微电子封装技术讲义06071.pptx
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1、第一章第一章:绪论:绪论第二章第二章:微电子封装的分类:微电子封装的分类第三章第三章:微连接原理:微连接原理第四章第四章:微连接技术:微连接技术第五章第五章:插装元器件与表面安装元器件的封装技术:插装元器件与表面安装元器件的封装技术第六章第六章:BGABGA和和CSPCSP封装技术封装技术第七章第七章:多芯片组件:多芯片组件(MCM)(MCM)第八章第八章:未来封装技术展望未来封装技术展望1.1 概述 1.1.1 微电子封装的定义 1.1.2 电子封装的作用和重要性 1.1.3 封装工艺1.2 微电子技术相关知识 1.2.1 微电子技术促进封装的发展 1.2.2 微电子技术的专业用语 1.2.
2、3 集成电路芯片设计目的 1.2.4 集成电路的分类 1.2.5 芯片制造的主要工艺 1.2.6 半导体集成电路的特点1.3 电子封装技术的级别 1.3.1 零级封装技术(芯片互连级)1.3.2 一级封装技术 1.3.3 二级封装技术 1.3.4 三级封装技术1.4 国内外微电子封装技术发展现状1.1 1.1 概述概述 1.1.1 1.1.1 微电子封装的定义微电子封装的定义 微电子封装的定义:所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。(科学的定义)“封装”这个词用于电子工程的历史并不很久。在真空
3、电子管时代,将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装或装配”。当时还没有“封装”这一概念。狭义的封装技术可定义为:利用膜技术及微细连接技术,将半导体元器件及其他构成要素,在框架或基板上布置、固定及连接,引出接线端子,并通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺技术。(最基本的)广义的电子封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能,转变为能适用于设备或系统的形式,并使之为人类社会服务的科学与技术。(功能性的)当前中国计算机、数字电视、手机、数码相机等产品需求的集成电路芯片数量非常巨大,信产部软件与集成电路促进中心发布的2004年度中国集成电路企业发展状况及IP现状
4、调研报告中指出,中国具有的巨大集成电路市场空间吸引着国外大量的一流公司来华投资,因此,几乎所有的核心技术都掌握在外国公司手里。中国集成电路设计企业总数有460多家,依然缺乏核心的竞争力及市场手段。1.1.2 电子封装的作用和重要性电子封装的作用和重要性一般来说,电子封装对半导体集成电路和器件有四个功能。即:(1)为半导体芯片提供机械支撑和环境保护;(2)接通半导体芯片的电流通路;(3)提供信号的输入和输出通路:(4)提供热通路,散逸半导体芯片产生的热。可以说,电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械性能,还影响其可靠性和成本。同时,电子封装对系统的小型化常起着关键作用。因此,集成电路
5、和器件要求电子封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能。同时必须具有高的可靠性和低的成本。可以说,无论在军用电子元器件中,或是民用消费类电路中,电子封装具有举足轻重的地位。电子封装不仅影响着信息产业及国民经济的发展,乃至影响着每个家庭的现代化。电子封装的作用和地位如此重要。要使信息产业发展,必须重视电子封装技术的重要性。微电子封装的技术要求 1、电源分配:微电子封装首先要通过电源,使芯片与电路能流通电流。还有不同部件所需的电源也不同,因此,将不同部件的电源分配恰当,以减少电源的不必要损耗,这一点尤为重要。2、信号分配:为使电信号延迟尽可能减小,在布线时应尽可能使信号线与芯片的互连路径及
6、通过封装的I/O引出的路径达到最短。对于高频信号,还应考虑信号的串扰,以进行合理的信号分配布线和接地线分配。3、机械支撑:微电子封装为芯片和其他部件提供牢固可靠的机械支撑,并能适应各种工作环境和条件的变化。4、散热通道:各种微电子封装都要考虑器件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的问题。不同的封装结构和材料具有不同的散热效果,对于功耗大的微电子器件封装,还要考虑附加的散热方式,以保证系统在使用温度要求的范围内能正常工作。5、环境保护:半导体器件和电路的许多参数,以及器件的稳定性、可靠性都直接与半导体表面的状态密切相关。半导体器件和电路制造过程中的许多工艺措施也是针对半导体表面问题的。半导体芯
