封装技术的研究讲解
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固化剂的主要成分为苯酚-酚醛系树脂,其与环氧树脂一 起对成形时的流动性及树脂特性起作用。
此外,模注树脂中还含有如下成分:促进固化反应的固化 促进剂(触媒);树脂在注模内固化后,为使其便于取出的 脱模剂;为阻止燃烧,满足阻燃特性规定的阻燃剂;以黑 色炭粉及各种颜料进行着色的着色剂等。
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b.传递模注工艺过程
封装与失效分析
本章围绕非气密封装技术、气密 封装技术、常见封装形式、混合 电路常见失效模式与分析等方面 进行介绍。
当将有源器件和无源元件组装到已完成膜层印烧/蒸发/ 溅射的基片上以后,这个混合微电路就可以进行封装 了。组装和封装作为产品开发中的关键技术在业界引 起人们日益增多的关注。 广义的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,转变为适用于设备或系统的形式, 并使之为人类社会服务的科学技术。 狭义的封装(Packaging,PKG)是指裸芯片与布线板实现 微互连后,将其密封在塑料、玻璃、金属或陶瓷外壳 中,以确保半导体集成电路芯片在各种恶劣条件下正 常工作。
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采用缝焊封接时,先用环氧树脂及焊料等粘结剂,将陶瓷 布线板支持固定在金属外壳中,而粘结剂在散热性及耐机 械冲击性等方面都存在问题。为解决这些问题,可以在陶 瓷布线板上,通过银浆料,粘结固定与布线板热膨胀系数 基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封环,并作为激光熔 焊时的金属基体。
耐湿性试验: 为了比较各种封装方法的可靠性,一般以耐湿性为代表, 耐湿性试验最常使用压力锅试验。
•涂布(coating)法 用笔或毛刷等蘸取环氧树 脂或硅树脂,直接在半导 体芯片及片式元件上涂布, 经加热固化完成封装。用 于这种方法的涂布树脂粘 度要适中略低。
•滴灌(potting)法
又称滴下法。用注射器及布液器 将粘度比较低的环氧树脂、硅树 脂等液态树脂滴灌在微互连于多 层布线板之上的半导体芯片上, 经加热固化完成封装。
非气密性树脂封装技术 一、单芯片封装
单芯片封装分气密性封装型和非气密性封装型两大类:前者包括金属 外壳封接型、玻璃封接型(陶瓷盖板或金属盖板)、钎焊(Au/Sn共晶焊 料)封接型;后者包括传递模注塑封型、液态树脂封装型、树脂块封 装型等。其中传递模注塑封法价格便宜,便于大批量生产,目前采用 最为普遍。
按树脂分子主链组成分类 : 按此方法可将树脂分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有 机聚合物。 碳链聚合物是指主链全由碳原子构成的聚合物,如聚乙烯、 聚苯乙烯等。 杂链聚合物是指主链由碳和氧、氮、硫等两种以上元素的 原子所构成的聚合物,如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。 元素有机聚合物是指主链上不一定含有碳原子,主要由硅、 氧、铝、钛、硼、硫、磷等元素的原子构成,如有机硅。
b.树脂封装中湿气侵入路径及防止措施
树脂材料作为有机物,都或多或少存在耐湿性较差的问题。 树脂封装中湿气的来源主要有三条:一是树脂自身的吸湿 性;二是树脂自身的透水性;三是通过树脂与多层布线板 之间的间隙,以及通过封装与MCM引脚之间的间隙发生 渗漏。
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液态树脂的固化条件(温度和时间)对吸水性、透水性有决 定性的影响,必须严格保证。还要注意树脂的保质期及冷 藏保管,使用前要进行脱泡处理,严禁粉尘和气泡混入。 经生产厂家多年努力,树脂的吸水性和透水性已明显改善。
封装可靠性与其价格具有明显的关系,可靠性越高则封装 价格越贵。
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树脂封装价格低,但从可靠性角度,特别是耐湿性存在问 题,对于可靠性要求高的大型电子计算机等领域,必须采 用气密性封装。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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采用钎焊密封法,可以做到完全的气密性封接,金属性腔 体内还可封入氦气、氮气等非活性气体。但这种方法存在 焊料与多层布线板上导体层之间的扩散问题,若在高温环 境下使用,则耐热性及长期使用的可靠性都不能保证。 对可靠性有更高要求的应用,需采用熔焊法。其中之一是 缝焊封接(seamweld),但现有缝焊焊机的功率有限,只能 焊比较薄(厚度约0.15mm)的金属盖板,不能用于大型 MCM。为了能对大型MCM中采用比较厚(0.25~0.5mm)的 金属盖板进行熔焊封接,需要采用激光熔焊法。
