芯片贴装与芯片互连.ppt

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1、第二章 芯片贴装与芯片互连,概述,概述,芯片封装技术（一级）,单晶硅棒,概述,第二章 芯片贴装与芯片互连,2.1 芯片制备 2.2 芯片贴装 2.3 芯片互连,2.1 芯片制备,2.1 芯片制备,矽？晶圆？,1961，菲尔查德在硅晶片上制造的第一个集成电路,2.1 芯片制备,2.1 芯片制备,晶圆制备,硅的提纯,2.1 芯片制备,晶圆制备,硅的提纯,2.1 芯片制备,晶圆制备,晶棒制备 晶体生长技术：区熔法；布里曼生长法；CZ直拉法,优点：工艺成熟，投量量； 适于生长大直径单晶； 缺点：不可避免来自坩埚及 加热棒的污染.,2.1 芯片制备,晶棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备,晶棒制备,2.

2、芯片制备,晶圆制备 硅棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备 硅棒制备,2.1 芯片制备,晶圆制备 晶圆切片,多线切割机,2.1 芯片制备,晶圆制备 晶圆尺寸,据国外媒体报道，三大巨头 英特尔 、三星和台积电本周宣布，他们将于2012年合作开发450mm晶圆的试生产 ；但是要研发450mm晶圆所需的设备，投资可能高达1000亿美元 。,使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心。,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 临时性地涂覆光刻胶到硅片上； 把设计图形最终转移到硅片上； IC制造中最重要的工艺； 占用40-50%

3、的芯片制造时间； 决定着芯片的最终尺寸.,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 涂胶,六甲基乙硅氮烷,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 曝光,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 显影,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 湿法刻蚀,干法刻蚀,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 刻蚀多晶硅,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺 离子注入,2.1 芯片制备,光刻与刻蚀工艺,2.1 芯片制备,芯片切割,DBG法（先划片后减薄）,2.1 芯片制备,芯片切割,2.1 芯片制备,芯片切割,2.2 芯片贴装,芯片贴装（die mount/bonding/attachment) 目的：实现芯片与底座（chip carrier

4、）的连接. 要求： 机械强度 化学性能稳定 导电、导热 热匹配 可操作性,2.2 芯片贴装（die mount),2.2.1 共晶粘贴法 2.2.2 焊接粘贴法 2.2.3 导电胶粘贴法 2.2.4 玻璃胶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.1 共晶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.1 共晶粘贴法 润湿性的重要性； 预型片的使用（Au-2%Si合金）；,优点：金-硅共晶焊接机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高,高温性能好，不脆化。 缺点：生产效率低，不适应高速自动化生产。,2.2 芯片贴装,2.2.2 焊接粘贴法 所用气氛：热氮气 工艺优点：热传导性好,所用材料 硬质焊料：金-硅、金-锡、金锗

5、； （塑变应力高，抗疲劳抗潜变特性好） 软质焊料：铅-锡、铅-锡-铟.,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法 三种导电胶： （1）各向同性材料； （2）导电硅橡胶； （3）各向异性导电聚合物。 共同点：表面形成化学结合和导电功能。,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法,2.2 芯片贴装,2.2.3 导电胶粘贴法 芯片粘结剂： 环氧树脂；聚酰亚胺；硅氧烷聚酰亚胺。 填充料： 银颗粒或者银薄片（75-80%） 使用考虑因素： 流动性；粘着性；热传导性；电导性；玻璃化转变温度；吸水性.,2.2 芯片贴装,2.2.4 玻璃胶粘贴法,类似于银浆粘接技术，主要用于陶瓷封装需 要严格控制烧结温度

6、. 优点：所得芯片封装无空隙、热稳定性优良、低结合应力以及湿气含量低； 缺点：有机成分与溶剂必须除去，否则危害可靠性。,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 2.3.2 载带自动键合技术(TAB) 2.3.3 倒装芯片键合技术(FCB/C4),芯片焊区,芯片互连,I/O引线,半导体失效约有1/4-1/3是由芯片互连所引起， 因此芯片互连对器件可靠性意义重大！,2.3 芯片互连,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 主要的打线键合技术： .,楔形接点,球形接点,超声波键合； 热压键合； 热超声波键合,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),频率：20-60