7、片制造出来后,在没有将其封装之前,始终都处于周围环境的威胁之中。在使用中,有的环境条件极为恶劣,必须将芯片严加密封和包封。所以,微电子封装对芯片的环境保护作用显得尤为重要。1.1.3 封装工艺封装工艺一、封装前晶片的准备 (1)晶片打磨 (2)背部镀金二、划片 划片有两种方法:钻石划片分离和锯片分离 (1)钻石划片法:钻石划法是第一代划片技术。此方法要求晶片在精密工作台上精确地定位,然后用尖端镶有钻石的划片器从划线的中心划过。划片器在晶片表面划出了一条浅痕。晶片通过加压的圆柱滚轴后芯片得以分离。当滚轴滚过晶片表面时,晶片沿着划痕线分离开。当晶片超过一定厚度时,划片法的可靠性就会降低。封装的步骤
8、主要有贴膜、贴片、划片、键合等。(2)锯片法:厚晶片的出现使得锯片法的发展成为划片工艺的首选方法。此工艺使用了两种技术,并且每种技术开始都用钻石锯片从芯片划线上经过。对于薄的晶片,锯片降低到晶片的表面划出一条深入1/3晶片厚度的浅槽。芯片分离的方法仍沿用划片法中所述的圆柱滚轴加压法。第二种划片的方法是用锯片将晶片完全锯开成单个芯片。键合键合装片装片划片划片贴片贴片卸膜卸膜来料来料检查检查清洗清洗贴膜贴膜磨片磨片键合键合检查检查塑封塑封后烘后烘电镀电镀打标打标切筋切筋打弯打弯包装包装品质品质检验检验产品出贷产品出贷切筋切筋检验检验一般封装工艺框图一般封装工艺框图具体封装工艺流程如下:具体封装工艺
9、流程如下:用高倍显微镜检查具有图形矩阵的硅片/芯片在制造和搬运过程中产生的缺陷。来料检查 lncoming lnspection磨片之前,在硅片表面上贴一层保护膜以防止在磨片过程中硅片表面电路受损,在划片之前,会去除此保护膜。贴膜 TapeAttaching对硅片背面进行减薄,使其变得更轻更薄,以满足封装工艺要求。磨片 Backgrinding在将硅片切割成单个芯片之前,使用保护膜和金属框架将其固定。贴片 Wafer Mounting将硅片切成单个的芯片,并对其进行检测,只有切割后经过检测合格的芯片可进入下道工序。划片 Dicing将切割好的芯片从划片贴膜上取下,将其放到引线框架或封装衬底(或
10、基座)条带上。装片 Die Attaching用金线将芯片上的引线孔和框架衬垫上的引脚连接,使芯片能与外部电路相连。键合 Wire Bonding塑封元件的线路,以保护元件免受外力损坏,同时加强元件的物理特性,便于使用,塑封后的芯片要对塑封材料进行固化,使其有足够的硬度和强度经过整个封装过程。同时,使用铅或锡等电镀材料进行电镀,防止引线框架生锈或者受到其他污染。塑封 Molding根据客方的需要,使用不同的材料在封装的表面进行打印标记,用于识别。打标 Marking去除管脚根部多余的塑膜和管脚连接边,并将引线弯曲。切筋打弯 Trimming&Forming封装好的芯片最后要经过品质检验合格才能
11、出货。品质检验 Quality Assurance产品出货 Shipping 1.2 微电子技术相关知识微电子技术相关知识1.2.1 1.2.1 微电子技术促进封装的发展微电子技术促进封装的发展 微电子技术的迅猛发展,集成电路复杂度的增加,一个电子系统的 大部分功能都可集成在一个单芯片内(即片上系统),这就相应的要求微电子封装具有更高的性能、更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸或更大的芯片、受命晚大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。芯片尺寸的增大要求封装内腔扩大;片频率的提高(每年平均提高约18%)要求封装电性能不断改善,否则器件的最高工作频率将受限于封装;单片功
12、耗的增大要求封装散热性能提高;电源电压的不断减小,要求引线承受电流的能力提高或电源引线数增加.为了提高整机的封装密度,适应整机小型化的需要,封装的高度也在不断降低。总之微电子技术的不断发展和整机市场的强烈需求,正在促使微电子封装数量和产值不断提高,技术不断发展。1.2.2 微电子技术的专业用语微电子技术的专业用语 一、晶圆(晶片,wafer):多指单晶硅圆片,由普通硅沙拉制提炼而成,是最常用的半导体材料,按其直径一般分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格,近来的趋势要向18英寸规格发展。现在也有用毫米(mm)来说它的规格的,那么12英寸差不多是300mm。硅圆片越大,同一硅圆片上可生产的I
