电子封装技术第3章

3.1 概述
在微电子封装中，半导体器件的失效约有1/4—1/3是由芯片互连引起的， 故芯片互连对器件长期使用的可靠性影响很大。在传统的WB中，互连引起的失 效主要表现为引线过长，与裸芯片易搭接短路，烧毁芯片；压焊过重，引线过 分变形，损伤引线，容易造成压焊处断裂；压焊过轻，或芯片焊区表面太脏， 导致虚焊，压焊点易于脱落；压焊点压偏，或因此键合强度大为减小，或造成 压焊点间距过小而易于短路；此外，压点处留丝过长，引线过紧、过松等，均 易引起器件过早失效。
在TAB和FCB中也存在WB中的部分失效问题，同时也有它们自身的特殊问题， 如由于芯片凸点的高度一致性差，群焊时凸点形变不一致，从面造成各焊点的 键合强度有高有低；由于凸点过低，使集中于焊点周围的热应力过大，而易造 成钝化层开裂；
WB、TAB和FCB不单主要作为芯片—基板间的电气互连形式，而且 还作为一种微电子封装形式，常称为零级“封装”。从微电子封装今后 的发展来看，将从有封装向少封装、无封装方向发展。而无封装就是通 常的裸芯片，若将这种无封装（未进行一级封装）的裸芯片用WB、TAB、 FCB的芯片互连方式直接安装到PWB基板上，即称为板上芯片和板上TAB 或板上FCB，这些统称为直接芯片安装（DCA）技术，它将在今后的微电 子封装中发挥更重要的作用。
3.5 倒装焊（FCB）技术 3.5.1 芯片凸点下多层金属化和凸点类
别 3.5.2 芯片凸点的制作工艺 3.5.3 FCB互连基板的金属焊区制作 3.5.4 凸点芯片的倒装焊接工艺
3.5.5 倒装焊接后的芯片下填充 3.5.6 C4技术与DCA技术的重要性 3.6 埋置芯片互连—后布线技术 3.7 芯片互连方法的比较
金属丝端部无法形成球形，即主要是楔形键合。
Al-Al超声键合不产Βιβλιοθήκη Baidu任何化合物，可以保证器件长期工作的可靠性。
第二键合点
第 一 键 合 点
3. 金丝球焊(超声热压焊)
金丝球焊具有操作方便、焊点牢固（直径25μm的Au丝焊接强度为 0.07-0.09N/点），压点面积大且无方向性，可实现微机控制下的高速 自动化焊接。金丝球焊机还可以带有超声功能，从而又具有超声焊的优 点，因此也叫做热压超声焊或热声焊。
2. Pb-Sn合金片焊接法
芯片背面为Au层或Ni层，基板为Au、Pd-Ag或Cu；保护气氛中烧结。
3. 导电胶粘接法 导电胶是含银且具有良好导热、导电性能的环氧树脂。这种方法不 需要芯片背面和基板具有金属化层，芯片粘接后，在烘箱中进行导电胶 的固化。
4. 有机树脂基粘接法 以上方法适合于晶体管或小尺寸的IC。大尺寸的IC，只要求芯片与 基板粘接牢固。可以使用高分子材料的有机粘接剂。
原理：在常温下利用超声机械振动带动丝与膜进行磨擦，使氧化膜破碎， 纯净的金属表面相互接触，通过磨擦产生的热量使金属之间发 生扩散，实现连接。
特点：1）可以适合细丝、粗丝以及金属扁带 2）不必外部加热。对器件无热影响 3）可以实现在玻璃陶瓷上的连接 4）适用于微小区域的连接
键合过程中丝的变形特性
在超声压接中，丝的变 形表现为两个阶段.第一阶段 主要发生丝与膜的磨擦过程； 第二阶段，丝与膜已经发生了 部分连接，主要发生的是劈刀 与丝之间的滑动过程。
3.1 概述 3.2 芯片粘接 3.3 引线键合（WB）技术
3.3.1 WB的分类与特点 3.3.2 引线键合的主要材料 3.3.3 Au-Al焊接的问题及其对策 3.4 载带自动焊（TAB）技术 3.4.1 TAB技术的发展状况 3.4.2 TAB技术的优点 3.4.3 TAB的分类 3.4.4 TAB技术的关键材料和关键技术 3.4.5 TAB芯片凸点的设计制作要点 3.4.6 TAB载带的设计要点 3.4.7 TAB载带的制作技术 3.4.8 TAB的焊接技术 3.4.9 TAB的可靠性 3.4.10 凸点载带自动焊（BTAB）简介 3.4.11 TAB的应用
第一键合点 芯片
超声热压焊的优势
结合了超声丝焊和热压焊两者的优点，比较超声热压焊和热 压焊的拉伸结果，在达到规定的强度超声热压焊的时间和温度都 比热压焊小得多，超声压接时，一般需要3微米以上的振幅和约1 秒的时间，而超声热压焊只需要十分之一的振幅和二十分之一的 时间。
