微电子制造概论第5章互连和封装课件.ppt

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1、微电子制造概论微电子制造概论元器件互连技术元器件互连技术IC封装的封装的4种重要功能种重要功能 1.保护使其免于外界环境与人工操作的破坏。2.信号进入芯片、从芯片输出的之内连线。3.对芯片实质上之固持。4.散热。传统装配与封装传统装配与封装 晶圆Wafer测试与分类 引线键合（wire Bounding）晶粒分离 塑胶封装Packaging 成品封装与测试贴片图 20.1 典型的典型的IC封装体封装体 四方扁平封装(QFP)无管脚芯片载体(LCC)塑料电极芯片载体(PLCC)双列直插式封装(DIP)薄小外形轮廓封装(TSOP)单列直插式封装(SIP)图 20.2 ICIC封装有关之设计限制封装

2、有关之设计限制 表 20.1 IC封装之层级封装之层级 第二层级封装：第二层级封装：印刷电路板装配 第一层级封装：第一层级封装：IC封装 最后的产品装配：最后的产品装配：电路板组入系统之成品装配 用以固着于印刷电路板的金属引脚 针脚针脚被插入针孔，继之焊着在PCB背面表面固着芯片被焊着在PCB上的铜垫顶端边缘的连接器插入主系统PCB副配件主电子装配板引脚 图 20.3 传统式装配传统式装配 背面研磨分片装架引线键合 背面研磨制程之示意图背面研磨制程之示意图 旋转及振荡轴在旋转平盘上之晶圆下压力工作台仅在指示有晶圆期间才旋转图 20.4 晶圆锯与已切割之晶圆晶圆锯与已切割之晶圆 晶圆 工作台刀刃

3、 图 20.5 典型用于典型用于装架装架之导线架之导线架 芯片 引脚 导线架 塑胶式DIP图 20.6 环氧基树脂之环氧基树脂之芯片粘帖芯片粘帖 芯片环氧基树脂导线架图 20.7 连接带从导线架中的移除连接带从导线架中的移除 芯片导线架连接带连接带移除线图 20.15 金金-硅硅低共熔性接着低共熔性接着 Si 金膜金/硅低共熔性合金Al2O3图 20.8 从芯片接合垫到导线架之从芯片接合垫到导线架之引线键合引线键合WireBoundingWireBounding 模塑化合物导线架接合垫芯片引线针尖脚图 20.9 引线键合引线键合芯片至导线架芯片至导线架 照片 20.1 热压接合之示意图热压接合

4、之示意图 柱 元件接合垫图 20.10 超声波焊线接合之顺序超声波焊线接合之顺序 焊线楔形工具(1)工具向上移 更多焊线馈入工具(3)超声波能量 压力导线架(4)工具向上移 焊线在接合垫处切断(5)(2)铝接合垫超声波能量 压力 晶粒图 20.11 热声波球接合热声波球接合 (2)氢火源球(1)金线毛细管工具(5)压力与热形成垫导线架(6)工具往上移金线在接合垫处切断垫上之接合球压力与超声波能量晶粒(3)工具向上移并馈入更多的金线晶粒(4)图 20.12 焊线拉伸测试焊线拉伸测试 柱元件 受测试芯片勾物品夹具图 20.13 传统封装传统封装 塑胶封装陶瓷封装 TO款式之金属封装 图 20.14

5、 DIP封装（封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封），也叫双列直插式封装技术，双入线封装，装技术，双入线封装，DRAM的一的一种元件封装形式。种元件封装形式。图 20.16A 单列直插单列直插封装封装SIPSIP 图 20.16B TSOP是是“Thin Small Outline Package”的缩写，的缩写，意思是薄型小尺寸封装。意思是薄型小尺寸封装。图 20.16C 双排引脚封装双排引脚封装双排引脚封装双排引脚封装存储器模块存储器模块存储器模块存储器模块DIMMDIMMDIMMDIMM （Dual-Inline-Dual-Inline-Memory-Mod

6、ulesMemory-Modules ）图 20.16D QFP（Quad Flat Pockage）为四侧引脚扁）为四侧引脚扁平封装平封装是表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。图 20.16E PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier),带引线的塑带引线的塑料芯片载体料芯片载体 图 20.16F 无引脚芯片载器无引脚芯片载器LCCLCC 图 20.16G 多层板耐高温陶瓷制程之顺序多层板耐高温陶瓷制程之顺序 陶瓷性内连接层4层电路板图 20.17 陶瓷针脚格状阵列陶瓷针脚格状阵列 (Photo courtesy of Advanced Micro

7、Devices)照片 20.2 CERDIPCERDIP封装封装陶瓷双列直插陶瓷双列直插 陶瓷盖板玻璃密封物陶瓷基板金属引脚在树脂及导线架上之芯片 横切面 指示性刻痕横切面之平面图 20.18 用于用于IC封装之测试插座封装之测试插座 图 20.19 先进装配与封装先进装配与封装 倒装芯片FlipChip球栅阵列(BGA)板上芯片(COB)卷带式自动接合(TAB)多芯片模块(MCM)芯片尺寸级封装(CSP)晶圆级封装 FlipChipFlipChip封装封装 在接合垫上之焊锡凸块硅芯片基板连接用针脚金属内连线介质孔图 20.20 在晶圆接合垫上之在晶圆接合垫上之C4焊接凸块焊接凸块 图 20.

