封装工艺

芯片封装与装配技术封装是IC芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。

封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。

在微电子器件的总体成本中，设计、芯片制造以及封装测试各占了三分之一。

最初的封装其目的是保护芯片免受周遭环境的影响。

所以，在最初的微电子封装中，是用金属作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。

但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。

通常，封装主要有以下五大功能：功率分配（电源分配）、信号分配、散热通道、环境保护及机械支撑。

1．封装工艺IC封装步骤因产品而异，但其基本流程是不会有大的变化的。

下面为大家简单介绍IC的基本封装流程。

1．Laminater（贴膜）用辊轴采取适当力度在wafer的正面（线路面）贴上一层保护膜（通常为蓝色的UV tape）以防止wafer在grinding时受到污染或磨损电路。

图1为待贴膜的wafer。

图1 待贴膜的wafer2．Backlap/Grinding（背面打磨）对wafer进行打磨，把wafer的厚度磨至需求厚度，通常达到wafer 厚度为230µm、320µm、80µm，而电路本身基本为10µm的程度。

图2为BACKLAP示意图。

图2 背面打磨示意图3．T ape remove（去膜）给UV tape照射适当的紫外光以消除粘性，再利用remove tape将其揭开。

4．T ape mount（贴膜）为了防止在切割时wafer发生分裂影响后续工艺，用胶膜（T ape）和钢圈（Ring）把wafer固定起来。

图3左边为Tape，右边为Ring。

图3 Tape和Ring5．Sawing/Dicing（切割）沿wafer上的street（切割线），用金刚石切刀（blade）切至wafer 厚度的95%，使其分裂成独立的die。

将金刚石切刀装在高速旋转的spindle上，靠机械力量将wafer划开。

图4 金刚石切刀图4为切割用的切刀，图5为wafer和已经切割的芯片。

图5 wafer和已经切割的芯片6．Inspection（检测）用高倍显微镜检查出不良的die，目的是减少后续工序的次品。

7．Die attach（芯片粘贴）利用粘合剂（epoxy或solder）把die和lead frame（引线框架）粘贴在一起，以保证两者之间电气、机械的可靠连接。

在die attach前须对切割好的wafer进行紫外光照射，目的是减小胶膜的粘性，以方便将die 从胶膜上取走。

图6左边为DA的第一步，从sawing好的wafer取走die，右边为第二步，将DA粘贴在lead frame上。

图6 芯片粘贴8．Oven cure（烘赔）采用高频加热方式，对粘贴上die的lead frame在oven中进行分段加热，使epoxy固化。

9．Wire bonding（WB，金线键合）用高纯度的金线或铝线把die上的pad和lead frame上的lead连接起来，使die同外部电路导通。

在WB之前会先用等离子气体冲击die和lead frame表面，除去杂质。

图7为正在进行WB的示意图。

图8向我们展示了WB完成后的结果。

图7 WB的示意图图8 WB完成后的结果10．Inspection（检测）用低倍显微镜检查出不良的W/B产品。

11．Molding（压模）为了防止周遭环境（热辐射、机械冲击、化学腐蚀等）对die的影响，用EMC（epoxy molding compound，热固性树脂）将W/B后的产品封装起来，完成后的产品即可称为package。

EMC在常温下也会缓慢固化，且水分会影响EMC的成型质量，所以一般EMC需保存在低温（通常处于5摄氏度以下）干燥的环境中。

图9为mold机台，图10为mold的结果。

图9 压模机台图10 完成压模的芯片12．Mold cure（烘赔）加热以加速EMC的固化速度。

13．Plating（电镀）为了保护lead不受环境影响，在其表面镀上一层保护膜。

14．Marking/Laser（印字）在molding产品的正面用激光打印上代表产品名称、生产日期、商标、生产地之类的字样。

其目的是防止不同产品的混乱、根据流水码在市场中查找不良品等。

15．Trim（引脚切割）和Form（引脚成型）trim 就是将dambar、epodxy切除。

图11是一台trim机台，图12是trim完成后的半成品。

图11 trim机台图12 完成引脚切割的芯片form就是将引脚弯曲成型并使各个package独立化。

图13向我们展示了引脚成型的五个详细步骤。

图13 引脚成型示意图16．Inspection（检验）通过外观检测，去除不良品。

以上的流程适用于插装型产品及引脚型的表面贴装产品，而对于BGA （引脚为球型）类产品由于它们不需要Trim、Form，所以会有所不同。

图14所示为一个简单的BGA产品其主要的流程。

图14 BGA封装流程从流程示意图上我们可以看出其中不存在trim、form的步骤，而变成了solder ball attach、sorter的步骤，这是因为BGA类产品的引脚改成了球形触点，不需要进行切割、弯曲成型之类的工序。

随着技术的发展，不同类型的封装随即出现，那么老的工艺也要做出相应的改变。

比如对于FBGA来说，因为它采用的是倒装焊技术，所以是不需要进行W/B的。

2．芯片互连芯片互连也称为引线键合工艺，其目的是使芯片与外部的封装框架间电气导通，以确保信号传递的畅通，这样才能发挥芯片既有的功能。

目前业界常见的互连技术有WB、TAB及FC。

我们重点介绍WB和FC。

一．Wire bonding（WB，金线键合）1．WB工艺流程W/B是将芯片上的焊点（pad）与lead frame或基板上的焊区用金属导线连接起来的技术。

只有在die上通过保护层暴露出的金属接触孔才能进行bonding；这些区域称为contact或者pad。

首先我们来了解WB的工艺步骤，如图15所示。

图15 金线键合流程图我们在图中看到的十个步骤描述了WB过程中劈刀以及金线的十个不同动作，在图16中我们可以很清晰地看到十个步骤的示意图。

图16 金线键合示意图图17 WB完成后的结果图17为WB完成后的一个剖面图，我们可以看到连接die上面的pad与lead frame上的lead的金属成型以后的形状。

