第五章微电子封装技术.ppt
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1、第五章第五章 微电子封装技术微电子封装技术金属化布线金属化布线陶瓷封装外壳陶瓷封装外壳导电胶导电胶芯片芯片低熔点玻璃低熔点玻璃陶瓷盖板陶瓷盖板封装外壳的设计封装外壳的设计封接的设计封接的设计引线和引线架的设计引线和引线架的设计一、集成电路封装的设计一、集成电路封装的设计陶瓷封装外壳陶瓷封装外壳芯片芯片低熔点玻璃低熔点玻璃陶瓷盖板陶瓷盖板封装外壳的设计封装外壳的设计封接的设计封接的设计引线和引线架的设计引线和引线架的设计二、集成电路封装的设计二、集成电路封装的设计 集成电路外壳是构成集成电路整体的一个主要组成部分。集成电路外壳是构成集成电路整体的一个主要组成部分。它不仅仅对集成电路芯片起着一个单
2、纯的机械保护和芯片电它不仅仅对集成电路芯片起着一个单纯的机械保护和芯片电极向外过渡连接的作用，而且对集成电路芯片的各种极向外过渡连接的作用，而且对集成电路芯片的各种功能参数的正确实现和电路使用场所要求的环境条件，以及功能参数的正确实现和电路使用场所要求的环境条件，以及体现电路特点，都起着根本的保证作用。体现电路特点，都起着根本的保证作用。1、封装外壳的设计、封装外壳的设计封装外壳的设计要求封装外壳的设计要求外壳设计的主要原则外壳设计的主要原则 外壳设计是一项综合性工作，需要对总体布局、结构尺寸、外壳设计是一项综合性工作，需要对总体布局、结构尺寸、材料选择以及制造工艺和成本等方面进行分折选定出一
3、个最佳材料选择以及制造工艺和成本等方面进行分折选定出一个最佳方案。方案。电设计和热设计电设计和热设计外壳设计最主要考虑的问题外壳设计最主要考虑的问题电性能、热性能和使用场所，电性能、热性能和使用场所，（1）外壳的电性能设计原则外壳的电性能设计原则 对任一集成电路的封装外壳都要求具有一定的电性能，对任一集成电路的封装外壳都要求具有一定的电性能，以保证相互匹配而不致对整个集成电路的性能产生失误或失以保证相互匹配而不致对整个集成电路的性能产生失误或失队其中又以超高频外壳更为突出。队其中又以超高频外壳更为突出。分布电容和电感分布电容和电感 当集成电路处在超高频状态下工作时，由于外壳金属体当集成电路处在
4、超高频状态下工作时，由于外壳金属体所形成的分布电容和分布电感常会起不必要的反馈和自激，所形成的分布电容和分布电感常会起不必要的反馈和自激，从而使集成电路的功率增益下降、损耗增加，所以在一般情从而使集成电路的功率增益下降、损耗增加，所以在一般情况下，都希望外壳的分布电容与分布电感愈小愈好。况下，都希望外壳的分布电容与分布电感愈小愈好。特性阻抗特性阻抗 在超高频范围内工作的集成电路，当传输线中有信号传递在超高频范围内工作的集成电路，当传输线中有信号传递时，如在中途因阻抗不匹配就会引起信号反射损耗，使传输时，如在中途因阻抗不匹配就会引起信号反射损耗，使传输的信号减弱。因此，要求外壳能保证电路有恒定特
5、性阻抗值的信号减弱。因此，要求外壳能保证电路有恒定特性阻抗值(国内一般使用国内一般使用50或或75的传输线的传输线)。电磁屏蔽电磁屏蔽 在放大电路中，当使用金属外壳时，由于屏蔽作用使在放大电路中，当使用金属外壳时，由于屏蔽作用使金属外壳相当于一只矩形波导，在这波导中，放大电路的金属外壳相当于一只矩形波导，在这波导中，放大电路的各级元器件都对它起电磁场的激励作用，其中以末级元器各级元器件都对它起电磁场的激励作用，其中以末级元器件的激励最强，这样因屏蔽外壳的耦合，很容易引起寄生件的激励最强，这样因屏蔽外壳的耦合，很容易引起寄生反馈。为了消防这些影响，应将外壳做得长一点。反馈。为了消防这些影响，应将
