微电子封装技术Word格式.docx
- 文档编号:19855539
- 上传时间:2023-01-11
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:258.94KB
微电子封装技术Word格式.docx
《微电子封装技术Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微电子封装技术Word格式.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
随着IC高度集成化、芯片和封装面积的增大、封装层的薄壳化以及要求价格的进一步降低,对于模塑料提出了更高且综合性的要求,具体如下。
(以下均要修改,调整语辞)
(1)成型性流动性、固化性、脱模性、模具玷污习性、金属磨耗性、材料保存性、封装外观性等。
(2)耐热性耐热稳定性、玻璃化温度、热变形温度、耐热周期西、耐热冲击性、热膨胀性、热传导性等。
(3)耐湿性吸湿速度、饱和吸湿量、焊锡处理后耐湿性、吸湿后焊锡处理后耐湿性等。
(4)耐腐蚀性离子性不纯物及分解气体的种类、含有量、萃取量。
(5)粘接性和元件、导线构图、安全岛、保护模等的粘接性,高湿、高湿下粘接强度保持率等。
(6)电气特性各种环境下电绝缘性、高周波特性、带电性等。
(7)机械特性拉伸及弯曲特性(强度、弹性绿高温下保持率)、冲击强度等。
(8)其他打印性(油墨、激光)、难燃性、软弹性、无毒及低毒性、低成本、着色性等。
微电子封装中的热匹配设计的目的是什么?
主要有哪些方面的热匹配问题?
热不匹配效应
集成电路内部相连材料间热膨胀系数的不匹配产生的热应力有可能造成器件的失效现象。
目的(含义):
尽可能减少器件内部相连材料间热膨胀系数的差别,减少热应力。
考虑以下方面的热匹配设计:
(1)改善芯片与管座间的热匹配
加过渡层缓冲
(2)改善键合引线与芯片之间的热匹配
采用金丝球焊,不用铝丝超声焊
(3)改善塑封树脂与硅片之间的热匹配
热匹配不好是塑封器件密封性失效的主要原因
开发新树脂
(4)改善铝金属化层的再结构
掺1%~2%
硅或铜
Al-Si
,A1-Cu合金膜
铝膜上低温淀积
SiO2
Si3N4
,缓冲热应力
画图说明微电子封装中的芯片互连技术主要有哪三种?
还未画图
一、引线键合(WB)技术
WB是将半导体芯片焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属化布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术:
焊区金属一般为AL或Au金属丝。
多数是1微米至数百微米直径的Au丝、A1丝和Si一A1丝。
焊接方式有热压焊、超声键合焊和金丝球焊三种。
1、WB的分类及特点
(1)热压焊
热压焊是利用加热和加压力,使金属丝与A1或Au的金属焊区压焊在一起。
其原理是通过加热和加压力.使焊区金属(如AL)发生塑性形变,同时破坏压焊界面上的氧化层,使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围,从而使原子间产生吸引力,达到“键合”的目的。
此外,两金属界面不平整,加热加压时,可使上、下的金属相互镶嵌。
热压焊的焊头与芯片均要加热,焊头加热到150度左右,芯片通常加热到200度以上,容易使焊丝和焊区形成氧化层:
同时,由于芯片加热温度高,压焊时间一长.容易损害芯片影响器件的可靠性和使用寿命。
如Au—A1金属化系统.焊接处在高温下,Au向Al从中迅速扩散,形成金属间化合物就有Au2Al(“白斑”),而且多是脆性的,导电率较低,因此,使用得越来越少。
(2)超声焊
超声焊又称超声键合、它是利用超声波发生器产生的能量.通过磁致伸缩换能器,在高频磁场感应下,迅速伸缩而产生弹性振动,破坏Al层界面的氧化层.使两个纯净的金属面紧密接触、达到原子级的“键合”,从而形成牢固的焊接。
