集成电路封装基础知识

集成电路封装基础知识教材集成电路封装基础知识第一章集成电路的概述第一■节序言第二节集成电路的产生第三节集成电路的定义第四节集成电路的前道和后道的定义第五节集成电路的分类第二章集成电路的构成第一节集成电路的主要构成第二节各组成部分的作用第三章集成电路的封装类型第一节国外集成电路的封装类型第二节国内集成电路的命名第三节本公司内部的集成电路的封装类型第四节集成电路未来发展的趋势第四章集成电路的一脚(INDEX)识别第一节集成电路的一脚构成第二节集成电路的一脚识别第五章集成电路封装的主要材料第一节集成电路的主要原材料第二节各原材料的组成、保管、主要参数第六章集成电路封装工艺流程第一节集成电路封装的主要工艺流程第二节集成电路封装的详细工艺流程第三节封装中工艺流程的变化第七章集成电路封装设备的主要结构第一节封装设备的通用结构第二节设备各部分的作用第三节各工序各部分的结构不同第四节设备操作面板上常用英文和日文单词注释第八章集成电路封装设备的主要控制原理第一节PLC的概念第二节PLC的控制原理第三节设备的控制原理第九章集成电路封装中的常用单位换算第一节长度单位换算表第二节质量单位换算表第三节体积和容积单位换算表第四节力单位换算表第五节力矩和转矩单位换算表第六节压力和应力单位换算表第七节密度单位换算表第一节序言从本世纪50年代末开始，经历了半个多世纪的无线电电子技术正酝酿着一场新的革命.这场革命掀起的缘由是微电子学和微电子技术的兴起•而这场革命的旋涡中心则是集成电路和以其为基础的微型电子计算机.集成电路的问世，开辟了电子技术发展的新天地，而其后大规模和超大规模集成电路的出现，则迎来了世界新技术革命的曙光•由于集成电路的兴起和发展，创造了在一块小指甲般大小的硅片上集中数千万个晶体管的奇迹；使过去占住整幢大楼的复杂电子设备缩小到能放入人们的口袋，从而为人类社会迈向电子化，自动化,智能化和信息化奠定了最重要的物质基础•无怪乎有人将集成电路和微电子技术的兴起看成是跟火和蒸汽机的发明具有同等重要意义的大事1 •集成电路的产生5•集成电路的分类：TTL集成电路；（定义）集成运算放大器；COMS集成电路；接口集成电路； ECL集成电路；集成稳压器与非线性模拟集成电路微型计算机集成电路；HTL集成电路.2•集成电路的构成:.集成电路的封装类型1. 国外集成电路封装类型的命名及分类SIP ---------------------------------------------- (SINGLE IN -INE PACKAGE) ZIP ---------------------------------------- (ZIG-ZAG IN-LINE PACKAGE)DIP-------------------------------------------- (DUAL IN-LINE PACKAGE) SHDIP -------------------------- (SHRINK DUAL IN-LINE PACKAGE)WDIP ------------------ (WINDOW TYPE DUAL IN-LINE PACKAGE)PGA -------------------------------------- (PIN GRID ALLEY PACKAGE)SVP---------------------------------- (SURFACE VERTICAL PACKAGE) SOP ----------------------- (SMALL OUTLINE L-LEADED PACGAGE) TSOP1 ------------ (THIN SMALL OUTLINE L-LEADED PACKAGE)LSSOP -------------------------------------- (LOW PRO SMALL OUTLINE PACKAGE)TSSOP -------------------------------------- (THIN PRO SMALL OUTLINE PACKAGE)UTSOP ------------------------------------ (ULTRA THIN SMALL OUTLINE L-LEADED PACKAGE)QFP ------------------------------------------------------------------ (QUAD FLAT L-LEADED PACKAGE)LQFP -------------------------------------------- (LOW PRO FLAT L-LEADED PACKAGE)TQFP --------------------------------------------------------- (THIN