封装可靠性测试概述.ppt

《微电子封装》ppt课件
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目录
微电子封装概述微电子封装技术微电子封装材料微电子封装工艺流程微电子封装的应用与发展趋势
CHAPTER
微电子封装概述
01
微电子封装是指将微电子器件与外部电路连接，实现信号传输和保护的功能。
定义
微型化、高密度集成、高可靠性、低成本等。
特点
微电子封装技术经历了从传统封装到现代封装的演变，不断向着微型化、高密度集成方向发展。
03
02
01
引线键合技术是指通过金属引线将芯片与基板连接起来的一种封装技术。
定义
根据引线材料的不同，可分为金丝球焊和铝丝压焊两类。
分类
在高端电子产品中应用较多，如航空航天、医疗设备等。
应用
分类
根据塑封材料的不同，可分为热塑性塑封和热固性塑封两类。
定义
塑封技术是指将芯片、引线、基板等封装材料用塑料材料封装起来的一种封装技术。
定义
根据金属材料的不同，可分为铜壳封装和铁壳封装两类。
分类
在特殊环境下应用较多，如军事、航天等。
应用
CHAPTER
微电子封装材料
03
塑封料是微电子封装中常用的材料之一，主要用于对芯片进行封装和保护。
塑封料的主要成分是环氧树脂和填料，其中环氧树脂提供良好的粘附性和耐热性，填料则可以改善塑封料的机械性能和降低成本。
塑封料应具有良好的绝缘性、耐热性、耐腐蚀性和优良的机械性能。
塑封料的选择应考虑其可靠性、成本和加工性能等因素。
陶瓷材料在微电子封装中主要用于制作高可靠性的封装外壳和连接器。
常用的陶瓷材料有96%氧化铝、4%玻璃陶瓷、低介电常数陶瓷和高温共烧陶瓷等。

汽车电子
汽车电子是半导体封装的另一个应用领域，包括发动机控制、车身控制、安全系统等。在这些领域中，半导体封装用于实现 汽车电子系统的智能化和可靠性。
具体来说，在发动机控制中，半导体封装用于实现燃油喷射、点火控制等功能。在车身控制中，半导体封装用于实现车窗升 降、座椅调节等功能。在安全系统中，半导体封装用于实现安全气囊、ABS等系统的控制和监测。
计算机硬件
计算机硬件是半导体封装的另一个重要应用领域，包括中央 处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、内存等。在这些领 域中，半导体封装用于实现数据处理、存储和传输，提高计 算机的性能和稳定性。
具体来说，在中央处理器中，半导体封装用于实现逻辑运算 和数据处理。在图形处理器中，半导体封装用于实现图像处 理和渲染。在内存中，半导体封装用于实现数据的存储和读 取。
05
半导体封装面临的挑战与解决方案
技术创新与研发
总结词
通过不断的技术创新与研发，提高半导体封装的性能和可靠性，满足不断变化的市场需 求。
详细描述
随着科技的不断发展，半导体封装面临着越来越多的挑战，如小型化、轻量化、高可靠 性等。为了应对这些挑战，企业需要不断进行技术创新和研发，探索新的封装材料、工 艺和设备，提高封装的性能和可靠性。同时，还需要加强与科研机构和高校的合作，共
绿色环保
总结词
随着社会对环保问题的日益关注，半导体封装也正朝着绿色环保的方向发展。
详细描述
绿色环保的半导体封装采用环保的材料和工艺，减少对环境的污染和资源消耗。 同时，废弃的封装材料可以进行回收和再利用，降低对自然资源的依赖和浪费。 这种绿色环保的封装方式有助于推动可持续发展和环境保护。
04
半导体封装应用领域
加强产业链合作与协同发展

