芯片半导体制造工艺-第十八章 装配与封装

环氧树脂粘贴
芯片
环氧树脂
引线框架
Figure 20.7
共晶焊粘贴
共晶定义使它的熔点降至最低的熔态混 合。然后用合金方法将金粘接到基座上，基 座通常或是引线框架或是陶瓷基座（90％以 上的Al2O3）。典型地，基座有一个金或银的 金属化表面。当加热到420℃约6秒钟时芯片 和框架之间形成共晶合金互连。
半导体制造技术
第十八章
封装与装配
目标
通过本章的学习，将能够： 1. 描述装配和封装的总趋势与设计约束条件； 2. 说明并讨论传统装配方法； 3. 描述不同的传统封装的选择； 4. 讨论7种先进装配和封装技术的优势与限制。
引言
• 在制造工艺完成时，通过电测试的硅片准备进行 单个芯片的装配和封装。这些在最终装配和封装 中进行，被称为集成电路制造过程的后道工序。
集成电路封装层次
第一级封装： IC 封装
第二级封装 印刷电路板装配
最终产品装配： 电路板装到系统 中的最终装配
为在印刷电路板上 固定的金属管脚
表面贴装 芯片被焊 在 PCB的 铜焊点上.
电极 管脚
管脚插入 孔中然后 在 PCB 背面焊接
边缘连接电极插入主系统 PCB组件
主电子组件板
Figure 20.3
• 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，每个都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，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 成电路是将芯片封装在一个保护管壳内。
• 使用全自动化机械进行背面减薄（见下图）。 背面减薄被精细的控制，使引入到硅片的应力 降到最低。在某些情况下，背面减薄后，在背 面在淀积金属，用于改善到底座的导电率以及 芯片共晶焊。
背面减薄示意图
向下施加力 转动和摆动秆
转动卡盘上 的硅片
板仅在硅片转换 角度过程中转动
Figure 20.4
硅片锯和被划硅片
(5)
Figure 20.12
劈刀向上移动
(6)
引线键合拉力试验
钩
柱 器件
测试中的芯片 样品卡
Figure 20.13
传统封装
IC有许多传统封装形式，封装必须保护芯片免 受环境中潮气和沾污的影响及传运时的损坏。IC封 装形成了在引线框架上互连到芯片压点的管脚，它 们用于第二级装配电路板。芯片压点的间距范围从 60～115µm。引线框架电极从该压点间距扇出到用 在电路板上更大的压点间距。
硅片 台
锯刃
Figure 20.5
装片用的典型的引线框架
引线框架
引线
芯片
塑料 DIP
Figure 20.6
芯片粘结
• 环氧树脂粘贴 • 共晶焊粘贴 • 玻璃焊料粘贴 • 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（见下图）。接下来是加热循环以 固化环氧树脂。
传统装配
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。在20世纪90年代后期，所有集成电 路装配中估计有95％采用了传统的最终装配， 并由下面4步构成：
• 背面减薄 • 分片 • 装架 • 引线键合
背面减薄
• 最终装配的第一步操作是背面减薄。在前端制 造过程中，为了使破损降到最小，大直径硅片 相应厚些（300mm的硅片是775µm厚）。然而 硅片在装配开始前必须减薄。通常被减薄到 200～500µm的厚度。较薄的硅片更容易划成小 芯片并改善散热，也有益于在装配中减少热应 力。
共晶贴片提供了良好的热通路和机械强 渡。对于双极集成电路共晶焊粘贴技术更普 遍。
Au-Si 共晶贴片
Gold film
Silicon Al2O3
金/硅共晶 合金
Figure 20.8
引线键合
引线键合是将芯片表面的铝压点和引线框 架上的电极内端（有时称为柱）进行电连接最 常用的方法（见下图）。引线键合放置精度通 常是＋5µm。键合线或是金或是铝，因为它在 芯片压点和引线框架内端压点都形成良好键合 ，通常引线直径是25～75µm之间。三种基本引 线键合的叫法各取自在引线端点工艺中使用的 能量类型。三种引线键合方法是：
典型 IC 封装形式
双列直插封装
(DIP)
单列直插封装
(SIP)
薄小型封装
(TSOP)
四边形扁平封装
(QFP)
塑料电极芯片载体
(PLCC)
Figure 20.2
无管脚芯片载体
(LCC)
关于集成电路封装形式
性能
尺寸/重量/外形 材料 成本 装配
• RC 时间延迟 • 输入/输出 (I/O)的个数 • 压焊和粘贴 • 信号上升时间 • 频率响应 • 开关瞬态 •热 • 芯片尺寸 • 管壳尺寸 • 压点尺寸和间距 • 管壳引线尺寸和间距 • 衬底载体压点尺寸和间距 • 散热设计 • 芯片基座 (塑料、陶瓷或金属) • 载体 (有机物、陶瓷) • 热膨胀失配 • 引线金属化 • 集成到现有工艺 • 管壳材料 • 成品率 • 芯片粘贴方式 • 封装粘贴 (通过孔、表面贴装或凸点) • 散热装配 • 包封
导给劈刀 更长的引 线
(1)
(2)
(3)
超声能
劈刀向上移动
压力 引线框架
在压点旁将 引线折断
(4)
(5)
Figure 20.11
热超声球键合
金丝
毛细管 劈刀
压力和 超声能
劈刀向上 移动并导 入更长的 引线
H2 火焰
球
芯片
在压点上 的焊球
Die
(1)
(2)
(3)
(4)
压力和加热 形成压点
引线框架
在压点旁将 引线折断
• 热压键合 • 超声键合 • 热超声球键合
从芯片压点到引线框架的引线键合
芯片 键合的引线
压点
压模混合物 引线框架
管脚尖
Figure 20.9
芯片到引线框架的引线键合
Pho百度文库o 20.1
热压键合
柱 器件压点
Figure 20.10
超声线键合顺序
超声能
楔压劈刀
引线 Al 压点 芯片
压力
劈刀向上移动
• 现在最常用的封装是塑料包封芯片，这种塑料包 封提供环境保护并形成更高级装配连接的管脚。
传统装配与封装
硅片测试和拣选
分片
贴片
引线键合
塑料封装
Figure 20.1
最终封装与测试
集成电路封装的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