微电子制造概论教学课件PPT互连和封装.ppt

1、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。 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 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 設計參數 設計限制 性能 RC 時間延遲 信號輸出入腳數(IOs) 焊線接合對凸塊接著之比較 信號上升時間 交換暫態 熱 功率散逸 輸出入阻抗 頻率響應 尺寸重量形體 晶片尺

2、寸 封裝體尺寸 接合墊尺寸及間距 封裝引腳尺寸及間距 基板載器墊尺寸及間距 散熱器之設計 材料 晶片基板(塑膠、陶瓷或金屬) 載器 (有機、陶瓷) 熱膨脹不匹配 引腳冶金 成本 與現有製程之整合 封裝材料 良率 裝配 晶粒接著之方法 封裝體接著(透過孔洞、表面固著或凸塊) 散熱器裝配 密封 表 20.1 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

3、板引脚 图 20.3 背面研磨分片装架引线键合 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 工作台刀刃 图 20.5 芯片 引脚 导线架 塑胶式DIP图 20.6 芯片环氧基树脂导线架图 20.7 芯片导线架连接带连接带移除线图 20.15 Si 金膜金/硅低共熔性合金Al2O3图 20.8 模塑化合物导线架接合垫芯片引线针尖脚图 20.9 照片 20.1 柱 元件接合垫图 20.10 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

4、 (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 柱元件 受测试芯片勾物品夹具图 20.13 塑胶封装陶瓷封装 图 20.14 图 20.16A 图 20.16B 图 20.16C 图 20.16D 图 20.16E 图 20.16F 图 20.16G 陶瓷性内连接层4层电路板图 20.17 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 照片 20.2 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

5、示性刻痕横切面之平面图 20.18 图 20.19 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 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 图 20.21 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)锡铅图 20.22 焊接凸块芯片环氧基树脂基板接合垫周边阵列覆晶凸块面积阵列图 20.23 照片 20.3 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

6、属介质孔焊接球IC芯片印刷电路板图 20.25 高分子带铜引脚图 20.26 MCM基板个别晶粒图 20.27 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)一 般 CSP 方 式 CSP 封 裝 名 稱 公 司 廠 商 Area arra

7、y, bumped CSP Amkor/Anam Small outline no-lead/C-lead (SON/SOC) Fujitsu Bump chip carrier (BCC) Fujitsu Micro-stud-array (MSA) Hitachi Bottom leaded plastic (BLP) LG Semicon Quad flat no-lead (QFN) Matsushita Memory CSP TI Japan 定 製 導 線 架 Quad outline non-leaded Toshiba Enhanced flex CSP 3M FleXBGA

8、Amkor/Anam FBGA Fujitsu Chip-on-flex CSP GE Multi chip scale package (MCSP) Hightec MC AG CSP for memory devices Hitachi IZM flexPAC Fraunhofer Institute Molded Ball Grid Array Mitsubishi Electric Chip-on-flex Chip Size Package Motorola Singapore Fine-pitch BGA (FPBGA) NEC 晶 粒 與 基 板 間插 入 物 (具 內 連線 之

9、 彈 性 材 料 ) MicroBGA Tessera Chip Array Package (CABGA) Amkor/Anam CSP Cypress Semiconductor Ceramic mini-BGA IBM Molded array process CSP Motorola Plastic chip carrier National CSP Oki Electric Transformed grid array package Sony 剛 性 基 板 Ceramic/plastic fine-pitch BGA Toshiba 表 20.2 具C4凸块之单晶片图 20.29

10、 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 照片 20.4 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 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

11、封装级之功能测试标准测试流程标准测试流程 图 20.31 參數 優點 封裝尺寸 封裝體在 x 及 y 方向與晶片尺寸相同，其可能為最小的 IC 封裝體並可減輕封裝體重量。 固著後之封裝高度 該封裝體極薄，在第二層級裝配後，從電路板表面可測得一具小於 1mm 之整體高度。 組件可靠性 測試結果顯示晶圓級封裝的組件可通過現有之可靠性測試，以作為已受保護的組件。 焊接連結點可靠性 測試結果顯示焊接連結點可靠性滿足標準熱循環 (65 到 125oC) 可靠性測試。 電特性 電性模擬測試顯示晶粒面朝下 (覆晶) 架構的晶圓級封裝因具有短電路路徑而減少電感與寄生電容損失並產生良好電特性。 與現有 SMT

12、基本架構的積體化 晶圓級封裝可匹配於現行之表面固著技術，並且可利用標準的焊錫球及球間距。 -粒子保護 自然發生於封裝材料的放射性元素會發射出 -粒子以致造成記憶胞的電壓損失，高分子帶及薄膜膠帶可提供記憶胞 - 粒子防護。 低系統成本 現行材料之使用結合晶圓積體化以減少操作處理與晶圓測試策略來減少重複的測試等可提供一低的整體系統成本。 表 20.3 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？ LED结构 LED芯片生产 LED封装 LED应用 LED（Light Emittin

13、g 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。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

14、光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 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 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。 首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片(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

15、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

16、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。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-LED等。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

17、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

18、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

19、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。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

20、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

21、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。