工艺完成时，通过电测试的硅片准备进行单个芯片的装配和封装。这些被称为集成电路制造过程的后道工序。最终装配和封装在集成电路后道工序是两个截然不同过程。每个有它特殊的工艺和工具。在传统工艺中，集成电路最终装配从硅片上分离出每个好的芯片并将芯片粘贴在金属引线框架或管壳上。对于引线框架装配，用细线将芯片表面的金属压点和提供芯片电通路的引线框架内端互连起来。最终装配后，集成电路封装是将芯片封在一个保护管壳内。现在最常用的封装是用塑料包封芯片。这种塑料包封提供环境保护并形

2、成更高级装配连接的管脚。引言 引言硅片测试硅片测试 在硅片制造过程中有两种类型的电学测试。称它们为硅片测试是因为它们在硅片（而不是封装的芯片）上进行的。在线参数测试 硅片拣选测试 在线参数测试在完成第一层金属刻蚀（前端工艺的结束）后马上进行，以获得工艺和器件特性的早期信息。硅片拣选测试是IC制造中的一个重要测试阶段，它在硅片制造完成后进行，以确定硅片上的哪些芯片符合产品规格可以送到装配和封装部门。硅片测试硅片测试在线参数测试在线参数测试 在线参数测试（也称硅片电学测试-WET）是对硅片上的测试图形结构进行的电学测试。因为它是把直流电压加在器件的物理结构上进行测试，也被看成是一种直流测试在线参数

3、测试在完成前端工艺（例如，扩散、光刻、注人）后进行得越早越好。典型的测试是在第一层金属被淀积并刻蚀后进行，这就允许接触式探针和特殊测试结构的压点进行电学接触。硅片上的器件没有电源供应和信号电压，而是用一些特殊的参数测试结构替代进行电流、电压和电容的测试，以确定工艺能力。测试之所以重要是因为这是硅片第一次经过一套完整的测试来检验制造过程是否正确。通过失效数据在工艺条件和器件特性之间建立了紧密的联系。硅片测试硅片测试结构硅片测试结构 参数测试并不是在单独的硅片器件上，而是在安放在硅片特殊位置的特殊测试结构（也称工艺监控process control monitors,PCM）中进行的。由于需要很多

4、结构和测试数据，测试结构可以是在整个特殊芯片上的测试样本。对产品硅片来说，面积是额外的费用；因此测试结构通常放在独立芯片之间的划片区（也称划片道监控，SLM）。SLM容身其中的划片道宽度一般有100到150微米，因此SLM是有尺寸限制的。硅片测试 图示为一个用方块电阻方法评估第一层金属薄膜厚度的典型PCM结构。在线参数测试测量该结构的连续电阻。接触问题（如不合适的绝缘薄膜厚度），都会导致该测试结构在电学上不能通过参数测试。由于测试结构和硅片是在相同的工艺条件下同时制作的，它能突出反映硅片管芯上实际存在的接触问题。硅片测试硅片拣选测试硅片拣选测试 在硅片制造的最后，所有硅片上的芯片都要经过硅片拣

5、选测试，也称电学拣选测试。硅片拣选测试的目的是检验硅片上哪些器件工作正常。硅片上每个芯片都要按照DC和AC的产品功能规格进行测试。硅片拣选测试的目标是：1.芯片功能：检验所有芯片功能的操作，确保只有好的芯片被送到装配和封装生产阶段。2.芯片分类：根据工作速度特性（通过在几个电压值和不同时间条件下测试得到）对好的芯片进行分类。3.生产成品率响应：提供重要的生产成品率信息，以评估和改善整体制造工艺的能力。4.测试覆盖率：用最小的成本得到较高的内部器件测试覆盖率。硅片拣选测试是一种功能测试，它通过确保器件能在IC数据手册规定的限制条件下完成所有特定任务来检验器件。理想情况下，功能测试可以包括制造过程

6、中出现的所有问题。硅片测试成品率成品率 硅片拣选测试成品率是通过硅片拣选测试的合格芯片所占的百分比。硅片制造的一个重要目标是维持硅片拣选测试的高成品率。低成品率意味着大量子芯片在装配和封装的时候会被废弃。由于已经完成了全部制造工艺，硅片拣选测试可以间接测量制造工艺的整体稳定性和清洁度。硅片拣选测试在一项测试中包含了所有工艺变化。影响硅片拣选测试成品率的制作和设计因素有：硅片直径的增大 芯片尺寸的增加 工艺步骤的增加 特征尺寸的减小 工艺成熟性 晶体缺陷 硅片测试 集成电路封装有4个重要功能：1.保护芯片以免由环境和传递引起损坏。2.为芯片的信号输入和输出提供互连。3.芯片的物理支撑。4.散热。