13、C就多,可降低成本,硅圆片直径越大,其经济性能就越优越。但对材料技术和生产技术要求更高。我国与国外技术之相差约为2-3代。芯片密度从SSI发展到ULSI的进步推动了更大尺寸芯片的开发。分立器件和SSI芯片边长平均约为100mils(0.1英寸),而ULSI芯片每边长为500mils(0.5英寸)或更大。IC是在称为晶圆(的薄硅片上制造成的。在圆形的晶上制造方形或长方形的芯片导致在晶圆的边缘处剩余下一些不可使用的区域,当芯片的尺寸增大时这些不可使用的区域也随之增大,如下图所示。为了弥补这种损失,半导体业界采用了更大尺寸的晶圆。随着芯片的尺寸增大,1960年时的1英寸直径的晶圆已经被200毫米和3
14、00毫米(8英寸和2英寸)的晶圆所取代。注:1mils=1/1000英寸金属直径的一种量度。相同的直径芯片尺寸完整芯片数量69以下图仅供参考,具体数请记数字1240典型的集成电路晶圆包含100至数百个芯片(也叫做小片,die),如下图所示。这个数字在几十年内或多或少地保持不变,因为单片晶圆上的芯片数目和晶圆尺寸是并行啬的:在100mm晶圆上制备0.2cm确良大小的芯片数目,与在300mm晶圆片上制备0.2cm芯片数目是相同的.在极限情况下,一个芯片占用一个晶圆片,如太阳能电池、半导体闸流、管或们置敏感辅射传感器。每片晶圆片只能制备数个含有5cm长管道的微流体分离器件和含有大曲率半径的光波导器件
15、,对于标准逻辑芯片或微机械压力传感器,一片晶圆片则可制备数千个芯片。2测试芯片用墨点标注的芯片(随机和无功能的芯片)光刻对准标记用墨点标注的芯片(边缘芯片和无功能的芯片)分离芯片的划片线边缘芯片(100mm直径晶圆片留6mm)硅圆片的规格硅圆片的规格直径小于150MM的圆片,要在晶锭的整个长度上沿一定的晶向磨出平边,以指示晶向和掺杂类型:直径更大的圆片,在边缘磨出缺口。如下图所示:二、集成电路二、集成电路(IC)集成电路:半导体晶片经过平面工艺加工制造成元件、器件和互连线、并集成在基片表面、内部或之上的微小型化电路或系统。通常所说的“芯片”是指封装好的集成电路。如果不能生产芯片,就好像我们盖房
16、子的水平已经不错了,但是,盖房子所用的砖瓦还不能生产一样,要命的是,这个“砖瓦”还很贵。一般来说,“芯片”成本最能影响电子产品整机的成本。三、三、光刻光刻光刻:指用光技术在晶圆上刻蚀电路,IC生产的主要工艺手段。四、四、前道工序前道工序前工序:IC制造过程中,硅锭切片、晶圆光刻的工艺(即所谓流片)被称为前工序,这是IC制造的最要害技术。五、后道工序五、后道工序后工序:晶圆流片后,其切割(划片)、封装等工序被称为后工序。六、线宽六、线宽线宽:是指IC生产工艺可达到的最小导线宽度。线宽是IC工艺先进水平的主要指标,线宽越小,集成度就高,在同一面积上就集成更多电路单元。其标准有早期地4000纳米、1
17、000纳米、600纳米;现在的350纳米、250纳米、150纳米、130纳米等等。实际2001年投入使用了130纳米生产工艺,2003年已投入使用90纳米生产工艺,2005年将投入使用65纳米生产工艺,有人预计45纳米生产工艺将于2007年投入使用。七、七、摩尔定律摩尔定律摩尔定律:芯片中的晶体管数量每隔18个月将会翻一番。年他又提出修正说,芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。英特尔公司创始人戈登摩(GordonMoore)提出,年月,当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在电子学杂志上发表文章预言,半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的个月延长到如
18、今的近个月,但“摩尔定律”依然有效。过去40年里,摩尔定律在芯片的设计发展中一直是正确的,其结果完全符合摩尔先生的预测。当时,最复杂的计算机芯片中仅有64个晶体管,后来奔腾III处理器中,晶体管的数量已达2800万个。目前最先进的集成电路已含有亿个晶体管。人们经常讨论摩尔定律的适用期限,但是已经证明:即使晨很短的时间,最新的关于IC按比例缩小的预测是不准确的:在1994年,预测0.1um工艺会在2007年用到。能用1。2V电压在1GHz频率工作的有3.5亿个晶体管的微处理芯片在日期上是有误的,晶体管数目太大对速度非常不利。在1983年有人预测:在新千年末会出现16MB的DRAM,但实际上256
19、MB的DRAM都已经可用了。在1980年左右,曾有预言:光刻线宽不能小于是um。在1989年,曾有预测:到1997年光刻技术就将走到心头。更为普遍的观点是:光刻技术将会在未来的十年走到尽头。同样的预测即使在今天也仍然存在。在1989年,同样认为从1993年起作为栅氧化层的二氧化硅会被高k值的电介质所替代,但是直到2003年,高k值的电介质仍处在研发之中。在1984年,长期的预测是:2007年的线宽的预测为0.1um(乐观的情况)和0。5um(悲观的情况)。八、八、洁净度洁净度洁净度:就是指集成电路工艺车间要控制的空气净化程度。净化间的分级:净化间是根据一立方英尺里允许含有的直径为大于等于0.5