热压焊和金丝球焊的区别
热压焊和热压超声焊（金丝球焊）的原理基本相同，区别在于热压键合 采用加热加压；而热超声键合采用加热加压加超声。3种引线键合方式各有特 点，也有各自适用的产品。但由于热超声键合可降低热压温度， 提高键合强 度，有利于器件可靠性等优点，热超声键合已取代了热压键合和超声键合， 成为引线键合的主流键合方式。
零级封装强调的是芯片与各级封装之间电路的连通工艺（如芯片焊 区与引脚、基板焊区或PWB焊区的连接，但不包含引脚与PWB的连接，后 者属于二级封装），可以在不同的封装形式中存在，如DIP、PGA、QFP、 BGA和DCA等等。零级封装与一级、二级和三级封装的共同作用使得芯片 实现其可靠的功能。
由于人们已经对WB有普遍的深入了解，本章只作简要的介绍；而对 国际上正在开发、应用、发展的TAB和FCB将详细论述。
劈刀内径
芯片焊区
热压焊第一焊点的外观
第二键合点
第 一 键 合 点
2. 超声焊
超声焊（超声键合），是利用超声波发生器产生的能量，通过磁致 伸缩换能器，在超高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅 杆传给劈刀，使劈刀相应振动；同时，在劈刀上施加一定的压力。劈刀 在两种力的作用下，带动Al丝在被焊焊区的金属化层（如Al膜）表面迅 速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性形变。这种形变破坏了Al层界面的 氧化层，使两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。
热压键合的机理
键合所施加的压力使 金球发生很大的塑性变形， 其表面上的滑移线使洁净 面呈阶梯状，并在薄膜上 也切出相应的凸凹槽，表 面的氧化膜被破坏，洁净 面之间相互接触，发生扩 散，产生了连接。
热压焊的焊点一般为球形、楔形、针形和锥形等。焊接压力一般是 0.5-1.5N/点。压焊时，芯片与焊头均要加热，焊头加热到150℃左右，芯 片通常加热到200℃以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层。同时，由于芯片 加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温（>200℃）下 形成异质金属（Au-Al）间化合物——“紫斑”和“白斑”，使压焊点接触 电阻增大，影响器件的可靠性和使用寿命。
WB(引线键合技术)示意图
WB键合芯片
3.3.1 WB的分类与特点
1. 热压焊 热压焊是利用加热和加压力，使金属丝（Au丝）与金属焊区（Al或 Au）压焊在一起。其原理是通过加热和加压力，使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。
超声键合与热压焊相比，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（40μmAl丝的焊接强度可达0.1N/点 以上）。超声焊不需加热，可在常温下进行，因此对芯片性能无损害， 并且可以根据不同的需要随时调节超声键合能量和条件，以适应不同尺 寸的Al丝或Al带。
超声键合采用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。 由于键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。注：超声焊没有电火花加热过程，因此
芯片焊区与封装引脚的键合一般使用WB技术；芯片焊区与基板 焊区或PWB焊区之间的键合可以应用WB、TAB和FCB的方式。芯片焊 区与引脚、基板焊区的连接属于一级封装的芯片互连，而与PWB焊 区的连接属于二级封装的芯片互连。
3.2 芯片粘接
芯片的焊接是指半导体芯片与载体形成牢固的、传导性或绝缘性 连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器 件提供良好的散热通道。