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外引脚经过电镀焊料或电镀Sn等处理,以改善引脚的耐蚀 性及微互连时焊料与它的浸润性。至此,传递模注封装全 部完成。
问题1:随着芯片封装规模及相应模具的大型化,往往会 发生树脂注入型腔的不均匀化问题。从树脂注入每个型腔 的过程看,离注塑压头远的型腔注入树脂前,离注塑压头 近的型腔中树脂已开始硬化;离注塑压头远的型腔填充完 毕开始增加注入压力时,离注塑压头近的型腔中的树脂已 经硬化,残留的气体会产生气孔或气泡。
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先将模具预热,将经过微互连的芯片框架插入上下模具中,上模具下 降,将芯片框架固定。 注塑压头按设定程序下降,树脂料饼经预加热器加热,粘度下降,在 注塑压头压力作用下,由料筒经流道,通过浇口分配器进入浇口,最 后注入到型腔中。
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注入中不加压力,待封装树脂基本上填满每个型腔之后再 加压力。在加压状态下保持数分钟,树脂聚合而硬化。 上模具提升,取出模注好的封装体。切除流道、浇口等不 必要的树脂部分。 此时树脂聚合仍不充分,特性也不稳定,需要在160~180 摄氏度经数小时的高温加热,使聚合反应完结。 由于模注时树脂可能从模具的微细间隙流出,故最后还要 利用高压水及介质(玻璃粉等)的冲击力,使残留在外引脚 表面的树脂溢料(又称毛边、飞边等)剥离。
即使已完成了微互连,不经封装而在含有湿气的空气中工 作加之迁移现象,半导体元件及多层布线板上的导体电路 会发生突然短路。因此,多层布线板及半导体元件表面露 出的导体图形必须与外界气氛隔绝。无论对于单个使用的 裸芯片还是MCM,封装都是必不可少的。 封装除对混合电路起机械支撑、防水和防磁、隔绝空气等 的作用外,还具有对芯片及电连接的物理保护、应力缓和、 散热防潮、尺寸过渡、规格标准化等多种功能。
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为了减小Au丝偏移,应降低封装树脂的粘度,并控制封装 树脂尽量缓慢的在型腔内流动。
二、多芯片封装 MCM封装也可按其气密性等级,分为气密封装和非气密 封装两大类。非气密封装的代表是树脂封装法,依树脂的 加入方式不同,进一步还可分为注型(casting)法、浸渍 (dipping)法、滴灌(potting)法及流动浸渍法(粉体涂装法)等; 气密性封装包括低熔点玻璃封接法、钎焊封接法、缝焊封 接法及激光熔焊法等。
ex:环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分 子化合物。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为 其特征,环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于 分子结构中含有活泼的环氧基团,使它们可交联反应而形成不溶、不 熔的具有网状结构的高聚物。
传递模注树脂封装的可靠性取决于模注树脂的可靠 性。标准模注树脂的组成,按其配比质量分数, 从高到低依次为填充料(filler)(约70%),环氧树脂 (约18%以下),固化剂(约9%以下)等。
•浸渍(dipping)法 将完成微互连的MCM浸入装满环 氧树脂或酚树脂液体的浴槽中, 浸渍一定时间后向上提拉,经加 热固化完成封装。此方法要搭配 掩模等方法避免树脂在不需要的 部位上附着。
•注型(casting)法
又称模注法。将完成微互连的MCM 置入比其尺寸略大的模具或树脂盒中, 在它们的间隙中注入环氧树脂或酚树 脂等液体树脂,经加热固化完成封装。
无论是单芯片封装前的裸芯片,还是多个裸芯片装 载在多层布线板上的多芯片组件(MCM),在不经封装 的状态下,由于空气中湿气和氧的影响,半导体集 成电路元件表面及多层布线板表面的导体图形及电 极等,会随时受到氧化的腐蚀,使其性能退化。因 此,无论是单芯片封装还是MCM制造,在整个工艺 过程中,应避免在空气中放置,而应在氮气气箱等 非活性气氛中加以保护。否则,会出现半导体元件 的内侧引线凸点因氧化而难以键合,多层布线板的 导体电极因氧化而不能钎焊等问题。
