微电子封装技术

第一章绪论1、封装技术发展特点、趋势。

（P8）发展特点：①、微电子封装向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向引出向面阵列排列发展；②、微电子封装向表面安装式封装（SMP）发展，以适合表面安装技术（SMT）；③、从陶瓷封装向塑料封装发展；④、从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移。

发展趋势：①、微电子封装具有的I/O引脚数将更多；②、应具有更高的电性能和热性能；③、将更轻、更薄、更小；④、将更便于安装、使用和返修；⑤、可靠性会更高；⑥、性价比会更高，而成本却更低，达到物美价廉。

2、封装的功能（P19）电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护。

3、封装技术的分级（P12）零级封装：芯片互连级。

一级封装：将一个或多个IC芯片用适宜的材料（金属、陶瓷、塑料或它们的组合）封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用如上三种芯片互连方法（WB、TAB、FCB）连接起来使之成为有实用功能的电子元器件或组件。

二级封转：组装。

将上一级各种微电子封装产品、各种类型的元器件及板上芯片（COB）一同安装到PWB或其它基板上。

三级封装：由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，立体组装。

4、芯片粘接的方法（P12）只将IC芯片固定安装在基板上：Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导电胶粘接法、有机树脂基粘接法。

芯片互连技术：主要三种是引线键合（WB）、载带自动焊（TAB）和倒装焊（FCB）。

早期有梁式引线结构焊接，另外还有埋置芯片互连技术。

第二章芯片互连技术（超级重点章节）1、芯片互连技术各自特点及应用引线键合：①、热压焊：通过加热加压力是焊区金属发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层使压焊的金属丝和焊区金属接触面的原子间达到原子引力范围，从而使原子间产生引力达到键合。

两金属界面不平整，加热加压可使上下金属相互镶嵌；加热温度高，容易使焊丝和焊区形成氧化层，容易损坏芯片并形成异质金属间化合物影响期间可靠性和寿命；由于这种焊头焊接时金属丝因变形过大而受损，焊点键合拉力小（＜0.05N/点），使用越来越少。

②、超声焊：利用超声波发生器产生的能量和施加在劈刀上的压力两者结合使劈刀带动Al丝在被焊区的金属化层表明迅速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性形变来实现原子间键合。

与热压焊相比能充分去除焊接界面的金属氧化层，可提高焊接质量，焊接强度高于热压焊；不需要加热，在常温下进行，因此对芯片性能无损害；可根据不同需要随时调节键合能量，改变键合条件来焊接粗细不等的Al丝或宽的Al带；AL-AL超声键合不产生任何化合物，有利于器件的可靠性和长期使用寿命。

③、金丝球焊：球焊时，衬底加热，压焊时加超声。

操作方便、灵活、焊点牢固，压点面积大，又无方向性，故可实现微机控制下的高速自动化焊接；现代的金丝球焊机还带有超声功能，从而具有超声焊的优点；由于是Au-Al接触超声焊，尽管加热温度低，仍有Au-Al中间化合物生成。

球焊用于各类温度较低、功率较小的IC和中、小功率晶体管的焊接。

载带自动焊：TAB结构轻、薄、短、小，封装高度不足1mm；TAB的电极尺寸、电极与焊区节距均比WB大为减小；相应可容纳更高的I/O引脚数，提高了TAB的安装密度；TAB的引线电阻、电容和电感均比WB小得多，这使TAB互连的LSI、VLSI具有更优良的高速高频电性能；采用TAB互连可对各类IC芯片进行筛选和测试，确保器件是优质芯片，大大提高电子组装的成品率，降低电子产品成本；TAB采用Cu箔引线，导热导电性能好，机械强度高；TAB的键合拉力比WB高3~10倍，可提高芯片互连的可靠性；TAB使用标准化的卷轴长度，对芯片实行自动化多点一次焊接，同时安装及外引线焊接可实现自动化，可进行工业化规模生产，提高电子产品的生产效率，降低产品成本。