球焊时，衬底需加热（金丝不需加热），压焊时加超声，因此加热 温度远低于热压焊（100℃左右），所加压力一般为0.5N/点，与热压焊 相同。由于是Au-Al接触热声焊，尽管加热温度低，仍有Au-Al中间化合 物生成。球焊只适于使用温度较低、功率较小的IC和中小功率晶体管的 焊接。
第二键合点
引线框架
金丝球焊
为了减小Au-Al金属间化合物的产生，应避免高温下长时间 压焊，器件的使用温度也应尽可能低一些。
3.4 载带自动焊（TAB）技术
3.4.1 TAB技术的发展状况
TAB技术早在1965年就由美国通用电气（GE）公司研究发明出来， 当时称为“微型封装”。1971年，法国Bull SA公司将它称为“载带 自动焊”。这是一种有别于且优于WB、用于薄型LSI芯片封装的新型 芯片互连技术。
热压焊时，金属丝因变形过大而受损，焊点键合拉力小（<0.05N/点）， 因此热压焊使用越来越少。
用高压电火花使金属丝端部熔成球形， 在IC 芯片上加热加压，使接触 面产生塑性变形并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之 间的扩散结合而完成球焊（第一焊点）；然后，焊头通过复杂的三维移动到 达集成电路底座外引线的内引出端，再加热加压完成楔焊（第二焊点），从 而完成一根线的连接。
第一焊点要使金属丝端部熔成球形，而第二焊点不必在金属丝端部熔成 球形，是利用劈刀的特定形状施加压力以拉断金属丝。重复前面的过程，进 行第二根、第三根……金属丝的焊接。
劈刀下降，锁定焊球（劈刀未 夹紧金丝，内径大于金丝直径）
内引脚或 基板焊区
电极
电弧 成球
金丝球
芯
劈刀下降，锁定焊球
片
焊
区
加热 &加压
3.3 引线键合（WB）技术
WB是将半导体芯片焊区（芯片I/O端）与微电子封装的I/O引线（封装 引脚）或基板（或PWB）上的金属布线焊区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Au丝、Al丝或Si-Al丝。其焊接方式主要有热压焊、超声键合焊（超 声压焊）和金丝球焊（超声热压焊）三种。
3.3.2 引线键合的主要材料
热压焊和金丝球焊主要选用Au丝，超声焊主要用Al丝和Si-Al丝， 或Cu-Si-Al丝等，且均需要经过退火处理。Au-Au和Al-Al同种金属间不 会形成有害的金属间化合物。
3.3.3 Au-Al焊接的问题及其对策
焊区和IC布线的材料主要是Al，而焊接材料除了Al丝超声焊外，更 多的是Au丝球焊和热压焊。Al丝超声焊不会产生金属间化合物（均是 Al），而Au丝球焊和热压焊则会因为Au-Al接触而产生金属间化合物 AuAl2（300℃，紫斑），引起焊接的失效。除紫斑外，还有可能生成Au2Al （白斑）等化合物。
1. Au-Si合金共熔法
芯片背面沉积Au层，基板或PWB上要有金属化层（一般为Au或Pd钯Ag）。由于芯片背面有Si，而Au和Si在370℃有共熔点，这样，在芯片 烧结（即焊接）时，根据烧结温度就能知道一定厚度的Au大约能够使Si 溶解多深。
Au-Si合金共熔法可在多个IC芯片装好后在H2保护下烧结，也可用 超声熔焊法逐个芯片超声熔焊。
夹紧金丝，拉断
形成楔形焊点后劈 刀上升至一定高度
与焊区键合（第一键 合点）后劈刀上升
加热&加压
劈刀快速移至第二 键合点，形成弧形
不同材料的形球工艺
金丝形球的规范 为15mA，30s；而在 此参数下，即使有氩 气保护，生成的铝球 外观皱折，内部充满 空洞。铝球的最佳规 范为电流5A，时间 0.38ms，Ar+H2保护。
TAB是连接芯片焊区和基板焊区（或PWB焊区）的桥梁，包括芯 片焊区凸点形成、载带引线制作、载带引线与芯片凸点焊接（内引 线焊接）、载带外引线焊区与基板（或PWB）焊区的外引线焊接几部 分。
将IC芯片固定安装在基板上时，需要芯片和基板之间形成良好的 欧姆接触。
芯欧片姆与接基触板是间指良金属好与的半欧导姆体接的触接是触保，证而其功接率触器面件的正电常阻工值作远的小于前半提。 欧导触姆体面接本。触身 欧不的姆良电接会阻触使，指器使的得是件组 它热件不阻操产加作生大时明，，显散大的热部附不分加的阻均电抗匀压，，降而影在且响活 不电动会流区使在而半器不导在体件接内中的 分部布的，平破衡坏载器流件子的浓热度发稳生定显性著，的甚改至变使。器件烧毁。