6、外壳做得长一点。引线电阻引线电阻 集成电路封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引集成电路封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引线的几何形状。在陶瓷外壳中，引线电阻又与陶瓷金属化线的几何形状。在陶瓷外壳中，引线电阻又与陶瓷金属化材料和图形尺寸有关。若引线电阻过大，则会使电路增加材料和图形尺寸有关。若引线电阻过大，则会使电路增加一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗增大，并且一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗增大，并且影响了电路的性能。影响了电路的性能。绝缘电阻绝缘电阻 集成电路封装外壳的绝缘电阻，通常是两相邻的引线间或任一引集成电路封装外壳的绝缘电阻，通常是两相邻的引线间或任一引线与金属
7、底座间的电阻值。这个数值的大小不仅与引线间的距离和外壳线与金属底座间的电阻值。这个数值的大小不仅与引线间的距离和外壳结构有关，也与绝缘体的绝缘性能与环境条件有关。结构有关，也与绝缘体的绝缘性能与环境条件有关。外壳绝缘电阻的降低将会导致电极问的漏电流增大，使整个集成外壳绝缘电阻的降低将会导致电极问的漏电流增大，使整个集成电路的性能下降或变坏，这对电路的性能下降或变坏，这对MOS集成电路则更为突出。集成电路则更为突出。绝缘电阻可分为体积电阻和表面电阻前者的性能好坏决定于本身绝缘电阻可分为体积电阻和表面电阻前者的性能好坏决定于本身内在的物质结构而后者则与所处环境条件及材料表面状态有关，特别内在的物质
8、结构而后者则与所处环境条件及材料表面状态有关，特别是水分、潮气对材料表面电阻影响甚大。因此在进行封装外壳设计时，是水分、潮气对材料表面电阻影响甚大。因此在进行封装外壳设计时，要注意结构安排的合理性，并考虑到材料加工后的表面状态，应尽量选要注意结构安排的合理性，并考虑到材料加工后的表面状态，应尽量选用一些表面抗电强度和绝缘电阻高的材料。用一些表面抗电强度和绝缘电阻高的材料。光电外壳光电外壳 在实际应用中具有光电转换性能的集成电路已经为数不在实际应用中具有光电转换性能的集成电路已经为数不少，数字电路中的可改写只读存储器少，数字电路中的可改写只读存储器(EPROM)则是其中最好的则是其中最好的一个例
9、子。但是要使集成电路能够具备这样的功能，就必须一个例子。但是要使集成电路能够具备这样的功能，就必须要有一个类似窗户一样的结构，使各种不同的光能够透射进要有一个类似窗户一样的结构，使各种不同的光能够透射进去，这样才能达到光电转换的目的。为此这类集成电路的去，这样才能达到光电转换的目的。为此这类集成电路的 封封装外壳需具有特殊的装外壳需具有特殊的“光窗光窗”结构形式。结构形式。这类具有光窗的集成电路封装外壳，我们称它为光电外这类具有光窗的集成电路封装外壳，我们称它为光电外壳，壳，光窗的结构和所用的材料是设计光电外壳时应考虑的主光窗的结构和所用的材料是设计光电外壳时应考虑的主要问题。要问题。首先要搞
10、清楚需要透过什么样波长的光，如红外光、紫首先要搞清楚需要透过什么样波长的光，如红外光、紫外光或可见光；其次是透光的强度；最后还要考虑外壳对其外光或可见光；其次是透光的强度；最后还要考虑外壳对其他不需要的光如何进行掩蔽，这样才能根据已知的条件来进他不需要的光如何进行掩蔽，这样才能根据已知的条件来进行设计光电外完。行设计光电外完。（2）外壳的热性能设计原则）外壳的热性能设计原则 随着集成电路的组装密度不断增大，将导致功率密度也随着集成电路的组装密度不断增大，将导致功率密度也相应的提高，集成电路单位体积发热量也有所增加。在外壳相应的提高，集成电路单位体积发热量也有所增加。在外壳结构设计上如果不能及时