TAB广泛应用于电子领域，主要应用与低成本、大规模生产的电子产品，在先进封装BGA、CSP和3D封装中,TAB也广泛应用。

倒装焊：FCB芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连，因此FCB的互连线非常短，互连产生的杂散电容、互连电阻和电感均比WB和TAB小的多，适于高频高速的电子产品应用；FCB的芯片焊区可面阵布局，更适于搞I/O数的LSI、VLSI芯片使用；芯片的安装互连同时进行，大大简化了安装互连工艺，快速省时，适于使用先进的SMT进行工业化大批量生产；不足之处如芯片面朝下安装互连给工艺操作带来一定难度，焊点检查困难；在芯片焊区一般要制作凸点增加了芯片的制作工艺流程和成本；此外FCB同各材料间的匹配产生的应力问题也需要很好地解决等。

2、WB特点、类型、工作原理（略）、金丝球焊主要工艺、材料（P24）金丝球焊主要工艺数据：直径25μm的金丝焊接强度一般为0.07~0.09N/点，压点面积为金丝直径的2.5~3倍，焊接速度可达14点/秒以上，加热温度一般为100℃，压焊压力一般为0.5N/点。

材料：热压焊、金丝球焊主要选用金丝，超声焊主要用铝丝和Si-Al丝，还有少量Cu-Al丝和Cu-Si-Al丝等。

3、TAB关键材料与技术（P29）关键材料：基带材料、Cu箔引线材料和芯片凸点金属材料。

关键技术：①芯片凸点制作技术②TAB载带制作技术③载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。

4、TAB内外引线焊接技术（P37）①内引线焊接（与芯片焊区的金属互连）：芯片凸点为Au或Ni-Au、Cu-Au等金属，载带Cu箔引线也镀这类金属时用热压焊（焊接温度高压力大）；载带Cu箔引线镀0.5μm厚的Pb-Sn或者芯片凸点具有Pb-Sn时用热压再流焊（温度较低压力较小）。

焊接过程：对位→焊接→抬起→芯片传送焊接条件：主要由焊接温度（T）、压力（P）、时间（t）确定，其它包括焊头平整度、平行度、焊接时的倾斜度及界面的侵润性，凸点高度的一致性和载带内引线厚度的一致性也影响。

T=450~500℃，P≈0.5N/点，t=0.5~1s焊接后焊点和芯片的保护：涂覆薄薄的一层环氧树脂。

环氧树脂要求粘度低、流动性好、应力小切Cl离子和α粒子含量小，涂覆后需经固化。

筛选测试：加热筛选在设定温度的烘箱或在具有N2保护的设备中进行；电老化测试。

②外引线焊接（与封装外壳引线及各类基板的金属化层互连）：供片→冲压和焊接→回位。

5、FCB特点、优缺点（略，同1）6、UBM含义概念、结构、相关材料（P46）UBM（凸点下金属化）：粘附层-阻挡层-导电层。

粘附层一般为数十纳米厚度的Cr、Ti、Ni等；阻挡层为数十至数百纳米厚度的Pt、W、Pd、Mo、Cu、Ni等；导电层金属Au、Cu、Ni、In、Pb-Sn等。

7、凸点主要制作方法（P47—P58）蒸发/溅射凸点制作法、电镀凸点制作法、化学镀凸点制作法、打球（钉头）凸点制作法、置球及模板印刷制作焊料凸点、激光凸点制作法、移置凸点制作法、柔性凸点制作法、叠层凸点制作法、喷射Pb-Sn焊料凸点制作法。

8、FCB技术及可靠性（P70—P75）热压FCB可靠性、C4技术可靠性、环氧树脂光固化FCB可靠性、各向异性导电胶FCB可靠性、柔性凸点FCB可靠性9、C4焊接技术特点（P61）C4技术，再流FCB法即可控塌陷芯片连接特点：①、C4除具有一般凸点芯片FCB优点外还可整个芯片面阵分布，再流时能弥补基板的凹凸不平或扭曲等；②、C4芯片凸点采用高熔点焊料，倒装再流焊时C4凸点不变形，只有低熔点的焊料熔化，这就可以弥补PWB基板的缺陷产生的焊接不均匀问题；③、倒装焊时Pb-Sn焊料熔化再流时较高的表面张力会产生“自对准”效果，这使对C4芯片倒装焊时的对准精度要求大为宽松。