QUAD FLAT L-LEADED PACKAGE)UTQFP ------------------------------------------ (ULTRA THIN QUAD FLAT L-LEADED PACKAGE)HQFP -------------------------------------------------------------------------------- (QFP WITH HEAT SINK)TPQFP ------------------------------------------------- (TEST PAD QUAD FLAT L-LEADED PACKAGE)SON ---------------------------------------------------- (SMALL OUTLINE NON-LEADED PACKAGE)QFN ----------------------------------------------------------- (QUAD FLAT NON-LEADED PACKAGE)SOJ ----------------------------------------------------------- (SMALL OUTLINE J-LEADED PACKAGE)QFJ ------------------------------------------------------------------- (QUAD FLAT J-LEADED PACKAGE)BGA ------------------------------------------------------------------------------------ (BALL GRID ARRAY)SPGA ------------------------------------------------------------- (SHRINK PIN GRID ALLEY PACKAGE)LGA ------------------------------------------------------------------------ (LEAD GRID ALLEY PACKAGE)DTP ------------------------------------------------------------------- (DUAL TAPE CARRIER PACKAGE)QTP ------------------------------------------------------------------- (QUAD TAPE CARRIER PACKAGE)SIMM ------------------------------------------------------------- (SINGLE INLINE MEMORY MODULE)DIMM ---------------------------------------------------------------- (DUAL INLINE MEMORY MODULE)SOCKET TYPE3. 国内外封装名称对照：SIP ----------- S INGLE IN LINE PACKAGE ------------------ 单列封装SIPT --------- S INGLE IN LINE PACKAGE WITH TAB----- 带散热片的单列封装DIP ----------- D UAL IN LINE PACKAGE ----------------------- 双列封装DIPT --------- D UAL IN LINE PACKAGE WITH TAB -------- 带散热片的双列封装SDIP --------- S HRINK DUAL IN LINE PACKAGE ----------- 纵向收缩型双列封装2. 国内集成电路的名称和代号：玻璃陶瓷扁平封装 W 陶瓷四面引线扁平封装 Q 塑料双列弯引线封装O 陶瓷熔封扁平封装 H 塑料双列封装 P 陶瓷熔封双列封装 J 金属菱形封装 K 塑料片式载体封装 E 陶瓷扁平封装 F 塑料扁平封装 B 塑料四面引线扁平封装 N 陶瓷双列封装 D 塑料单列封装 S 金属圆形封装 T 陶瓷无引线片式载体封装 --------------- C陶瓷针栅阵列封装 ---------------------- GSWDIP ----- SKINNY DIP OR SHRINK WIDTH DUAL IN LINE PACKAGE----------- 横向收缩型双列封装QIP ---------- QUAD IN LINE PACKAGE ----------------------- 四列封装ZIP ----------- ZIGZAG IN LINE PACKAGE -------------------- 引线交叉排列封装CERDIP ——CERAMIC DUAL IIN LINE PACKAGE ------- 陶瓷熔封双列式封装CDIP -------- CERAMIC DUAL IN LINE PACKAGE （SIDE BRAZED ）----------- 陶瓷双列式封装（通常指侧面钎焊的）PGA --------- PIN GRID ARRAY --------------------------------- 针栅阵列封装SOP --------- SMALL OUT LINE PACKAGE ------------------ 微型封装（两面出腿）SOJ --------- SMALL OUTLINE PACKAGE WITH J LEAD----J 形弓 I 线微型封装PLCC -------- PLASTIC LEADED CHIP CARRIER ----------- CLCC/LCC--CERAMIC LEADLESS CHIP CAEEIER ------ 陶瓷片式载体 QFP --------- QUAD FLAT PACKGE ---------------------------- 四面引线扁平封装 薄的微型封装（两面出腿）塑封有引线的片式封装TSOP ------- THIN SMALL OUTLINE PACKAGE ------------4.本公司内现有的封装类型SIP、SIPTDIP、DIPT、SDIP、SKDIPDIP24、DIP28、DIPT14、SDIP42、SDIP52、SDIP64、SKDIP22、SKDIP24SOP8、SOP14 SOP16 SOP20、SOP24 SOP28 SOL8SOJ26QFP48、QFP64、QFP80、QFP100.集成电路的一脚(INDEX)识别印记正对人的位置，产品最左下角的起脚为一脚，然后按逆时针方向旋转，以次列数.DIP8、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20、 SOP 、SOL SOJQFP5.本公司内现有的圭寸装品种.集成电路封装的主要材料1. 引线框架：LEAD FRAME（IC的载体，连接芯片和PCB板）（框架的一脚标记与芯片的一脚在装片时，要保持一致）2•银浆Ag:用以粘接芯片和L/F的PAD.3. 金丝：用以连接芯片和L/F.4. 树脂（塑封料）：用以包封以键合好的半成品，以达到保护芯片的目的5. 油墨：用以标识集成电路.四.集成电路封装工艺流程1. 主要工艺流程:（磨片）-----划片-----装片-----键合——塑封——去飞边——电镀-----打印-----切筋打弯-------- 外观-----（测试）----包装2. 工艺流程的细化:贴片----磨片----贴片----划片----超声清洗----UV照射----崩片----装片----银浆固化----键合----塑封前烘----塑封----后固化----切筋----去飞边----电镀----打印----油墨固化----成形----外观----测试----包装七.设备的结构和控制原理1. 磨片（减薄）:在使用大直径的硅片制造集成电路芯片时，由于其厚度较大，不能满足划片，装片和键合的工艺要求，因此需要对圆片的背面进行处理和减薄，除去其背面的氧化层，才能保证在装片和键合时有良好的浸润性，并改善装片后芯片与中岛之间的欧姆接触，减小串联附加电阻和提高散热性能.1.）研磨法：是利用大量硬度较大，颗粒较细并具有复杂棱角的磨料，在外力的推动下对被加工表面进行磨削作用的一种机械加工方法•研磨料：可采用天然或人造金刚砂,如a -AL2O3；a -SiC 磨料与水的比例为：1:52. ）磨削法:是将机械平面磨削方法应用到半导体器件的加工中.磨削圆片时，砂轮和转盘各自以相反方向旋转,借助于它们的相对运动将圆片磨削减薄.（例:MPS2R30C减薄机）结构:由磨头,转盘（吸盘），磨头垂直和水平进给机构和冷却装置等部分组成.2. 划片：把已制有电路图形的集成电路圆片切割分离成具有单个图形（单元功能）的芯片，常用的方法有金刚刀划片，砂轮划片和激光划片等几种.而我们通常使用的是砂轮划片.砂轮划片机的砂轮转速为30000r/min左右,切割速度通常在50-150mm/min之间.圆片的固定方法是采用真空吸盘，并且工作台面是气垫式的，因此可以保证切割深度完全一致.同时利用监视图象或显微镜来进行定位.全自动划片机工艺步骤包括：圆片上料,对准,划片,清洗,烘干,进圆片盒等工步. 划片的切割方法：通常我们采用的是切割留深法.划片的切割方式:A模式（用于非FJ产品） C 模式（用于富士通产品）3. 