7、kHz； 振幅：20-200m； 冷焊？,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB),2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 打线键合的线材 铝线：铝-1%硅合金； 0.5-1%镁的铝线； 铝镁硅合金或铝铜合金. 金线： 含5-100ppm 铍 含30-100ppm 铜 其他线材： 银线，铜线,PCB或封装不能加热 的情况之下； 间距小于60 micron.,用量超过90% 间距大于60micron。,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 影响因素： 金铝金属间化合物（AuAl2或Au5Al2)是 主因； 线

8、材、键合点与金属间化合物之间的交互扩散产生的孔洞； 其他，键合点金属化工艺与封装材料之间的反应，亦可生成金属间化合物。,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 键合拉力测试 键合剪切力测试,2.3 芯片互连,2.3.1 打线键合技术(WB) 焊接方法 丝球焊 超声楔焊,丝球焊,丝球焊工艺,丝球焊设备-自动化设备,丝球焊设备-半自动,劈刀端部形状-1,劈刀端部形状-2,劈刀头部凹槽形状,第一键合点形状,第二键合点,完整的丝球焊键合,键合强度与超声频率的关系,超声楔焊,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB

9、的关键技术 2.3.2.2 TAB技术的关键材料 2.3.2.3 TAB的特点,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,光刻胶做掩膜,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （1）芯片凸点制作技术,凸块转移技术,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （2）TAB载带制作技术 单层带（Cu箔）-工艺简单； 热稳定性好，价位低；不能做电性测试，

10、容易变形。 双层带（Cu-PI双层）； 高温稳定性好，可作电性测试，电性能优良；价位高，亦弯曲，容易变形。 三层带（Cu-粘贴剂-PI）-最为常用 可作电性测试，适合大规模生产；价位高，不适用于高温键合。,载带上Cu箔引线的图形结构与制作工艺,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.1 TAB的关键技术 （3）载带引线和芯片凸点的内引线焊接与外引线焊接技术,热压组合键合方法,单点热压键合方法,激光键合,TAB外引线键合,2.3.2.2 TAB技术的关键材料 基带材料 要求 高温性能 与Cu箔的粘接性、热匹配性好 尺寸稳定；化学稳定性好；机械强度高 材料 聚酰亚胺(PI)薄膜

11、，早期最广泛使用的材料，价格稍高 聚乙烯对苯二甲酸脂(PET)薄膜 苯丙环丁稀(BCB)薄膜 导体材料 Cu箔 与基带连接牢固；导热、导聚乙烯对苯二甲酸脂(PET)薄膜 苯丙环电性能好；易于电镀。 厚度有18、35、70微米 铝箔使用较少 规格 宽度以35mm最常用。另有70mm和158mm等规格。 金属材料 Au，Ni，Pb/Sn焊接材料 芯片凸点金属材料 Au，Cu/Au，Au/Sn，Pb/Sn,2.3 芯片互连,2.3.2 载带自动键合技术 2.3.2.3 TAB的优点 结构轻、薄、短、小； 电极尺寸、电极与焊区的间距比WB大为减小； 可容纳更多引脚，提高安装密度； 可对IC芯片进行电老

12、化、筛选和测试； 焊点键合拉力比WB高3-10倍。,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,封装结构,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点结构,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-蒸发沉积凸点,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-电镀法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-植球法,2.4 芯片互连,2.4

13、.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-印刷凸点,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-钉头凸点,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-凸点转移法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-微球法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-微球法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术,凸点形成工艺-Tachy dotsTM法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊 倒装焊互连基板的金属焊区要求： 焊区与芯片凸点金属具有良好的浸润性； 基板焊区：Ag/Pd、Au、Cu(

14、厚膜） Au、Ni、Cu（薄膜）,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊,热压焊倒装焊法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊,再流焊倒装焊法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊,环氧树脂光固化倒装焊法,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊,各向异性导电胶,导电粒子含量：10%,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (2)凸点芯片的倒装焊,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (3)底部填充,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (3)底部填充,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (3)底部填充-填料要求,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (3)底部填充-填充工艺,毛细作用！,2.4 芯片互连,2.4.3 倒装芯片键合技术 (4)无铅化凸点,2.4 芯片互连,2.5 互联工艺比较,