7、装配和封装 芯片的装配和封装，被称为第一级封装。一旦将芯片封装到一个集成电路块中，封装I/O 端连接芯片到下一层装配。第二级封装是将集成电路块装配到具有许多元件和连接件的系统中。在大多数第二级封装中，使用Sn/Pb焊料将集成电路块焊在印刷电路板上。用焊料将载有芯片的集成电路块粘贴在板上的电路互连，同时使用连接件作为其余产品的电子子系统的接口。然后将已装配好的电路板放入最终产品中。封装层次 封装层次 最终装配由要求粘贴芯片到集成电路底座上的操作构成。由于制造的大部分成本已经花在芯片上，因此在最终装配过程中成品率是至关重要的。由下面4步构成：背面减薄分片装架引线键合 背面减薄背面减薄 在前端制造过

8、程中，为了使破损降到最小，大直径硅片相应厚些（300mm的硅片是775微米厚）。然而，硅片在装配开始前必须被减薄。硅片通常被减薄到200到500微米的厚度。较薄的硅片更容易划成小芯片并改善散热，它有益于在薄ULSI装配中减少热应力。更薄的芯片也减小最终集成电路管壳的外形尺寸和重量。传统装配 分片分片 分片使用金刚石刀刃的划片锯把每个芯片从硅片上切下来。在划片前，将硅片从片架上取出并按正确的方向放到一个固定在刚性框架的粘膜上。该粘膜保持硅片完整直到所有芯片被划成小块。硅片被传到带有去离子水喷淋的圆锯，然后用25微米厚的金刚石锯刃（旋转速率达每分钟20000转），在x和y方向分别划片。用去离子水冲

9、洗硅片以去除划片过程中产生的硅浆残渣，而每个单独芯片由背面粘膜支撑。锯通常沿划片线切透硅片的90%-100%。全自动设备具有对准系统、划片和硅片清洗一体化功能。传统装配 装架装架 分片后，硅片被移到装架操作。在装架时，每个好的芯片从粘附的背面被分别挑选出来，粘贴到底座或引线框架上。引线框架具有从内部芯片键合区到为更高层次装配需要的更大电极间距扇出的电极。引线框架台是小型传送架，用于有效地传送引线框架，并将它们从一个工具移到另一个工具。自动贴片机是采用专门夹具的高速工具，被称为夹头。用它的边缘捡起芯片（为避免芯片损坏）并将其放在要装配的底座或引线框架上。根据探测无墨水标点识别或者通过使用硅片分类

10、提供的计算机化硅片分布图数据可以选出好的芯片。传统装配 传统装配 芯片粘结芯片粘结环氧树脂粘贴环氧树脂粘贴 环氧树脂粘贴是将芯片粘贴到引线框架或基座上最常用的方法。环氧树脂被滴在引线框架或基座的中心，芯片贴片工具将芯片背面放在环氧树脂上，接下来是加热循环以固化环氧树脂。大部分MOS产品直接使用环氧树脂。然而，如果芯片和封装的其余部分之间有散热要求，可以在环氧树脂中加入银粉成分制成导热树脂。传统装配 共共晶晶焊焊粘粘贴贴 使用共晶焊贴片在减薄后的硅片背面淀积一层金（Au)。共晶定义使它的熔点降至最低的熔态混合。然后用合金方式将金粘接到基座上，基座通常或是引线框架或是陶瓷基座。典型地，基座有一个金

11、或银的金属化表面。当加热到420约6秒钟，它略高于Au-Si共晶温度，这种方法在芯片和引线框架之间形成共晶合金互连。共晶贴片提供了良好的热通路和机械强度。对于双极集成电路共晶焊粘贴技术更普遍。传统装配 玻玻璃璃焊焊料料粘粘贴贴 玻璃焊料由银和悬浮在有机媒介中的玻璃颗粒组成，将芯片直接粘贴在A1203陶瓷底座上实现密封。密封是保护硅器件免受外部环境的影响，特别是潮气和沾污。用在玻璃焊料中的银和玻璃在固化过程中变软，并构成对陶瓷具有良好导热的焊接。要固化含银的玻璃要求相对高的温度。传统装配 引线键合引线键合 引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框架上或基座上的电极内端（有时称为柱）进行电连接。这种高