装片：是把集成电路芯片粘接到引线框架中岛上的指定位置，为丝状引线的连接提供条件的工艺，称之为装片.3.1 装片的方法有：导电胶粘接法，银浆，低温玻璃烧结法和低熔点合金的共晶熔接法等.3.2 导电胶粘接法由于具有工艺简单.成本低,易采用自动化专用设备，同时在胶粘剂中增加一定比例的金属粉粒，以改善胶粘剂的导电和导热性能，有利于改善芯片的散热条件，因此目前广为应用的就是导电胶粘接法.3.3导电胶:是利用高分子有机化合物所制成的胶粘剂，是以环氧树脂为主体并加有银粉或铝粉等金属粉粒，再配置少量的固化剂和溶剂而成，其具体要求是：粘接牢固，固化时间短，在经受一定的温度后仍能保持其固化状态不变，并在固化期间不产生过多的挥发气体而污染芯片和具有较高的导电散热能力.3.4装片机：由承片台，真空吸嘴，芯片传送机构，加热系统，工件传送机构几个主要部分组成. 承片台:主要作用是将已经分离的但仍与塑料薄膜保持粘贴的芯片，连同贴片环进入承片台后，可由步进电机驱动承片台，作X和丫方向的移动，并通过图形识别装置，挑选出合格与合格芯片.对缺角,破裂和注有不合格标志的芯片，将有反馈信号加至步进电机，使承片台迅速移动,不将其剔除不用；而对合格芯片，则也有反馈信号输至步进电机，使承片台移动，将其送入到规定的位置上.真空吸嘴：作用是将到达规定位置的芯片，为了保护芯片不受损伤，采用真空吸力键芯片吸起,并送到引线框架的中岛上进行装片.真空吸嘴分为：平面吸嘴,斜面吸嘴和角锥吸嘴等. 根据材料的不同可分为：金属吸嘴和海绵吸嘴等.芯片的传送机构：通常采用悬臂式结构•主要作用是将由真空吸嘴吸取的芯片直接送到规定位置去进行装片，也可经过中途修正台修正位置后再送到规定位置上•加热系统：由内热式电阻加热，体积小但功率可达150-200W,并附有调温装置和预热设备，但仅限于共晶焊接装片使用.工件传送机构：对于塑料封装引线框架，可根据引线的尺寸来调整其轨道的宽度，并由步进电机按规定程序使之准确就位•4. 键合:将芯片的电极用金丝与引线框架的内引线连接起来，这一工艺过程称之为键合•4.1集成电路的芯片与封装外壳的连接方式可分为：有引线键合结构和无引线键合结构两大类有引线键合结构就是通常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金-金键合,金-铝键合或铝- 铝键合•由于都是在一定压力下进行的焊接，故又称为压焊•4.2目前塑料封装的集成电路通常使用有引线键合的金丝焊接.金丝焊接又分为：热压楔焊,热压球焊,超声热压焊，超声焊.4.3热压焊键合：就是在加热和加压的同时，对其芯片金属化层的压点（一般是铝层）以及外壳或引线框架的外引线引出端头，用金属丝引线（一般是金丝）通过焊接连接起来.由于金属丝和芯片上的铝层同时受热受压，其接触面产生了塑性变形，并破坏了界面的氧化膜，使两者接触面几乎接近原子引力的范围；又因为金丝和焊接层（铝层,镀金层或镀银层）表面存在的不平整现象，加压后其高低不平处相互填充而产生弹性嵌合作用，使两者紧密结合在一起，从而达到键合的目的.键合时，外壳或引线框架应预先加热到310-350 C°,金丝通过陶瓷,碳化钨或碳化钛硬质合金所做成的劈刀，并加热至200C°左右.当金丝由劈刀毛细孔中伸出时，利用氢气或电火花在其端头进行加热，使其熔化成球状，并立即通过50-160g的压力压焊在芯片金属化层的压点上.外焊点则仍采用楔形焊,,即金丝与外壳或引线框架的外引线引出端头实行金-金的热压焊接.4.4超声焊键合：是利用超声波的能量将金属丝（通常是用铝丝）在不加热的情况下，实行内外焊点的键合.其工作原理是由超声波发生器产生的几十千周的（通常为50-60kHz）超声波振荡电能,通过磁致伸缩换能器，在超声频磁场感应下迅速伸缩而产生弹性振动，再经变幅杆传给劈刀，并同时在劈刀上施加一定的压力.劈刀就在这两种力的作用下，带动金属丝在芯片金属层的压点和外壳或引线框架的外引出端头的表面迅速摩擦振动.这样不仅破坏了两者焊接界面的氧化膜，同时也使两者产生塑性变形，使两种纯净的金属面紧密接触，形成牢固的键合.超声焊接的内外焊点都是成楔形的，不需要对芯片和外壳加热，压点是实行铝-铝键合.键合状态主要由以下三个工艺参数所决定的：功率,时间,压力.4.5超声热压焊键合：在热压焊的基础上再加增加超声的能量所实现的键合，称之为超声热压超声热压焊同时具有热压和超声压焊两者的优点，可以降低热压焊的温度(从单纯的热压焊温度---300 C°以上下降至200-260 C°),使一些耐温不高的外壳货基片也能应用金丝作互连•对于引线框架较厚的和带有散热片的塑料封装集成电路，因为它们的散热好，温度梯度大，也可采用超声热压焊•超声热压焊机分为：手动式,半自动式,全自动式.操作步骤:(1)位置复原:确定芯片一金属化层压点为第一个焊接点，并调整其位置，使之置于对位光点之下；11/15(2) 按下开动钮：劈刀降落并进行第一点的焊接.