微电子组装技术基础PPT

热超声键合
热压键合： 热压键合焊是利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子间达到 原子的引力范围，从而达到键合目的。
热压键合工作过程：利用微电弧使直径在25~50um的金丝端头熔化成球状，通过 送丝压头将球状端头压焊在裸芯片电极面的引线端子，形成第一键合点。然后送 丝压头提升，并向基板位置移动，在基板对应的导体端子上形成第二个键合点， 完成引线连接过程。
第二节 芯片制造工艺
芯片的制作流程如下图：
硅砂
2.1 硅锭的生产
硅砂
多晶硅
单晶硅
硅锭
1. 多晶硅生产
SiO2+2C 2000°
Si + CO2
石 英 砂
焦 炭 、 煤
工 业 用 硅
还原高纯度硅（还原炉中进行） Si+3HCl 1250°SiHCl3+H2(+SiCl4及其他产品) SiHCl3+H2
均胶机
光刻胶
硅片自动输送 轨道系统
给胶管
均胶机工作过程
硅片吸附在真空卡盘上 液态的光刻胶滴在硅片的中心
卡盘旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开
先低速旋转0~2000 rpm，再上升到~30007000 rpm
高速旋转，光刻胶均匀地覆盖硅片表面
均胶后烘：
光刻胶里的溶剂有助于形成光刻胶薄膜，但会吸收光，也会影响粘附性 目的：去水烘烤使得硅片表面水分蒸发，提高光刻胶表面的粘附性
光刻胶层 （掩蔽层）
在尺寸大于3um的IC制造中湿法腐蚀被广泛应用
去胶：刻蚀之后，图案成为晶圆最表层永久的一部分。 作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要了，必须从表面去掉。
显影
刻蚀
去胶
显影后的晶圆
将晶圆进行切割
芯 片
第三章 元器件的互连封装技术
硅锭
晶圆
芯 片
第一节 引线键合技术
键合原理 引线键合（Wire Bonding） 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焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。 热压键合 引线键合 超声键合
投影曝光的优点是： ①掩模版不与晶圆片接触，掩模版利用率提高； ②对准是观察掩模版平面上的反射图像，不存在景深问题； ③掩模版上的图形通过光学投影的方法缩小，并聚焦于感光胶膜上，这样掩模 版上的图像可以比实际尺寸大得多（通常掩模版与实际图形尺寸之比为10:1）， 提高了对准精度，避免了制作微细图形的困难，也削弱了灰尘的影响。
第一键合点的形状
第二键合点形状
超声键合：
超声键合是利用超声波（60~120kHz）发生器使劈刀发生水平弹性振动， 同时施加向下的压力，劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速 摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，在25ms内与键合区紧密接触完成焊接。
1.定位（第一次键合）
2.键合
3.定位（第2次键合） 超声法工艺流程
载带：即带状载体，是指带状绝缘薄膜上再有由覆铜箔经刻蚀而形成的引线框架， 而且芯片也要载于其上。
载带自动焊技术的内引线键合技术：内引线键合是将半导体芯片组装到TAP 载带上的技术。
内侧引线键合操作示意图
内侧引线键合好之后进行塑封，然后在封装到基板上
TAB的外引线键合技术：
完成了内引线键合并经过老化测试的载带芯片即可用于混合电路的安装，也可以 用于微电子封装的引线框架上。
前烘：
目的
去除硅表面的水分，提高光刻胶与表面的粘附性
方法
热垫板加热硅，90°~120°，1min
涂甩光刻胶
光刻胶：接收图像的介质称为光刻胶。光刻胶由三种成分构成即光敏化合物、 基本树脂和合适的有机溶剂。曝光时，光刻胶的化学结构发生变化。 正性胶：显影时曝光区域被除去 光刻胶 负性胶：显影时非曝光区域被除去
4.键合-切断
超声键合实物图
热超声键合法：
基理：利用超声机械振动带动丝与衬底上的蒸镀的膜进行摩擦，使氧化膜 破碎，纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以及高频振动，使金属晶格 上原子处于受激活状态，发生相互扩散，实现金属键合。
第二节 载带自动焊技术
载带自动焊技术（TAB，Tape Automate Bonding）是将芯片凸点电极与载带的引线连接 ，经过切断、冲压等工艺封装而成。
涂胶、曝光、显影
显影后
刻蚀
干法刻蚀
刻蚀
湿法刻蚀
主要指利用低电压放电产生的等离子体中的离子或游离基与材料 干法刻蚀： 发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。
湿法刻蚀：
利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。
湿法刻蚀优点： 1.应用范围广，几乎适用于所有材料 2.选择性强 3.简单易行，成本低，适用于大批量生产 缺点： 钻蚀严重（各向异向性差），难于获得精确的图形
如图给出了一个电子产品系统的总成结构
零级封装：芯片上的互连，即将从硅圆片切下来的小晶片进行连接。其连接方法有： 引线键合、载带自动键合和焊球植入。
一级封装：器件级封装，晶片经过零级封装制成集成电路所需的元件，经过一级封装 将这些元件组成集成电路的过程。
二级和三级封装：二级和三级封装就是将集成电路、阻容元件、接插件以及其他的 元器件安装在印制电路板上。