11、地将芯片内所产生的热量散发出去，结构设计上如果不能及时地将芯片内所产生的热量散发出去，设法抑制集成电路的温升，必然对集成电路的可靠性产生极设法抑制集成电路的温升，必然对集成电路的可靠性产生极为严重的影响。为此，封装外壳的热设计是一个至关重要的为严重的影响。为此，封装外壳的热设计是一个至关重要的课题。课题。在进行封装外壳的热设计时，需要估计集成电路芯片在进行封装外壳的热设计时，需要估计集成电路芯片由于电功率的热效应所产生的热量如何通过外壳散发到周由于电功率的热效应所产生的热量如何通过外壳散发到周围环境中去。围环境中去。IC芯片芯片内引线内引线封装树脂封装树脂基板基板散热问题散热问题氧化铝、氮化硅
12、、氧化铍氧化铝、氮化硅、氧化铍 改善底座和散热板的接触状态改善底座和散热板的接触状态加大散热板的面积加大散热板的面积改变散热材料，将散热板的热阻降低。改变散热材料，将散热板的热阻降低。2、引线和引线架的设计、引线和引线架的设计 引线和引线框架是构成集成电路封装外壳的主要组成零引线和引线框架是构成集成电路封装外壳的主要组成零件。它的作用就是通过引线能够把电路芯片的各个功能瑞与件。它的作用就是通过引线能够把电路芯片的各个功能瑞与外部连接起来。由于集成电路的封装外壳的种类甚多，结构外部连接起来。由于集成电路的封装外壳的种类甚多，结构形成也不一样，因此其引线的图形尺寸和使用材料也都各有形成也不一样，因
13、此其引线的图形尺寸和使用材料也都各有特点，在集成电路使用过程中，由于引线加工和材料使用不特点，在集成电路使用过程中，由于引线加工和材料使用不当而造成封装外壳的引线断裂和脱焊等事例为数不少，因而当而造成封装外壳的引线断裂和脱焊等事例为数不少，因而如何提高引线质量、改进制造技术和开发一些新型引线是很如何提高引线质量、改进制造技术和开发一些新型引线是很重要的。重要的。引线的结构尺寸是根据封装外壳整体要求来设计的。引线的结构尺寸是根据封装外壳整体要求来设计的。如金属圆形外壳，其引线是直接封接在电真空玻璃中，为如金属圆形外壳，其引线是直接封接在电真空玻璃中，为了便于与内引线键合，上端焊接点要求平整、光洁
14、，甚至了便于与内引线键合，上端焊接点要求平整、光洁，甚至要求打平以增加焊接面积。因此这种引线都是圆形的，是要求打平以增加焊接面积。因此这种引线都是圆形的，是用金属丝材或棒材加工而成的。用金属丝材或棒材加工而成的。对于各类扁平式和双列式外壳，其引线有的是封接在对于各类扁平式和双列式外壳，其引线有的是封接在电真空玻璃中；有的是钎焊在陶瓷基体的侧面或底面电真空玻璃中；有的是钎焊在陶瓷基体的侧面或底面l，因，因此这种引线都是矩形的，是用金属带材或板材冲压而成的。此这种引线都是矩形的，是用金属带材或板材冲压而成的。这种引线除了要保证两引线间具有一定的距离外，而且在这种引线除了要保证两引线间具有一定的距离
15、外，而且在使用时要按一定的规格进行排列和不致松散，所以要设计使用时要按一定的规格进行排列和不致松散，所以要设计成引线框架形式。这样在集成电路组装中它既能起到整齐成引线框架形式。这样在集成电路组装中它既能起到整齐排列的作用，也能达到保护引线的目的排列的作用，也能达到保护引线的目的(在老化测试前，在老化测试前，剪去多余的连条部分，就成为我们所需要的引线剪去多余的连条部分，就成为我们所需要的引线)。3、封接设计、封接设计 封接材料封接材料根据低温封接的特定要求，封接材料必须具备以下几个条件：根据低温封接的特定要求，封接材料必须具备以下几个条件：封接材料的软化温度要低，应保证能在足够低的温度条件下进封