超声键合与热压焊相比,能充分去除焊接截面金属氧化居,提高焊接质量,焊接强度高于热压焊,超声焊不需加热.可在常温下进行,因此芯片性能无损害,这对器件的可靠性和长期使用寿命都是十分有利的。
(3)金丝球焊
现代的金丝球焊机往往还带有超声功能.从而又具备超声焊的优点、有的也叫做热(压)(超)声焊:
球焊时,衬底(承片台)仍需加热,压焊时加超声,因此其加热温度远比普通的热压焊低(一般加热到100度即可):
所加压力一般为0.5N/点,与热压焊相同。
(4)引线键合的主要材料
不同的焊接方法,所选用的引线键合材料也不同。
如热压焊、金丝球焊主要选用Au丝.超声焊主要用A1丝和Si一A1丝,还有少量的Cu—AI丝和Cu一Si一Au丝等:
这些金属材料都具有下述埋想要求的大部分优良特性,如能与半导体材料形成低阻的欧姆接触;
Au的化学性能稳定,Au—Au和A1一A1同种金属间不会形成有害的金属间化台物;
与半导体材料的结合力强;
电导率高,导电能力强;
可塑性好,易于焊接,并能保持—定的形状等。
二、载带自动焊(TAB)技术
TAB技术早在1965年就出美国通用电气(GE)公司研究发明出来,当时称为“微型封装”,1971年.法国BullSA公司将它称为“载带自动焊”,以后这—叫法就一直延续下来。
这是一种有别干且优于WB、用于薄型LSI芯片封装的新型芯片互连技术:
直到20世纪80年代中期.TAB技术一直发展缓慢。
随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展,I/O数迅速增加,电子整机的高密度组装及小型化、薄型化的要求日益提高,到1987年,TAB技术又里新受到电子封装界的高度重视:
美国的仙章公司(现在的松下子公司)、Motorola公司、松下半导体公司和德克萨斯仪器公司等应用TAB技术成功地替代了DIP塑封。
美、日、西欧各国竞相开发应用TAB技术、使其很快在消费类电子产品中获得广泛的应用,主要用于液晶显示、智能IC卡、计算机、电子手表、计算器、录像机和照相机中:
在这些应用小,日本使用TAB技术在数量和工艺技术、设备诸方面都是领先的,直至今日仍是使用TAB的第一大户,美、欧次之,亚洲的韩国也有一定的用量.俄罗斯也有使用。
TAB一般采用Cu箔引线,导热和导电性能好,机械强度高。
TAB使用标淮化的卷轴长带(长100m),对芯片实行自动化多点—次焊接;
同时,安装及外引线焊镀可以实现自动化,可进行工业化规模生产,从而提高电子产品的生产效率,降低产品成本。
三、倒装焊
20世纪60年代初,美国IBM公司首先研制开发出在芯片上制作凸点的倒装焊FCB工艺技术,大大减少了引线的长度.
倒装焊(FCB)是芯片与基板直接安装互连的一种方法。
WB和TAB互连法通常那是芯片面朝上安装互连、而FCB则是芯片面朝下.芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。
因此,FCB的互连线非常短。
互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TAB小得多,从而更适合高频、高速的电子产品应用。
同时FCB芯片安装互连占的基板面积小.因而芯片安装密度高。
此外,FCB芯片焊区可面阵布局、更适合;
高I/O数的LSI、VLSI芯片使用。
由于芯片的安装、互连是同时完成的.这就大大简化了安装互连工艺,快速、省时.适于使用先进的SMT进行工业化大批量生产。
当然.FCB也有不足之处,如芯片面朝下安装互连,会给工艺操作带来一定难度,焊点检查困难(只能使用红外线和X光检查);
另外、在心片焊区一般要制作凸点,增加了芯片的制作工艺流程和成本,此外,倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题也需要很好地解决等。
但随着工艺技术和可靠性研究的不断深人,FCB存在的问题止逐一得到解决。
这些公司使用FCB后的生产效率都比用WB法提高了3—5倍。
随后的FCB技术发展并不快,因为中、小规模IC的I/O数少则几个.多的也只有数十个,用WB互连更加灵活方便.
