芯片互联技术的研究现状与发展趋势

芯片互联技术的研究现状与发展趋势

许健华

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林）

摘要：概述了芯片级互联技术中的引线键合、载带自动键合、倒装芯片，其中倒装芯片技术是目前半导体封装的主流技术，从微电子封装技术的发展历程可以看出，IC芯片与微电子封装互联技术是相互促进、协调发展、密不可分的，微电子封装技术将向小型化、高性能并满足环保要求的方向发展。将介绍芯片互联一些技术与未来发展趋势。

关键词：微电子封装；芯片互联；倒装焊；微组装技术；发展现状

Chipinterconnection technology research status and development trend

Xu Jian-hua

(Gulin university of electronic technology institute of electrical and mechanical engineering,Guilin,China)

Abstract:Summarizes the wire bonding of chip-level interconnection technology,loaded with automatic bonding,flip-chip,including flip-chip technology is the mainstream of the semiconductor packaging technology.Can be seen from the development of microelectronics packaging technology;IC chip and microelectronic package interconnection technology is mutual promotion,coordinated development, inseparable, microelectronics packaging technology to the direction of miniaturization,high performance and meet the requirements of environmental protection.

Key words: Microelectronics packaging; Chip interconnection;Flip-chipbonded;Microassemblytechnology;Development situation

前言：

从上世纪九十年代以来，以计算机（computer）、通信（comunication）和家用电器等消费类电子产品（consumer electronics）为代表的IT产业得到迅猛发展。微电子产业已成为当今世界第一大产业，也是我国国民经济的支柱产业。现代微电子产业逐渐演变为设计、制造和封装三个独立产业。微电子封装技术是支持IT产业发展的关键技术，作为微电子产业的一部分，近年来发展迅速：微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件（即集成电路芯片）组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源，并与外界进行信息交流。微电子封装可以保证IC在处理过程中芯片免受机械应力：环境应力例如潮气和污染以及静电破坏。封装必须满足器件的各种性能要求，例如在电学（电感、电容、串扰）、热学（功率耗散、结温、质量）、可靠性以及成本控制方面的各项性能指标要求。

现代电子产品高性能的普遍要求，计算机技术的高速发展和LSI，VLSI，ULSI的普及应用，对PCB 的依赖性越来越大，要求越来越高。PCB制作工艺中的高密度、多层化、细线路等技术的应用越来越广。

其中集成电路IC封装设备的发展与芯片技术的发展是相辅相成的。新一代IC的出现常常要求有新的封装形式，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。它已经历了三个发展阶段：第一阶段为上世纪80年代以前，封装的主体技术是针脚插装；第二阶段是从上世纪80年代中期开始，表面贴装技术成为最热门的组装技术，改变了传统PTH插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴装到基板上，大大提高了集成电路的特性，而且自动化程度也得到了很大的提高；第三阶段为上世纪90年代，随着器件封装尺寸的进一步小型化，出现了许多新的封装技术和封装形式，其中最具有代表性的技术引线键合、载带自动焊、有球栅阵列、倒装芯片和多芯片组件等，这些新技术大多采用了面阵引脚，封装密度大为提高，在此基础上，还出现了芯片规模封装和芯片直接倒装贴装技术，因此芯片互联技术得到大力发展。

1芯片互联技术目前的研究现状

电子封装有4种基础技术，即成膜技术、微互联技术、基板技术、封装与密封技术。微互联技术起着承上启下的作用，无论是芯片装连在载体上还是封装在基板上，都要用到微互联技术，微互联技术可以说是电子制造的基础技术和专有技术。微互联技术包括引线键合技术（WB）、载带自动焊技术（TAB）、倒装芯片技术（FC）等气连接)是两种相辅相成、密切难分的组装工艺过程。IC芯片的安装技术常见的有环氧粘接和。芯片安互连技术是IC的关键封装制造技术，IC芯片的安装(与基板的物理连接)与互连(与基板的电共晶(或装合金)粘接。互连技术常见的有：引线键合、载带自动键合和倒装焊接。面阵型芯片（如BGA）键合可以通过焊料焊凸键合和倒装焊接进行；周边型芯片键合（如QFP）可以通过引线键合和载带自动键合技术进行。

1.1引线键合技术介绍

引线键合互连是芯片和载体间常用的互连方法，引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上技术布线用金属细丝连接起来的工艺技术，焊区金属一般为Al或Au金属丝多是数十微米至数百微米直径的Al丝或Au丝和Si-Al丝。焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球焊。图1为引线键合在BGA类器件的封装示意图。

图1

热压键合是利用加热和加压力，使金属丝与Al或Au的金属焊区压焊在一起。通过加热和加压，使焊区金属发生塑性变形，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”的目的。

热压键合焊过程中，由于受热容易使焊丝和焊区形成氧化层，同时芯片容易形成特殊的金属氧化物，从而影响焊点可靠性：因此，热压键合使用得越来越少。

超声焊是利用超声波发生器产生能量，在超高频磁场的感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，使劈刀振动，同时在劈刀上施加压力，劈刀在二种力的作用下，带动Al丝在被焊焊区的金属化层表面迅速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性变形。这种形变破坏了Al层界面的氧化层，使二个纯净的金属面紧密接触，达到原子间的“键合”从而形成牢固的焊接。与热压键合相比，超声键合能充分去除焊接界面的金属氧化膜，焊接质量较高，不需加热，对芯片的损伤较小。热声键合具有可在较低温度下连接而不易氧化、对接触表面洁净度不敏感等很多优点，广泛用于各类集成电路中。在超声键合过程中，超声振动是决定键合强度的重要因素之一，超声功率的大小直接决定键合强度及其可靠性。

金丝球焊使引线键合中最具代表性的焊接技术。它满足了90年代的封装工艺要求，在气密性封装集成电路生产中，通常采用铝丝作内引线，降低了生产成本。铝丝与IC芯片电极及外壳上的引线电极连接采用超声波楔