10、底封胶作用（P67）保护芯片免受环境如湿气、离子等污染，利于芯片在恶劣环境下正常工作；使芯片耐受机械振动和冲击；减少芯片与基板间热膨胀失配的影响；可避免远离芯片中心和四角的凸点连接处的应力和应变过于集中。

这些最终可使芯片可靠性大大提高。

11、各向同性、各向异性导电胶互连原理（P65）ACA倒装焊原理：先在基板上涂覆ACA，将带有凸点的IC芯片与基板上的金属焊区对位后在芯片上加压并进行ACA固化，这样导电粒子挤压在凸点与焊区之间，使上下接触导电，而在xy平面各方向上导电粒子不连续，故不导电。

第三章插装元器件的封装技术1、插装元件分类（P80）按外形结构：圆柱形外壳封装（TO）、矩形单列直插式封装（SIP）、双列直插式封装（DIP）、针栅阵列封装（PGA）等。

按材料：金属封装、陶瓷封装、塑料封装等。

2、DIP封装技术工艺流程（P84）陶瓷熔封DIP（CDIP）：生瓷料准备→流延制模→冲片冲腔→冲孔并填充金属化→金属化印制→叠片压层→热切→侧面金属化印制→排胶烧结→电镀或化学镀Ni→钎焊封口环和外引线→电镀Ni-Au→外壳检漏、电测试→IC芯片安装→引线键合→IC芯片检测→封盖→检漏→成品测试→打印包装。

塑封型DIP（PDIP）：将IC芯片用粘接剂粘接在引线框架的中心芯片区，IC芯片各焊区与局部电镀Ag的引线框架各焊区用WB连接，然后将引线框架置于塑封模具下模并盖上上模，将环氧坯料注入注塑机加热模具至150℃~180℃，保温2~3min后脱模，清除毛刺并对引线切筋后打弯成90°即成标准PDIP。

最后进行高温老化筛选并充分固化，测试分选打印包装出厂。

3、PGA技术的特点（P86）PGA针引脚以2.54mm节距在封装底面上呈栅阵排列，所以I/O数高达数百乃至上千个；PGA是气密封的，所以可靠性搞；PGA制作工艺复杂、成本高，故适于可靠性要求高的军品使用。

4、金属外壳封装主要原理和封装技术（P87-92）特点：良好的热、电、机械性能；使用温度范围广；气密性优良；封装多为金属外壳配合陶瓷基板封装，壳体较大；封装单芯片和厚、薄膜HIC。

分类：浅腔式外壳系列、平板式、扁平式、功率外壳式、AIN陶瓷基板外壳系列等。

封装技术：典型HIC组装/封装技术，以SMC/SMD 与IC芯片混合组装为例。

优点：陶瓷基板导热系数比PWB高一个数量级以上，传热快，受热均匀，焊接时温度低，焊料熔化一致性好，焊接缺陷大为减少；热匹配好，界面应力降低，降低热循环造成的疲劳失效；可允许更高的功率密度；化学稳定性好。

缺点：制作工艺复杂；难以制作平整的大基板；成本高。

工艺流程：成膜基板制备→组装前的清洗→贴装SMC/SMD→再流焊→焊后清洗→芯片粘接、固化和清洗→芯片引线键合→封帽钱检验。

封帽工艺：熔焊封接法（平行缝焊、激光焊、电焊）和焊料封接法。

第四章表面安装元器件的封装技术1、SMD分类和优缺点（P98）按封装外形：“芝麻管”形、圆柱形、SOT形、PQFP、PLCC、BGA/CSP、裸芯片安装DCA。