直至20世纪80年代中期.随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展,I/O数迅速增加,一些电子整机的高密度组装及小型化、薄型化要求日益提高,这时,FCB所具有的最高的安装密度、最高I/O数和较低的成本,以及可直接贴装l等优越性,因其旺盛的需求而充分发挥出来,美网、日本、欧洲的各大电子公司都相继研制开发出各种各样的FCB工艺技术。
画图DIP、SOP、SOJ、QFP、BGA四种封装形式的含义。
DIP:
DualIn-linePackage双列直插式封装结构
SOP:
smallout-linepackage小型平面引线式封装,引脚向外弯曲,表面贴装(SMT)技术之一,薄型化
SOJ
smallout-lineJ-leadpackage小型平面J形引线式封装引脚向内弯曲
QFP
quadflatpackage四周平面引线式封装引脚向外弯曲
QFP是目前表面贴装技术的主要代表之一
球栅阵列封装BGA(BallGridArray)
比较QFP、BGA封装形式各自的特点。
BGA:
这是20世纪90年代初出现的一种称为球栅阵列封装(BGA)的新型封装技术,它一改QFP的四脚引线,变成在基板下面面阵排列引出脚,并将长引脚改为球形Pb/Sn焊料凸点。
焊料小球(ball)也可使用有机导电树脂形成。
1)与QFP相比,可进一步小型化、多端子化,400端子以上不太困难。
2)球状电极的不会变形
3)熔融焊料的表面张力作用,具有自对准效果,实装可靠性高,返修率几乎为零
4)实装操作简单,对操作人员的要求不高
5)BGA引脚很短,缩短了信号路径,减小了引线电感和电容,改善了电气性能;
6)BGA球栅阵列有利于散热;
1.I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装方式,提高了成品率。
2.虽然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善电热性能。
3.信号传输延迟小,适应频率大大提高。
4.组装可用共面焊接,可靠性大大提高。
BGA是目前高密度表面贴装技术的主要代表
BGA即使不检测焊点的质量,也比经过检测的QFP合格率高两个数量级
QFP:
1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。
2.适合高频使用。
3.操作方便,可靠性高。
4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。
画图说明CSP、MCM以及三维封装的含义。
CSPchipsizepackage尺寸芯片封装成为高密度电子封装技术的主流趋势
平面栅阵端子型CSP
周边端子型CSP
CSP是在BGA基础上发展起来的,极接近LSI芯片尺寸的新型封装产品,具有以下几个特点:
①体积极小。
CSP是目前体积最小的封装LSI。
②相同尺寸的LSI,CSP的引脚最多。
③CSP具有优良电性能。
④CSP的散热性能优良。
MCM组装
:
Multichipmodule
将多个裸芯片不加封装,直接装载于同一印制板上并封装于同一壳体内,与一般单芯片封装的SMT相比,面积减小了3~6倍,重量减轻了3倍以上,由于减小了引线长度故可明显改善信号延迟、降低高频损耗
三维封装:
纵向利用PCB上的空间
画图说明丝网印刷成膜方法的工艺流程。
丝网印刷工艺丝网印刷是制作厚膜电路的主要方法。
这种厚膜基板的制作工艺为下流程所示。
整个过程要经过反复多次进行丝网印刷、干燥、烧成过程。
设备投资低,具备印刷机、干燥炉、烧成炉即可成膜。
选择基板材料时应注意哪些原则?
举出四种主要的基板材料?
并说明它们各自的主要特点?
1、电性能要求
绝缘电阻
首先,基板必须具有很高的绝缘屯阻;
其次,在暴露的各种环境中.例如高温、高湿时.具有很好的稳定性.