16、接材料的软化温度要低，应保证能在足够低的温度条件下进行封接，以免封接温度过高而导致芯片上金属连线球化或引线框架行封接，以免封接温度过高而导致芯片上金属连线球化或引线框架变形变坏；同时在封接温度下封接材料的粘度应在变形变坏；同时在封接温度下封接材料的粘度应在1200Pas范围范围之间，使封接材料既充分而又不过份地在封接面上流动；之间，使封接材料既充分而又不过份地在封接面上流动；封接材料的线膨胀系数应能和被焊的陶瓷、金属相匹配，从而封接材料的线膨胀系数应能和被焊的陶瓷、金属相匹配，从而保证封接件具有一定的封接强度和经受得住诸如温度、气候和机械保证封接件具有一定的封接强度和经受得住诸如温度、气候和机
17、械等一系列的环境考验。如果和被焊材料的线膨胀系数相差甚远，则等一系列的环境考验。如果和被焊材料的线膨胀系数相差甚远，则在封接后封接材料中残存应力将使封接材料遭到破坏，从而使封接在封接后封接材料中残存应力将使封接材料遭到破坏，从而使封接强度大大降低和无法保证封接体的气密性；强度大大降低和无法保证封接体的气密性；当金属用封接材料封接时，要求封接材料对金属有良好的浸润当金属用封接材料封接时，要求封接材料对金属有良好的浸润性，同时，为获得牢固的封接强度，要求封接材料能够扩散到金属性，同时，为获得牢固的封接强度，要求封接材料能够扩散到金属表面的氧化层中去；表面的氧化层中去；在与水、空气或其他介质相接触时
18、，封接材料应仍具有良好的在与水、空气或其他介质相接触时，封接材料应仍具有良好的化学稳定性和绝缘性能，化学稳定性和绝缘性能，在封接过程中，不能由封接材料中产生有害物质，使之挥发或在封接过程中，不能由封接材料中产生有害物质，使之挥发或溅落在电路芯片或其他部位上，从而导致集成电路性能变坏或完全溅落在电路芯片或其他部位上，从而导致集成电路性能变坏或完全失效。失效。低熔玻璃系指软化温度不高于低熔玻璃系指软化温度不高于500的一类粉状玻璃材的一类粉状玻璃材料。由于它易与金属、陶瓷等材料粘接且本身不透气，当形料。由于它易与金属、陶瓷等材料粘接且本身不透气，当形成密封腔体后可获得较高的气密性。同时又具有不燃性
19、和良成密封腔体后可获得较高的气密性。同时又具有不燃性和良好耐热性能，电性能也比较优越，因此它作为一种无机焊料，好耐热性能，电性能也比较优越，因此它作为一种无机焊料，广泛地被应用在真空和电子产品中。在集成电路封装领域它广泛地被应用在真空和电子产品中。在集成电路封装领域它也是很好的低温密封材料和粘接材料。也是很好的低温密封材料和粘接材料。低熔玻璃低熔玻璃（1）常用的封接材料）常用的封接材料 封接合金材料主要是用来与相应的陶瓷、玻璃或塑料进行封接合金材料主要是用来与相应的陶瓷、玻璃或塑料进行封接的，其具体要求是：封接的，其具体要求是：一定温度范围内，封接合金材料的线膨胀系数必需与相应一定温度范围内，
20、封接合金材料的线膨胀系数必需与相应的封接体基本一致，以达到良好的匹配；的封接体基本一致，以达到良好的匹配；要具有良好的机械性能和导热性能，能耐腐蚀、其加工性能要具有良好的机械性能和导热性能，能耐腐蚀、其加工性能要好，可以制成丝、管、带、棒等几何形状，抗氧化和具有好要好，可以制成丝、管、带、棒等几何形状，抗氧化和具有好的塑性。并且它们的冲裁成型性、表面平整性等都能达到所需的塑性。并且它们的冲裁成型性、表面平整性等都能达到所需的要求；的要求；封接合金材料在使用时，应没有金相组织的转变，不会因相封接合金材料在使用时，应没有金相组织的转变，不会因相变而带来线膨胀系数的急剧变化，因为这将造成封接材料的内