物理结构分析
光学显微镜（OM）、扫描S电EM子显微镜（SEM）、透射电 子显微镜（TEM）、扫描探针显微镜（SPM）
元素分析技术
X射线能量色散谱（EDX）、X射线荧光光谱（XRF）、 X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、二 次离子质谱（SIMS）
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西 南 科 技 大 学， 材 料 科 学 与 工 程 学 院
磁辐射 产品的失效机制：热机械：疲劳、蠕变；化学：
腐蚀、应力侵蚀；物理：扩散、分层、电迁移
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西 南 科 技 大 学， 材 料 科 学 与 工 程 学 院
失效分布和“浴盆式”曲线
早期失效：与材料/工艺缺陷有 关，用热老化筛除
本征失效：应力作用下的随即 失效，包括腐蚀/杂质扩散/晶体 枝状生长/热电迁移/循环疲劳等， 减小此阶段的失效是首要目标
功能失效 EOS、ESD、Latch-up
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西 南 科 技 大 学， 材 料 科 学 与 工 程 学 院
微电子封装的失效及其可靠性
可靠性：给定时间内器件正常工作的概率 可靠性关注：制造或使用过程中由热、机械、物
化环境造成的失效 电子系统的复杂性：多层薄基板、窄引线、微焊
接、微米尺寸组件数量增多 使用环境苛刻：极端温度、耐潮、耐腐蚀和防电
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西 南 科 技 大 学， 材 料 科 学 与 工 程 学 院
失效模式与失效机理的对应关系
失效模式
主要失效机理
开路
EOS、ESD、电迁移、应力迁移、腐蚀、键合 点脱落、紫斑、机械应力、热变应力
短路（漏电）pn结缺陷、pn结穿钉、EOS、介质击穿、水 汽、金属迁移、界面态、离子导电
参漂
氧化层电荷、Na离子沾污、表面离子、芯片裂 纹、热载流子、辐射损伤

第四，可靠性：任何封装都需要形成一定的可靠性，这是 整个封装工艺中最重要的衡量指标。原始的芯片离开特定的生 存环境后就会损毁，需要封装。芯片的工作寿命，主要决于对 封装材料和封装工艺的选择。
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半导体封装流程
Customer 客户
IC Design IC设计
SMT IC组装
Wafer Fab 晶圆制造
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半导体封装流程
第一，保护：半导体芯片的生产车间都有非常严格的生产 条件控制，恒定的温度（230±3℃）、恒定的湿度（50±10% ）、严格的空气尘埃颗粒度控制（一般介于1K到10K）及严格 的静电保护措施，裸露的装芯片只有在这种严格的环境控制下 才不会失效。但是，我们所生活的周围环境完全不可能具备这 种条件，低温可能会有-40℃、高温可能会有60℃、湿度可能 达到100%，如果是汽车产品，其工作温度可能高达120℃以上 ，为了要保护芯片，所以我们需要封装。
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半导体封装流程
【Lead Frame】引线框架
➢提供电路连接和Die的固定作用； ➢主要材料为铜，会在上面进行镀银、
NiPdAu等材料； ➢L/F的制程有Etch和Stamp两种； ➢易氧化，存放于氮气柜中，湿度小 于40%RH; ➢除了BGA和CSP外，其他Package都会采用Lead Frame，
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半导体封装流程
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半导体封装流程
一、概念
半导体芯片封装是指利用膜技术及细微加工 技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布局、 粘贴固定及连接，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。此 概念为狭义的封装定义。更广义的封装是指封装 工程，将封装体与基板连接固定，装配成完整的 系统或电子设备，并确保整个系统综合性能的工 程。将前面的两个定义结合起来构成广义的封装 概念。