介电常数
介电常数和损耗因子是高频、高速、高性能MCM,的两个主要的电性能参数,降低电容、控制特性阻抗对于工作频率大于100MHz的电路的性能是主要的。
互连基板是影响组件整体电性能的一个主要因素:
信号延迟直接和导带材料的介电常数平方根成正比例关系,电容也和介电常数成比例关系。
要求具有低介电常数(<
4)和低电容的基板和介质层。
2、热性能要求
导热性
基板的导热性能应可能高,尤其是在封装功率芯片时要求更高。
热稳定性
基板在受热加工过程中以及后来的MCM筛选试验中,必须做到不分解、不漏气、尺寸稳定、不开裂:
陶瓷可以经受很高的烧结温度,因而,陶瓷基板被广泛地用于厚、薄膜电路。
3.化学性能要求
基板的化学稳定性在薄膜加工中是很重要的,比如在刻蚀导体、电阻和介电层,清除光刻胶以及电镀中所用的化学物质对基板都有腐蚀作用,因此必须要求基板的化学稳定性好。
例如,腐蚀氮化钽电阻的氢氟酸也同样能腐蚀氧化铝陶瓷基板,尤其是玻璃含量高的陶瓷玻璃组织。
4.机械性能要求
平整度
基板的机械性能主要是指表面平整度,特别对制造薄膜电路尤为重要。
对于厚膜电阻,情况恰好相反,基板表面有一定的粗糙度,以获得一定的机械附着作用而增加附着力。
机械强度
对整块基板的机械强度要求较高:
随着基板的尺寸增大,复合性能、形状的复杂程度增加,对它的机械强度要求越来越高。
拐角或边缘裂缝处的高压力区是开裂聚集的地方。
一般情况下,陶瓷强度相当高,但随着史多的玻璃加进去,抗弯强度降低,脆性增加。
几种主要基板材料
Al2O3氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物组成。
玻璃含量可由很高(在LTCC中,玻璃含量约50%)变化到很低(在薄膜电路基板中的玻璃含量(1%),由于玻璃的导热性很差,玻璃含量高的陶瓷的导热性在制造高密度、大功率电路时必须予以特别注意。
高纯度氧化铝陶瓷的介电常数相对较高,然而,随着氧化铝含量的减少,玻璃含量的增加,陶瓷的介电常数将随之减少。
氮化铝陶瓷
需要人工制造氮化铝,氮化铝的价格比氧化铝要贵。
为了充分利用它的高导热性能以及和硅芯片之间良好的匹配性能,才得到开发应用。
它突出的优良性能是具有和氧化铍一样的导热性,以及良好的电绝缘性能、介电性能。
氮化铝是既有良好的导热性,同时又具有良好的电绝缘性能的为数很少的几种材料之一。
此类材料还有金刚石、氧化铍和立方晶体氮化硼。
AlN具有以下特点:
(1)热导率高。
(2)热膨胀系数与硅接近。
(3)各种电性能优良。
(4)机械性能好。
[5)无毒性。
(6)成本相对较低。
硅基板
(1)通过热氧化硅表面,形成二氧化硅,将隔离电容成批制作并集成在硅基板中。
在MCM电路中.电容集成后可减少顶层芯片键合面积的20%,这样,就可以互连更多的IC芯片。
电容成批制造,除增加IC密度外,还降低和片式电容有关的购买、检测、处理和安装成本。
互连数量减少.也改善了可靠性。
(2)电阻和有源器件也可在硅中单独制作。
(3)通过高掺杂(高导电性硅基扳),基板可以起接地层的作用,免去金属化。
(4)硅基板和硅IC芯片完全匹配。
(5)硅的热导率比氧化铝陶瓷高得多。
据报道,硅的热导率在85—135w/(m·
K),取决于硅的纯度及晶体结构。
(6)硅易于用铝或其他金属进行金属化。
金刚石
金刚石是一种适合于大多数高性能微电路的理想材料,它具有最高的热导率(单晶天然HA型金刚石的热导率超过2000w/(m·
K)、低的介电常数、高的热辐射阻值和优良的钝化性能.它也是巳知材料中最硬的和化学稳定性最好的材料。
产品的平均成本比较高。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微电子 封装 技术