21、变而带来线膨胀系数的急剧变化，因为这将造成封接材料的内应力增加，使之产生炸裂等现象而导致漏气；应力增加，使之产生炸裂等现象而导致漏气；材料中非金属杂质、有害元素和气体的含量应当在真空中或材料中非金属杂质、有害元素和气体的含量应当在真空中或氢气保护下进行退火时，能够很好的脱碳、脱气；氢气保护下进行退火时，能够很好的脱碳、脱气；在性能满足要求的前提下价格要尽可能低廉。在性能满足要求的前提下价格要尽可能低廉。封接合金材料封接合金材料4、封装技术的计算机模拟分析、封装技术的计算机模拟分析 随着半导休器件工作频率的不断提高、集成电路集成度随着半导休器件工作频率的不断提高、集成电路集成度与速度的迅速增加，
22、一个封装外壳内所能容纳的芯片数目及与速度的迅速增加，一个封装外壳内所能容纳的芯片数目及其功率也相应地急剧增加。其功率也相应地急剧增加。芯片温度的升高将会降低器件的可靠性而温度的急剧芯片温度的升高将会降低器件的可靠性而温度的急剧变化又会在器件各部分产生热应力，从而有可能引起芯片、变化又会在器件各部分产生热应力，从而有可能引起芯片、衬底和键合点的碎裂或脱落。衬底和键合点的碎裂或脱落。在高速、高频或紧密组装的电路系统设计中，金属化在高速、高频或紧密组装的电路系统设计中，金属化布线的电容和电感对电路性能的影响也是不能忽视的。布线的电容和电感对电路性能的影响也是不能忽视的。所以耍实现高可靠、高密度和高性
23、能的封装，在进行封所以耍实现高可靠、高密度和高性能的封装，在进行封装结构设计时，在处理好由器件温升而引起的热阻、由分布装结构设计时，在处理好由器件温升而引起的热阻、由分布电容和分布电感而引起的器件高频性能变坏和速度降低等一电容和分布电感而引起的器件高频性能变坏和速度降低等一系列问题时，可利用计算机辅助设计这一有力的手段，以取系列问题时，可利用计算机辅助设计这一有力的手段，以取得较好的设计效果。得较好的设计效果。一个较完善的封装结构设计必须在几个重要的封装设计一个较完善的封装结构设计必须在几个重要的封装设计因素中，譬如热阻、芯片热阻、键合点寿命、热应力、热变因素中，譬如热阻、芯片热阻、键合点寿命
24、、热应力、热变形、接触电阻和电性能等方面，彼此取得较好的平衡。形、接触电阻和电性能等方面，彼此取得较好的平衡。换句话说，一个较完善的封装结构实际上就是将这个器换句话说，一个较完善的封装结构实际上就是将这个器件的电性能、环境、寿命、机械和热性能等通过封装材料和件的电性能、环境、寿命、机械和热性能等通过封装材料和特殊的工艺方法，以特定的结构形式体现出来。特殊的工艺方法，以特定的结构形式体现出来。以前对于封装结构的考核都是通过一些样品的试制和试以前对于封装结构的考核都是通过一些样品的试制和试验来获得的，但是随着产品更新周期的缩短，采用计算机辅验来获得的，但是随着产品更新周期的缩短，采用计算机辅助设计
25、则可赢得时间而使封装设计工作加速。助设计则可赢得时间而使封装设计工作加速。比如半导体器件热强度设计系统比如半导体器件热强度设计系统HISETS软件软件 热分析与散热设计技术热分析与散热设计技术布线、实装形态与电信号传输特性分析布线、实装形态与电信号传输特性分析应力分析应力分析三、集成电路封装工艺流程 划片就是把已制有电路图形的集成电路圆片切割分离成划片就是把已制有电路图形的集成电路圆片切割分离成具有单个图形具有单个图形(单元功能单元功能)的芯片，常用的方法有金刚刀划片、的芯片，常用的方法有金刚刀划片、砂轮划片和激光划片等几种：金刚刀划片质量不够好，也不砂轮划片和激光划片等几种：金刚刀划片质量不
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