时发生熔化），安置到PCB载体的底部。 ❖ 焊料球的尺寸约为1mm,节距为1.27~2.54mm。
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PBGA示意图
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14
PBGA的主要优点
❖ 成本低，易加工； ❖ 缺陷低； ❖ 装配到PCB上质量高。
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2.陶瓷球栅阵列 CBGA工艺
❖ CBGA载体用材料：陶瓷多层载体； ❖ 芯片连接到陶瓷载体上表面； ❖ 采用90Pb/10Sn焊料球（300℃时发生熔化），以
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6
BGA定义：
➢ BGA(Ball Grid Array）球栅阵列，它是在基 板的背面按阵列方式制作出球形凸点用以代 替引脚，在基板的正面装配IC芯片，是多引 脚LSI芯片封装用的一种表面贴装型技术。
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BGA可以使芯片做的更小
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8
BGA的特点主要有：
❖ (1)I/O引线间距大(如1.27毫米)，可容纳的I/O数目 大 ；例如，引脚中心距为1.5mm的360引脚BGA仅 为31mm见方；而引脚中心距为0.5mm的QFP 280 引脚，边长为32mm.
22
13.2 CSP技术
❖ BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难。但 它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、 更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成 技术发展和对进一步提高封装效率和进一步接近芯 片本征传输速率的要求，所以更新的封装CSP(Chip Size Package．芯片尺寸封装)又出现了。
❖ 倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的 金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后 的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接 的芯片电气面朝上，而倒装芯片的电气面朝下，相 当于将 前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。在 圆片（Wafer） 上芯片植完球后，需要将其翻转， 送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而 被称为“倒装芯片”。

案例三：CSP封装技术在汽车电子中的应用
总结词
CSP封装技术为汽车电子带来了更高的可靠性和安全性，提高了汽车的整体性能。
详细描述
汽车电子系统需要具备高可靠性和安全性，以确保汽车的正常运行和乘客的安全。CSP封装技术能够将多个芯片 集成在一个小型封装内，减小了体积和重量，同时提高了芯片组的可靠性和安全性，为汽车电子系统的发展提供 了有力支持。
和信号损失。
PART 03
CSP封装技术的优势与挑 战
CSP封装技术的优势
高集成度
CSP封装技术可以实现更高的 芯片集成度，从而减小了产品
体积，提高了便携性。
低功耗
CSP封装技术能够降低芯片的 功耗，从而提高设备的续航能 力。
高可靠性
CSP封装技术具有较高的可靠 性，能够保证芯片在各种环境 下的稳定运行。
热稳定性好
可靠性高
CSP封装技术采用的封装材料具有良好的导 热性能，可以有效地将芯片产生的热量传 导出去，提高了电子产品的热稳定性。
CSP封装技术采用的封装材料和工艺具有良 好的耐候性和耐久性，可以保证电子产品 的长期稳定性和可靠性。
CSP封装技术的应用领域
移动通信
医疗电子
CSP封装技术广泛应用于手机、平板 电脑等移动通信设备中，可以大大减 小设备的体积和重量，提高设备的性 能和可靠性。
02
它是一种不同于传统封装技术的 新型封装形式，其特点是封装尺 寸小、集成度高、重量轻、热稳 定性好等。
CSP封装技术的特点
小型化
集成度高
CSP封装技术的尺寸非常小，可以大大减小 电子产品的体积和重量，有利于实现便携 式和轻薄化设计。
CSP封装技术可以实现多个芯片的集成，提 高了电路的集成度和性能，同时减小了电 路板面积和布线长度，降低了成本。

寿命测试是通过加速老化试验等方法 评估微系统封装的寿命，预测其在不 同使用条件下的可靠性表现。
04
微系统封装的应用
通信领域
通信设备小型化
微系统封装技术可以使通信设备体积更小，便于 携带和移动。
高速信号传输
通过微系统封装技术，可以实现高速、高带宽的 信号传输，满足现代通信的需求。
降低能耗
通过优化微系统封装设计，可以降低通信设备的 能耗，延长设备的使用时间。
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THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
微系统封装的发展趋势与挑战
要点一
要点二
要点三
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材料科学与工程
向
可靠性评价解析技术
制造、生产装置动向
1.3.4 电子封装工程的各个方面
功能部件
LSI
回路部件
搭载元器件
布线基板
封装关键技术 键合
布线
连接
散热 冷却
保护
目的 难易程度
需考虑的问题
使各种元器件、功能部件相组合形成功能电路
依据电路结构、性能要求、封装类型而异
苛刻的工程条件（温度、湿度、振动、冲击、放射性等）
集成电路封装与测试
主讲：杨伟光
课程大纲
基础部分 材料部分 基板部分 封装部分
测试部分
第一章 集成电路芯片封装概述 第二章 封装工艺流程 第三章 厚/薄膜技术 第四章 焊接材料 第五章 印刷电路板 第六章 元器件与电路板的结合 第七章 封胶材料与技术 第八章 陶瓷封装 第九章 塑料封装 第十章 气密性封装 第十一章 先进封装技术 第十二章 封装可靠性以及缺陷分析
1957年，诺伊斯(Robort Noyce)成立了仙童 半导体公司，成为硅谷的第一家专门研制硅
晶体管的公司。 1959年2月，基尔比申请了专利。不久，得 克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比 火柴头还小的半导体固体 电路。诺伊斯虽然 此前已制造出半导体硅片集成电路，但直到 1959年7月才申请专利，比基尔比晚了半年。 法庭后来裁决，集成电路的发明专利属于基 尔比，而 有关集成电路的内部连接技术专利 权属于诺伊斯。两人都因此成为微电子学的
实用 化
1947年 晶体管 的诞生
58年 IC出 现
61年二 者市场占 有率相等
多层
PCB 板
75年二者相同
积层式 多层板
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