12、速操作转动线轴并将细线从芯片的压点键合到引线框架上电极内端压点，每秒能压多个压点。工具将引线键合到每个芯片压点或引线框架压点，并步进到下一位置。键合线或是Au或是Al线，因为它在芯片压点和引线框架内端压点都形成良好键合，通常引线直经是在25微米到75微米之间。传统装配 热热压压键键合合 在热压键合中，热能和压力被分别作用到芯片压点和引线框内端电极以形成金线键合。一种被称为毛细管劈刀的键合机械装置，将引线定位在被加热的芯片压点并施加压力。力和热结合促成金引线和铝压点形成键合，称为楔压键合。然后劈刀移动到引线框架内端电极，同时输送附加的引线，在那里用同样方法形成另一个楔压键合点。这种引线键合工艺重

13、复进行，直到所有芯片压点都被键合到它们相应的引线框架内端电极柱上。传统装配 超声键合超声键合 超声键合以超声能和压力作为构成引线和压点间锲压的方式为基础。它能在相同和不同的金属间形成键合，例如Al引线/A1压点或Au引线/Al压点。通过在毛细管劈刀底部的孔（类似热压键合）输送引线并定位到芯片压点上方。细管针尖施加压力并快速机械振动摩擦，通常超声频率是60kHZ以形成冶金键合。在这种技术中不加热基座。一旦键合形成，工具移动到引线框架内端电极压点，形成键合，并将引线扯断。这种过程重复进行，直到所有芯片压点被用引线键合到相近的引线框架内端电极。传统装配 传统装配 热超声球键合 热超声球键合是一种结合

14、超声振动、热和压力形成键合的技术，被称为球键合。基座维持在约150的温度。热超声球键合也有一个毛细管劈刀，通过中心的孔竖直输送细Au丝。伸出的细丝用火焰或电容放电火花加热，引起线熔化并在针尖形成一个球。在键合过程中，超声能和压力引起在Au丝球和A1压点间冶金键合的形成。球键合完成后，键合机移动到基座内端电极压点并形成热压的楔压键合。将引线拉断，工具继续到下一个芯片压点。这种球键合楔压键合顺序在压点和内端电极压点间的引线连接尺寸有极佳的控制，这对更薄的集成电路很重要。传统装配 传统装配 塑料封装塑料封装 塑料封装使用环氧树脂聚合物将已完成引线键合的芯片和模块化工艺的引线框架完全包封。塑料封装受欢

15、迎的重要原因是管脚成型灵活，或作为插孔式管脚，或作为表面贴封装技术（SMT）管脚。插孔式管脚穿过电路板，而SMT管脚粘贴到板的表面。具有SMT管脚的组件受欢迎是因为对集成电路组件和电路板都有高密度封装（允许更多输入输出管脚数）。使用塑料封装的其他益处是材料成本低和重量轻。一旦包封，从集成电路管壳伸出的仅为第二级装配到电路板上必需的管脚。模型封装经过去飞边步骤，即从管壳附件去除多余的材料。典型的去飞边使用类似喷沙的物理磨耗工艺。再后来使用激光在塑料封面上打印制造和产品信息。传统封装传统封装 塑料封装种类塑料封装种类 双列直插封装（DIP），有两列插孔式管脚向下弯穿过电路板上的孔。单列直插封装（S

16、IP），DIP的替代品，用以减小集成电路组件本体所占据电路板的空间。传统封装传统封装 薄小型封装（TSOP），广泛用于存储器和智能卡。它所具有的鸥翼型表面贴装技术（SMT）的管脚沿两边粘贴在电路板上相应的压点。TSOP常被贴在双列存储器模块（DIMM）上，并用做插入计算机主板的存储器卡。传统封装传统封装 四边形扁平封装（QFP）是一种在外壳四边都有高密度分布的管脚（多达256或者更多）表面贴装组件。具有J型管脚的塑封电极芯片载体（PLCC）如果不需要过多I/O数这种封装被采用以替代QFP。无引线芯片载体（LCC）是一种电极被管壳周围边缘包起来以保持低剖面的封装形式LCC或者插入插槽座或者被直接

17、焊到电路板上。传统封装传统封装 陶瓷封装陶瓷封装 陶瓷封装被用于集成电路封装，特别是目前应用于要求具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况。陶瓷封装有两种主要方法：耐熔（高熔点）陶瓷，它是从芯片装配和封装分别加工的；具有较低封装成本的陶瓷双列直插技术。陶瓷封装最常用的管脚形式是铜管脚，它组成针栅阵列管壳。这是为电路板装配的插孔式管壳。芯片能被粘贴并引线键合到陶瓷的底部或顶部，接下来是真空密封。PGA被用于高性能集成电路，像高频和具有高达600个管脚的快速微处理器。PGA管壳经常需要一些散热片或小风扇排出管壳内产生的热。传统封装传统封装 终测终测 所有装配和封装芯片都要进行最终电测试以确保集成电路