当金球与芯片压点接触时，劈刀端头的内凹面在热能的作用下将金球压成钉头状的焊点，此时超声波发生器同步启动，并产生超声能量，以加速焊接的进行；(3) 劈刀自动提升到一定高度,丝夹张开,使金丝自动送出；(4) 把引线框架外引线一相应的引出端头作为第二焊点，并调整其位置，使之置于对位光点之下，按下开动钮，劈刀降落，以第二点的焊接，并用劈刀端头的外侧把金丝压成楔形的焊点，此时超声波发生器同步启动，并产生超声能量，以加速焊接的进行；(5) 劈刀自动升起时丝夹夹紧金丝，把金丝从楔形焊点的端头拉断，成为一个无丝尾的焊点；(6) 劈刀自动停在复原位置上，丝夹仍然夹紧金丝，电子烧球器产生高压电火花，把金丝端部烧成金球；(7) 丝夹松开，靠金丝的张力把金球升起到劈刀端部，准备进行下一个程序的循环.全自动式金丝球焊机：当对其第一个产品进行光点对位或采用自教程序进行焊接后，则所有的动作程序全部存储在微处理机中，通过自动传输机构，对以后的同类产品进行连续作业作业人员只需用料盒将已经装片的引线框架放到送料台上，并取走已焊接好的产品.如果个别芯片装片位置不当或有其他差错时，则设备上图形识别装置将会自动报警停机，以待作业人员处理.同时，当金丝使用完毕后，设备也会自动给出信号，告诉作业人员添加金丝.图形识别装置的作用：就是对芯片的焊接位置进行寻找和检测，其工作原理是采用相关法技术,即用工业视频摄像机摄取芯片表面的图形，并将摄取图象转换为二进制数码，然后和预先存储的标准的二进制数码图象进行比较.当发现差异时,可由步进电机按给定信号驱动工作台，作X和丫方向的移动，直至对位准确为止.校准范围一般在X= ± 0.2mm,Y= ± 0.2mm 0 =±5°.4.6 球焊劈刀：适用于金丝球焊键合,都是空心管状轴对称型,其端头的锥角有30 ° ,20 ° ,15° ,10° 等.劈刀常用材料有：陶瓷，碳化钨和碳化钛等.由于陶瓷能耐王水(3HCL+HNO3)的腐蚀，当金丝阻塞劈刀通孔而不能取出时，可用王水浸泡而将残存的金丝溶解出来，因此陶瓷劈刀应用较多.4.7金丝要求：(1)丝材的表面应光滑，清洁，不应有任何有机物如油脂，指印等的污染；(2) 不应有大于直径四分之一的影响丝材横截面的缺凹，划伤，裂痕，凸块和附着物⑶丝材应卷绕在特定的绕线轴上，不应有小于30°的死弯和小于0.76mm直径的结存在，且卷绕紧密整齐，不能杂乱松动；(4) 任意长的丝材卷绕在绕线轴上时，只能单层上绕式密绕，且每轴只绕一根，并在首尾注有标记；(5) 每轴丝材都应有严格的包装，以防止受损或污染，并应有规定的标志.⑹金丝纯度要求在99.99%以上，经制成细丝后还需进行退火处理，以保证其拉力强度和延伸率都能符合键合工艺要求.金丝成分表:金丝的选用：应根据集成电路的工作电流来加以选择.一般金丝的熔断电流与金丝的直径成线性关系.5.塑封:即塑料封装，是一种非气密性封装.它是将键合后的半成品用塑料封装起来，以达到保护作用以适应一定的环境.5.1塑料封装从50年代开始,70年代推广，到今天九十年代已广为使用.之所以塑料封装能发展到目前的水平，因其存在诸多的优点：(1) 塑料封装在集成电路的组装过程中一次加工完毕，不同与其他形式的气密性封装，需要事先作成封装外壳，大大简化了工艺流程；(2) 生产工艺简便.一次成型几百只，节省时间，提高工效，易于实现自动化，便于大批量生产；(3) 成本低.所用材料少，除了在初建初期需要对设备和模具投资外，以后的维护费用很低，是气密性封装的1/3-1/5；(4) 重量轻，抗冲击，振动和加速运动等机械性能都比较优越；(5) 环氧和硅酮树脂的抗辐射性能好；(6) 绝缘性能好,寄生参数小；(7) 抗化学腐蚀能力强；(8) 塑料封装中铀，钍的含量少，适于VLSI存储器的封装. 缺点：(1) 抗潮性能差；(2) 热性能差；(3) 抗盐雾腐蚀性能差；(4) 电屏蔽性能差；(5) 易老化.5.2塑封树脂：是一种热固性塑料，以高分子化合物合成的树脂为基体，加入固化剂仮应促进剂(催化剂)，填充剂,阻燃剂,脱模剂和着色剂等组成.常用树脂有：环氧树脂,硅酮树脂等.目前我们使用的是环氧树脂. 树脂发展趋势：高纯度,低应力，低a射线等.树脂的保管：5C°以下.5.3塑料封装的成型方法有滴涂敷法，填充法,浇铸法和递模成型法.目前我们使用的是递模成型法. 递模成型法：是将塑料包封机上油缸压力，通过注塑头，传递到被预热的塑料上，使塑料经浇道,浇口缓慢挤入型腔,并充满整个型体，把芯片包封起来，该成型法称之为递模成型法.也就是通常称的塑封.5.4塑圭寸的工艺条件：⑴塑封模的温度：175土5C°(2) 合模压力：根据塑封模的大小，重量，型腔数，以下框架材料，成品外形尺寸和注塑压力等条件选定的.(3) 注塑压力：也称为递模压力和传递压力，其作用是传递塑料，使塑料能充满型腔.一般30-100Kg/cm2.⑷预热温度:塑料(塑封料)的预热温度取决于塑料的凝胶时间和流动性，一般为80-100C。