UESTC-Ning Ning
5
集成电路封装测试与可靠性
Wafer Back Grinding process
1. Load and Align
Objective: To load and align the wafer into the wafer cleaning and tape lamination machine. 2. Wafer cleaning
7
集成电路封装测试与可靠性
Wafer Back Grinding Issues and Challenges
Issues
Ease of process –Thin wafer handling from one step to another –Back grinding tape removal –Excessive stresses removal or reduction from the wafer.（应力）
Wire Bonding Technology -- Die Attach Process
2. Pattern Recognition System (PRS)
4. Wash, Rinse, Dry and Unload
Objective: To rinse slurry (silicon dust) before it dries with de-ionized water and CO2. Also to dry wafer by pinning and with clean air, and unload wafer.
UESTC-Ning Ning
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刀刃
集成电路封装测试与可靠性
切割设备示意图
晶圆

详细描述
静电放电
半导体封装工艺发展趋势和挑战
05
将多个芯片集成到一个封装内，提高封装内的功能密度。
集成化封装
利用硅通孔（TSV）等先进技术实现芯片间的三维互连，提高封装性能。
2.5D封装技术
将多个芯片通过上下堆叠方式实现三维集成，提高封装体积利用率和信号传输速度。
3D封装技术
技术创新与发展趋势
详细描述
金属封装是将半导体芯片放置在金属基板的中心位置，然后通过引线将芯片与基板连接起来，最后对整个封装体进行密封。由于其高可靠性、高导热性等特点，金属封装被广泛应用于功率器件、高温环境等领域。
金属封装
总结词
低成本、易于集成
详细描述
塑料封装是将半导体芯片放置在塑料基板的中心位置，然后通过引线将芯片与基板连接起来，最后对整个封装体进行密封。由于其低成本、易于集成等特点，塑料封装被广泛应用于民用电子产品等领域。
半导体封装工艺中常见问题及解决方案
04
VS
机械损伤是半导体封装工艺中常见的问题之一，由于封装过程中使用到的材料和结构的脆弱性，机械损伤往往会导致封装失效。
详细描述
机械损伤包括划伤、裂纹、弯曲、断裂等情况，这些损伤会影响半导体的性能和可靠性，甚至会导致产品失效。针对这些问题，可以采取一系列预防措施，如使用保护膜保护芯片、优化封装结构、控制操作力度和避免不必要的搬动等。
腐蚀和氧化
静电放电是半导体封装工艺中常见的问题之一，由于静电的存在，会导致半导体器件的损伤或破坏。
总结词
静电放电是指由于静电积累而产生的放电现象，它会对半导体器件造成严重的危害，如电路短路、器件损坏等。为了解决这个问题，可以在工艺过程中采取一系列防静电措施，如接地、使用防静电设备和材料、进行静电测试等。同时，还可以在设计和制造阶段采取措施，如增加半导体器件的静电耐受性、优化电路设计等。