近30年前的DIP封装(传递模注塑封法),由于塑封材料耐湿性差,在 121摄氏度,202kPa的压力锅中,只能维持70h左右;随着塑封材料 耐湿性的逐步改善,目前的可靠性已达200h.对MCM封装,大多数塑 封MCM,例如滴灌法COB(chip on board)、流动浸渍法的SMT模块、 浸渍法、注型法等制作的HIC,仅能维持小于70h的可靠性;而气密 性MCM封装,几乎能维持无限长时间,显示出高可靠性。
以上几种方法都属于树脂封装,不可避免都会浸入一定程 度的湿气,导致可靠性也短,一般只有2~3年的保质时间; 封装之后,当发现不合格或出现故障,需要剥离树脂,找 出不合格芯片,但剥离液对正常芯片会产生影响,因此, 出现故障的塑封元件一般以废品处理。这些方法适合于规 模较小,价格比较低的一般民用器件。
•流动浸渍法 又称粉体涂装法。将完成微互连的 多层布线板在预加热的状态,浸入装 满环氧树脂与氧化硅粉末的混合粉体 中,并处于流动状态的流动浴槽中, 浸渍一段时间,待粉体附着达一定厚 度后,经加热固化完成封装。
在对树脂封装进行结构设计时,应重点考虑耐湿性和减小 内应力这两个问题。对于前者应减少可能漏气的环节,加 强从外气到半导体元件的密封措施;对于后者应正确把握 封装树脂热膨胀系数、填充量等的关系,减少容易发生应 力集中的环节等。在有些情况下,可以采用从里到外三层 树脂封装的结构,靠近芯片为一层柔软层,中间为一层缓 冲层,外部为一层致密层。这样既可提高耐湿性,又可减 小内应力。
传递模注塑封技术
a.模注树脂成分及特性 树脂通常是指受热后有软化或熔融范围,软化时在外力作 用下有流动倾向,常温下是固态、半固态,有时也可以是 液态的有机聚合物。广义地讲,可以作为塑料制品加工原 料的任何聚合物都称为树脂。 树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界 中动植物分泌物所得的有机物质,如松香、琥珀、虫胶等。 合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经 化学反应而得到的树脂产物。
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关于密封性,不单单取决于树脂材料,还取决于引脚的表 面状态,以及树脂材料同氧化铝陶瓷多层布线板等基体材 料的匹配情况。对于耐湿性良好而密封性不太理想的树脂, 可以通过增加基体材料表面粗糙度的方法,增加整体的密 封性。
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树脂封装法中,芯片周围包围的树脂材料越多、有效隔离长度越长、 耐湿性越好。但另一方面,随着封装树脂量的增加及树脂中内应力的 增加,会造成陶瓷布线板发生翘曲,致使芯片布线板上搭载的芯片部 件剥离、引起WB电气连接破坏、造成布线板上膜电阻出现裂纹等。 故应正确把握树脂填充量、有效绝缘长度、内应力等因素的关系。 热膨胀系数是否匹配为内应力产生的重要起因之一。应通过改进树脂 添加成分,使树脂与电路材料热膨胀系数尽量匹配。
无论是非气密树脂封装,还是其他几种气密性封装,都具 有各自优势,但从可靠性比较,气密封装明显优于非气密 封装。
a.非气密多芯片树脂封装技术 常用于MCM的非气密性树脂封装法,一般是采用环氧树 脂、塑料、硅树脂等有机树脂,覆盖在微互连于多层布线 板之上的半导体芯片上,使其与外界隔绝。覆盖树脂的方 法有以下五种。
解决方法是采用多个注塑压头,以保证树脂在每个型腔内处于均衡的 流入状态。 问题2:一般的模注采用下浇口注入树脂,这在芯片和封装尺寸较小 时没有问题,但随着芯片和封装尺寸变大,离浇口远的封装上部,往 往出现树脂未填充的部分。
解决方法是通过将浇口设置在封装中部,保证注入树脂在型腔内芯片 的上面、下面均衡流动,从而避免树脂未填充问题。 c.模注树脂流速及粘度对Au丝偏移(冲丝)的影响 封装树脂在型腔内流动会造成微互连Au丝的偏移(冲丝)。
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填充料的主要成分是二氧化硅。晶态二氧化硅 有利于提 高模注树脂的导热性,熔凝态(非晶)二氧化硅有利于降低 模注树脂的热膨胀系数及吸湿性。图中可见随熔凝二氧化 硅含量的增加,封装树脂热膨胀系数降低最多,从而对模 注塑封中的热应力缓和更为有效。
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环氧树脂的组成,一般都采用甲酚-酚醛系([C6H3OHCH2]n)。 环氧树脂具有保护芯片、使其于外部气体隔绝,确保成形 时的流动性外,还对模注树脂的机械、电气、热等基本特 性起决定性作用。