2．WB的焊接方式焊接方式主要有热压焊、超声焊、金丝球焊三种。

热压焊是利用加热、加压的方式使接触区的金属发生形变，同时破坏其上的氧化层，使金属丝和接触区的金属面之间产生原子间的吸引作用，达到互连的目的。

热压焊由于加热温度高，会使焊接区域形成氧化层，且若焊接时间稍长则容易损坏芯片、形成金属间化合物（俗称“紫斑”、“白斑”）使焊区接触电阻增大，从而影响器件的可靠性和寿命。

目前，这种焊接方式已很少使用，图18是它的原理示意图。

图18 热压焊示意图超声焊是利用超声波发生器产生的能量，经过换能器引起劈刀作机械振动，在劈刀上同时施加一定压力。

在机械振动和压力共同作用下，由于铝丝和金属铝层间的相互摩擦，破坏了两者表面原有的极薄氧化层。

在施加压力的作用下实现了两个纯净金属面间的紧密接触，达到键合的目的。

超声焊与热压焊相比焊接的可靠性有所提高。

因其不需要加热，所以不会引起芯片的损害，也不会产生金属间化合物，器件的可靠性和寿命都比较高。

而且可调节超声能量来时应不同粗细的金属丝，图19是它的原理图。

图19 超声焊示意图金丝球焊是具有代表性的焊接技术。

底座加热到300℃以上，金丝穿过陶瓷或红宝石劈刀中毛细管，用氢气火焰将金丝端头烧成球后再用劈刀将金丝球压在金属电极上实现键合。

此种焊法实际上是一种热压超声焊，由于有超声的配合，焊接过程中加热的温度比普通热压焊低得多。

是目前最常采用的焊接方式，图20是它的原理图。

图20在表1中对三种焊接方式的其他内容作了相应的比较。

3．引线材料金属导线的选择会影响到焊接质量、器件可靠性等方面。

理想的材料应达到下面的要求：可与半导体材料间形成良好的欧姆接触；化学性能稳定；与半导体材料间有很强的结合力；导电性能良好；容易焊接；在键合过程中可保持一定的形状。

Au、Al是键合时选择的两种材料。

Au的化学稳定性、抗拉性、延展性好，容易加工成丝，因此成为热压焊、金丝球焊的首选材料。

但因金与铝之间容易形成金属间化合物，所以在使用Au丝时要避免金铝系统。

在多层结构电极中，导电层大多采用金，所以可使用金丝。

纯度为99.99%的金线是最常见的材料，为了增加它的机械强度，通常会向其中添加少量的铍或铜。

Al线具有良好的导电性，与半导体间也可形成和好的欧姆接触，成本也低，但因其材质太软不易拉丝和键合，一般不采用纯铝丝。

标准的铝丝为加入1%硅的硅铝丝、加入0.5~1%镁的镁铝丝。

但其机械强度远比金差，且表面易氧化。

是超声波键合最常见的理想材料。

目前业界也在积极开发其它新材料，以便可取代成本高的金线和强度低的铝线。

银也可作为键合材料，但因为金属间化合物和易腐蚀的问题，目前还处于实验室阶段。

焊点的形状也因材料、焊接方式的不同而分为球形和楔形两种。

Ball bond （球形）Wedge/Crescend bond（楔形）图21表2中列出了两种焊点的适用范围及焊接情况。

楔形在键合时，将底座加热至300°C左右，劈刀加热至150°C左右，对准位置，劈刀加25~50g的压力即可完成键合。

其优点是对劈刀形状、尺寸无要求，缺点是机械强度小，键合时动作分开，生产效率低。

球形在键合时，将底座加热至300°C左右，对准位置，劈刀加50g 左右的压力即可完成键合。

其优点是操作方便、焊接牢固、生产效率也较高，目前广泛应用于中小功率的集成电路焊接中。

早期打线键合的质量不够理想，技术熟练程度也差强人意。

时至今日，随着材料、工艺技术发展，机台设备的更新，打线键合的技术已相当成熟。

虽然出现了不少新的键合技术，但由于它工艺方面的优势仍然是最广泛使用的技术。

二．倒装焊1．倒装焊概况倒装焊（FC，Flip Chip）是芯片与基板直接安装互连的一种方法。

WB互连法是芯片面朝上互连，而FC则是芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连，如图22所示。

图22倒装芯片起源于可控塌陷芯片互连技术。

该技术首先采用铜，然后在芯片与基板之间制作高铅焊球。

铜或高铅焊球与基板之间的连接通过易熔焊料来实现。

FC不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，在PGA，BGA和CSP中都得到了广泛的应用。

由于FC的互连线非常短，而且I／O引出端分布于整个芯片表面，同时FC也适合使用SMT 的技术手段来进行批量化的生产，因此FC将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。