Байду номын сангаас
MEMS可靠性测试
• 可靠性测试规范
(1)贴片工艺测试 (2)引线键合工艺测试 (3)封盖工艺测试 (4)MEMS封装可靠性筛选试验 (5)MEMS封装可靠性寿命试验
MEMS系统展望
• 目前的MEMS封装技术大多来自集成电路封装技 术，但是由于MEMS器件的特殊性，特殊的信号 界面、外壳要求、三维结构和可靠性要求等决定 了MEMS封装的难点所在，需要重点研究。由于 MEMS封装已经引起人们的重视，研究低成本高 性能的封装方法已经成为MEMS领域一个重要的 课题。
倒装芯片结构示意图
MEMS封装技术分类
• 近密封封装技术------通过使用某些特定的封装材料 来实现一定密封级别的同时为MEMS器件提供活动 空间或者光学通道的一种封装技术，采用的封装材 料大多是热固塑脂类环氧基聚合物或者热塑性塑料 系列材料等高分子材料 • 模块式MEMS封装设计------为MEMS设计提供一些 模块式的外部接口，从而使MEMS器件能使用统一 的标准化的封装批量生产，进而降低MEMS器件的 生产成本，缩短产品生产周期
THE
END
MEMS封装应满足的要求
• 应力：在MEMS器件中，微米或微纳米尺度的零部 件其精度高但十分脆弱，因此，MEMS封装应对器 件产生最小的应力
• 高真空：可动部件在真空中，就可以减小摩擦，达 到长期可靠工作的目标； • 高气密性：一些MEMS器件，如微陀螺必须在稳定 的气密条件下才能可靠长期地工作，有的MEMS封 装气密性要达到1×10-12 Pa m 3 / s
MEMS封装技术
SA11009042 卢钰
微机电系统 MEMS
• 微机电系统是指包括微传感器、微致动器(也称微执 行器)、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子 集成线路组成的微机电器件或装置，也可称为微机 械系统。

芯片尺寸真正减小至IC芯片尺寸 将芯片封装与制造融为一体
薄膜再分布：通过薄膜技术将沿芯片周边分布的焊区转 换为芯片表面上阵列分布的凸点焊区。
薄膜再分布技术
钝化的圆片表面涂覆首层BCB 光刻老焊区
淀积金属薄膜制备金属导线连接焊区 溅射淀积、光刻UBM层
二次涂覆BCB 光刻新焊区窗口 电镀或印刷焊料合金 再流形成焊料凸点 WLP测
焊前检测-三角激光测量法：是否有脱落及尺寸一致性 焊后检测-X射线检测法:对位误差和桥连等焊接缺陷
2、BGA返修工艺流程
3、CSP概念及分类
CSP技术应用现状
CSP封装具有轻、薄、短、小的特点，在便携 式、低I/O数和低功率产品中的应用广泛，主要用 于闪存（Flash Card ）、RAM、DRAM存储器 等产品中。
用于裸芯片连接在基板上的FCT称为FCB，采用FC互 连技术的芯片封装型式称为FCP。
倒装芯片技术的特点
➢ FC采用阵列凸点结构，互连长度更短，互连 电性能较之WB和TAB得到明显改善； ➢ FC将焊料凸点转移至芯片下面，具有更高的 I/O引脚数； ➢ FC组装工艺与BGA类似，关键在于芯片凸点 的对位，凸点越小、间距越密，对位越困难。 ➢ 芯片产生的热量可通过凸点直接传给封装基 板，且裸芯片上面可外加散热器。
目前，超过100家公司开发CSP产品：Amkor、 Tessera、Chip-scale、Sharp等，市场潜力巨 大。
ROM与RAM
ROM—只读内存Read-Only Memory，一种只能读出 事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资 料就无法再将之改变或删除。
RAM -Random Access Memory 随机存储器。存储 单元内容可按需随意取出或存入，且存取速度与存储单 元位置无关。在断电时将丢失其存储内容，故主要用于 存储短时间使用的程序。 按照存储信息的不同，随机存 储器又分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM)和动 态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。