20、m的粒子数的个数来分级的。通常分为1级到100000级。比如一个1000级的净化间就是允许1立方英尺中含有1000个直径大于或等于0.5m大小的粒子数。集成电路的生产间要求1级到1000级。0.1um0.2um0.3um0.5um1um5umISO等级1102ISO等级210024104ISO等级31000237102358ISO等级4100002370102035283ISO等级51000002370010200352083229ISO标准空气粒子净化等级(/m)3因此确定净化室等级的正确方式为:X等级(粒子尺寸为Yum)九、引脚数九、引脚数引脚数:芯片封装时输入输出端子(IO)数。也是集成
21、电路的重要指标,20世纪60年代为几个几十个;70年代初为几百个;80年代超出1000个;到了1999年为2000个,2003年已达到3000个的水平。(目前可估算芯片价格为1.052.05美分/引脚)引脚123引脚数十、引脚截距十、引脚截距引脚截距:芯片每个引脚之间的距离。芯片封装时引脚之间的距离。距离越小加工难度越大,而且才能增加引脚的数目,但截距不能太小,还有相互间电压的问题。20世纪80年代已达到0.3mm的截距。引脚截距1.2.3 集成电路芯片设计目的集成电路芯片设计目的目的:产生制作芯片的模板,即将原理图上的元器件转变为光刻工艺所需要的模板。常用的元器件、电路单元已经形成标准的元件
22、库,不需要重新设计,可以直接从库中调用,然后进行元件之间的互连。集成规摸英文缩写晶体管数系统功能小规模SSI140单电路功能中规模MSI40400功能网络大规模LSI4004500计算器或数字手表超大规模VLSI4500300000微处理器特大规模ULSI超过300000单芯片小型计算机巨大规模GSI10亿超级计算机集成电路的分类集成电路的分类1.2.4 集成电路的分类集成电路的分类1.2.5 芯片制造的主要工艺芯片制造的主要工艺。熔融硅硅锭硅锭圆片硅圆片的生长圆面的切片和磨光划片封装与测试氧化、扩散、注入、蒸发、沉积刻蚀针测图形转移掩膜1.2.6 半导体集成电路的特点半导体集成电路的特点优点
23、:集成度高、可靠性好生产效率高成本低、适合于大批量生产缺点:很难制造出精度高、稳定性好、参数范围宽的无源器件不同类型、性能差异大的元器件难以集成到同一衬底上制造大功率、大电流、耐高压的器件很困难设计工艺长、工艺设备复杂、投资大。我国集成电路芯片生产线新建、在建、拟建、项目我国集成电路芯片生产线新建、在建、拟建、项目序号企业名称规模及技术水平投资总额(亿美)建设地点1中芯国际0.25微米、8英寸,4.2万片/月14上海2摩托罗拉(中国)0.25微米、8英寸,3万片/月10天津3杭州士兰0.5微米、6英寸,1万片/月0.2杭州4上海新进1-2微米、6英寸,1万片/月0.2上海5和舰科技0.25微米
24、、8英寸,6万片/月10苏州投资额小计34.4在建项目在建项目1上海宏力0.25微米、8英寸,4万片/月16.4上海2上海贝岭0.25微米、8英寸,2万片/月1.5上海3北京中芯环球0.25微米、8英寸,3.8万片/月12.5北京4深圳深超0.25微米、8英寸,2万片/月5.4深圳5乐山菲尼克斯0.5微米、6英寸2.3乐山6中纬积体0.5微米、6英寸2.2宁波投资额小计40.3筹建项目筹建项目1上海新进0.25微米、8英寸,3万片/月6.6上海2上海松江0.25微米、8英寸,3万片/月10上海3北京首钢0.25微米、8英寸,2万片/月8北京4深圳先科纳米0.25微米、8英寸,4万片/月9深圳5
25、南科集成0.25微米、8英寸10珠海6元泰集团0.5微米、6英寸2.7湖州7柏玛微电子8英寸1常州投资额小计47.3投资额合计122.25(1)丝网印刷机通过丝网将焊料涂放在焊盘 上;(2)使用布局机器将电子器件安装到焊盘上;(3)熔化焊料并回流,将电子器件和焊盘焊 接在一起;(4)测试和检查PWB。接下来安装集成芯片,最后的到电器连接和器件安装好的电路板。连续流水线制造连续流水线制造指的是工艺过程中不包括组装其他分立器件,制造中通过化学或物理方法改变连接部分粘接前后的状态属性来实现不同器件的焊接。一个典型的例子就是在安装芯片之前制成的印刷线路板,工艺的输入包括基板和原材料(金属、聚合物和焊料
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