1.晶圆的制造
将硅锭进行横向切割，就可以得到单个硅片。再将单个硅片进行抛光， 即可得到符合硅锭的晶圆（wafer）。
2.氧化工艺 硅表面的二氧化硅紧紧依附在硅衬底上，其具有极高的化学稳定性和绝缘性。
二氧化硅层的作用：保护层、钝化层、电性能的隔离层等。
制备二氧化硅层的方法：热分解法、溅射法、真空蒸发法、等离子氧化法、热氧化法等， 其中用热氧化法制备的二氧化硅掩蔽能力最强，因此应用也最广泛。
正性胶
显影三个基本步骤：显影—清洗—干燥
浸入式
显影 旋转式
去离子水
滴注显影液
显影完成
甩除显影液
完成
甩干 旋转式显影过程图
去离子水清洗
刻蚀： 显影后模板的图案被刻在光刻胶膜上。刻蚀是通过光刻胶暴露区域来去掉 晶圆最表层的工艺，主要目标是将光刻掩模板上的图案精确地转移到晶圆表面 ，刻蚀后的图案就被永久的转移到晶圆表层。
第一步： 印制凸点
印制凸点是采用模板直接将焊膏印在要形成凸点的焊盘上，然后经过回流而形成凸点
用模板将焊膏印在焊盘上
凸点下金属层
回流形成焊球
焊膏
第二、三步：芯片与基板对准并加热连接
第四步：在芯片与基板之间填充树脂并固化
完成凸点与基板的互连后，芯片靠凸点阵列固定在基板上，实际的固定面积比芯片的面积 要小得多，因而结合强度并不高。在芯片与基板的缝隙中注入有机胶，然后使之固化， 一方面增大了芯片与基板的连接面积，提高了两者的结合强度，另一方面对凸点也起到了 保护的作用。
1100° Si+3HCl
多晶硅
2.直拉法生产单晶硅 如图所示为直拉单晶的原理图
图二 硅锭 直拉法把装在坩埚内的多晶硅熔融后用一块硅单晶(常称仔晶或晶种)引导，慢慢 提起，出坩埚部分凝固后就成硅单晶体(它的硅原子排列方向与仔晶相同)。当把 坩埚内的多晶硅熔体全部提出后，一根硅单晶棒就拉成了。
2.2 芯片制造过程
3.光刻 光刻是在光的作用下，使图像从母板向另一种介质转移的过程。 母板就是光刻板，是一种由透光区和不透光区组成的玻璃板。 光刻基本步骤如下： 硅片处理 涂胶 曝光 显影 坚膜 刻蚀 去胶 前烘 涂甩光刻胶 均胶后烘
光刻流程图
硅片处理： 主要是将硅片进行清洗。
去除沾污 目的 去除微粒 减少针孔和其他缺陷 提高光刻胶黏附性
第二章 芯片设计与制造工艺
集成电路
集成电路：是利用微细加工技术，将成百上千乃至上万个电子元件及其互连线， 按照一定规律，全部制作在一块微小的半导体硅片上。
硅圆
集成电路
第一节 集成电路芯片的设计过程
当前集成电路的设计流程如下：
系统描述
设计验证
功能设计
模拟与仿真
逻辑设计
芯片制造
电路设计
测试和封装
物理设计
第一章：电子制造概述
一、电子制造
定义：电子制造是指电子产品从硅片开始到产品系统的物理实现过程。 如下图所示：
圆形包含的部分又称为电子封装（ Electronic Packaging ）
电子封装指的是按照电路图将裸芯片、陶瓷等物质制造成芯片、元件、板卡、电路板， 最终组装成电子产品的整个过程。
二、电子产品总成结构的分级
投影曝光的缺点是对环境要求特别高，微小的振动都会影响曝光精度，另外光路 系统复杂，对物镜成像能力要求很高。
投影曝光成像原理
曝光模拟图
显影：
显影是指把掩模板上的图案复制到光刻胶上。晶圆完成对准和曝光后， 器件或电路的图形就以已曝光和未曝光的形式记录在光刻胶层上，显影技术 用化学反应分解未聚合光刻胶使图案显影。
对于用于微电子封装的引线框架，在生产线上连续安装载带芯片的电子产品， 可使用外引线压焊机将卷绕的载带芯片连续进行外引线焊接，焊接时应用切断 装置再在每一个焊点外沿引线和除PI支撑架以外的部分切断并焊接。
切断，冲压成型
安装 热压键合
热压键合压头
外侧引线键合操作
第三节 倒装芯片技术
倒装芯片（Flip Chip）技术是芯片以凸点阵列结构与基板直接互连的一种方法。将芯片 用引线键合的方式与基板互连时，芯片的面是朝上的，这通常认为是正装形式，而倒装 芯片与正装形式相反，芯片的面朝下与基板上的焊区互连。
缺点：
1.芯片上要制作凸点，增加了工艺难度和成本。 2.焊点检查困难。 3.使用底部填充要求一定的固化时间。 4.使倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题属化层上制作钎料合金凸点
芯片面向下与基板上的金属化层对准
加热是钎料合金熔化，形成连接
在芯片与基板之间填充树脂并固化
曝光：
曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性化学反应，改变曝光部分的光刻胶在 显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和掩模相对应的图形。 接触式曝光 紫外光为光源的曝光方式 接近式曝光
投影式曝光
X射线曝光 电子束曝光 其他曝光方式
直接分步重复曝光 深紫外线曝光
紫外光为光源的三种曝光方式
接触式曝光可以提供很高的分辨率，但是掩模板与硅片直接接触时， 硅片上的杂质会对掩模板造成永久性损伤。因此发展了投影式曝光。
热压头 底充胶 液体粘合剂
封装基板
电容器
焊接凸点
优点： 1.互连线很短，互连产生的电容、电阻电感比引线键合和载带自动焊小得多。从而 更适合于高频高速的电子产品。 2.所占基板面积小，安装密度高。可面阵布局，更适合于多I/O数的芯片使用。 3.提高了散热能力，倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。 4.简化安装互连工艺，快速、省时，适合于工业化生产。
思路整理
硅锭制作 切割硅片 抛光
光 刻 等 工 艺
封装
切割