18、质量。测试与硅片分类时所做的功能测试相同、集成电路芯片处理器要在自动测试设备（ATE）上进行单个芯片测试。集成电路处理器迅速将每个集成电路插入测试仪的电接触孔。小而有弹性的针，被称为弹簧针，使管壳上管脚实现电接触以便进行电学测试。测试完成以后，集成电路处理器将集成电路移回到它的最终发货包装体中（例如，托盘、卷筒或套管）。传统封装传统封装 更低成本、更可靠、更快及更高密度的电路是集成电路封装追求的目标。引线键合技术已被证明成本低和工作可靠。在未来，封装目标将通过增加芯片密度并减少内部互连数来满足具有更少互连的封装与减少潜在失效点、减小电路电阻、缩短电路长度及减少内电极电容。缩小集成电路管壳以适应

19、最终用户应用和整个外形的新技术设计的需求正驱使减小尺寸（例如智能卡、掌上电脑、便携式摄像机等）。这种减小驱使对增加具有更多输入输出管脚的封装的需求。增加I/O管脚的最大需求是CMOS微处理器，而存储器I/O管脚数的需求将保持相对低。先进的装配与封装先进的装配与封装倒装芯片倒装芯片 倒装芯片是将芯片的有源面（具有表面键合压点）面向基座的粘贴封装技术（即相对引线键合方法，把带有凸点的芯片反转，将有源面向下放置）。这是目前从芯片器件到基座之间最短路径的一种封装设计，为高速信号提供了良好的电连接。倒装芯片技术使用的凸点通常由5Sn和95Pb组成的锡铅焊料，来互连基座和芯片键合压点。最常用的焊料凸点工艺

20、被称C4（可调整芯片支撑的工艺，controlled collapse chip carrier），由IBM为将芯片粘贴到陶瓷基座而开发。先进的装配与封装先进的装配与封装 球栅阵列球栅阵列 球栅阵列（BGA）由陶瓷或塑料的基座构成，基座具有用于连接基座与电路板的共晶Sn/Pb焊料球的面阵列。使用倒装芯片C4或引线键合技术将硅芯片粘附到基座的顶部。BGA是为简化第二级装配的具有更大互连间距的倒装芯片的扩展。像用倒装芯片一样，BGA在小外型的表面贴装上有效地获得多管脚数。高密度的BGA封装具有多达2400个管脚。先进的装配与封装先进的装配与封装板上芯片板上芯片 板上芯片（COB）工艺被开发以将集成

21、电路芯片直接固定到具有其他SMT（表面安装技术）和PIH（通孔插装）组件的基座上，它又被称为直接芯片粘贴（DCA）。使用标准粘贴工艺将芯片用环氧树脂粘贴并用引线键合到基座上（经常是印刷电路板）。在硅芯片周围没有管壳，环氧树脂直接覆盖。COB法用最少的工艺和设备的变化，来减少传统的SMT和PIH封装尺寸。在尺寸和成本为主的领域中，它变得日益流行，例如图像游戏卡和智能卡。先进的装配与封装先进的装配与封装多芯片模块多芯片模块 多芯片模块（MCM）是一种将几个芯片固定在同一基座上的封装形式。这种固定允许在MCM基座材料上更高的硅芯片密度。MCM被认为是硅芯模块表面积占基座表面积的30以上。最常用的MC

22、M基座是陶瓷或先进的具有高芯片密度的印刷电路板。MCM封装设计通过在减小总封装尺寸和重量同时减小电路电阻和寄生电容，增强电性能。先进的装配与封装先进的装配与封装圆片级封装圆片级封装 目前为止，所有将芯片上压点和基座上标准压点连接的集成电路装配与封装都是在由硅片上分离出来的芯片上进行的。这种工艺造成了前端硅片制造工艺与用于生产最终集成电路的后端装配和封装间的自然分离。为了增加生产效率同时获得更低的成本，在20世纪90年代后期开发了圆片级封装。圆片级封装是第一级互连和在划片前硅片上的封装I/O端的形式。许多封装设计师都建议对于圆片级封装要使用倒装芯片的材料和工艺技术。先进的装配与封装先进的装配与封装 如果整个装配和封装工艺在硅片级完成，那么测试和老化也将在硅片上进行。硅片级封装的老化和测试省掉了对测试插管座和专用集成电路装卸程序的需求，目前它们用单个集成电路封装测试。这将显著改善效率并节省费用。另一个可能的改善是省掉了硅片探测，因为现在最终功能测试是在硅片级封装上进行的。先进的装配与封装先进的装配与封装