8、21 再回流制程金属沈积与蚀刻2层金属沈积(3)焊接凸块形成于再回流期间(4)氧化物氮化物Al接合垫(1)3层金属积层铜-锡铬+铜铬(2)锡铅用于覆晶之环氧基树脂底部填胶用于覆晶之环氧基树脂底部填胶 图 20.22 焊接凸块芯片环氧基树脂基板覆晶面积阵列之焊接凸块与覆晶面积阵列之焊接凸块与焊线接合之比较焊线接合之比较 接合垫周边阵列覆晶凸块面积阵列图 20.23 球栅阵列之芯片球栅阵列之芯片BGA Ball grid array 照片 20.3 球栅阵列球栅阵列 图 20.24 模塑遮盖芯片接合垫环氧基树脂热介质孔焊线基板金属介质孔焊接球板上芯片(COB，chip on board)IC芯片印

9、刷电路板图 20.25 卷带式自动接合卷带式自动接合TAB高分子带铜引脚图 20.26 多芯片模块多芯片模块 MCM基板个别晶粒图 20.27 先前封装之趋势先前封装之趋势 199620011997 1998 1999 20000180060090012001500300芯片直接接着直接组于电路板之覆晶卷带式自动接合其他 年代Redrawn from S.Winkler,“Advanced IC Packaging Markets and Trends,”Solid State Technology(June 1998):p.63.图 20.28 单位(百万)芯片尺寸级封装之变化芯片尺寸级封装

10、之变化 表 20.2 晶圆后封装晶圆后封装 具C4凸块之单晶片图 20.29 C4C4凸块晶圆凸块晶圆 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices)照片 20.4 晶圆级封装之设计概念晶圆级封装之设计概念 Redrawn from V.DiCaprio,M.Liebhard,and L.Smith,“The Evolution of a New Wafer-Level Chip-Size Package,”Chip Scale Review(May/June 1999).芯片 接合线焊接凸块图 20.30 标准测试流程与标准测试流程与晶圆级封装测试流程间

11、的比较晶圆级封装测试流程间的比较 WLP制作晶圆级原处预烧晶圆级功能测试切割 在配件板处之晶圆级拾取晶圆级封装之测试流程晶圆级封装之测试流程装载入自动带与卷轴晶圆探测晶圆切割封装个别之IC在封装级之插座预烧在封装级之功能测试标准测试流程标准测试流程 图 20.31 晶圆级封装之特征与优点晶圆级封装之特征与优点 表 20.3 芯片互连和封装小测试什么是引线键合？引线键合有哪两种类型，分别适合什么线？什么是TAB？TAB相对引线键合的优缺点是什么？什么是FlipChip？FC相对引线键合的优缺点是什么？指出下列封装的类型LED生产和制造LED结构LED芯片生产LED封装LED应用LED结构-插装式

12、LED（Light Emitting Diode，发光二极）芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。贴片式LED：3528,5050LED芯片LED芯片：是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能。半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴

13、复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED芯片的分类用途：根据用途分为大功率led芯片、小功率led芯片两种；颜色：主要分为三种：红色、绿色、蓝色（制作白光的原料）；形状：一般分为方片、圆片两种；大小：小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等LED芯片结构传统正装的LED蓝宝石衬底的蓝光芯片电极在芯片出光面上的位置如图1所示。由于p型GaN掺杂困难，当前普遍采用p型GaN上制备金属透明电极的方法，从而使电流扩散，以达到均匀发光的目的。LED芯片生产工艺首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延

14、片(外延片)，外延片所需的材料源(碳化硅SiC)和各种高纯的气体如氢气H2或氩气Ar等惰性气体作为载体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。接下来是对LED-PN结的两个电极进行加工，并对LED毛片进行减薄，划片。然后对毛片进行测试和分选，就可以得到所需的LED芯片MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及族的有机金属和族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。然后是对LED PN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄

15、光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。包装好的LED芯片LED封装1.LED的封装的任务 是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。2.LED封装形式 LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power

16、-LED等。LED封装工艺1.芯片检验 镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求 电极图案是否完整 2扩片 由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。3.点胶 在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。）工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高

17、度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。4.备胶 和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。5.手工刺片 将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品.6.自动装架 自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED

18、支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。7.烧结 烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170，1小时。绝缘胶一般150，1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染

19、。8.压焊 压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程，先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。9.点胶封装 LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。（一般的LED无法通过气密性试验）如右图所示的TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使

20、用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。10.灌胶封装 Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。11.模压封装 将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。12.固化与后固化 固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135，1小时。模压封装一般在150，4分钟。13.后固化 后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120，4小时。14.切筋和划片 由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。15.测试 测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。16.包装 将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。