引线框架型IC封装

金刚砂轮划片设备
冷却水
工程主要由三部分组成
贴胶带固定
切割
硅圆
紫外线照射
紫外线
目的：通过紫外线照射，使 背面的胶带粘性减弱，以便 在后道工序中顺利地将每个 芯片分离
定位、方向识别标志
划片前
划片后
切割范围
切割痕
工程3 芯片粘接
将每个芯片逐个粘贴在引线框架的中央小岛部 要求：
1）芯片与小岛间有强固的结合力，耐各种冲击。 2）芯片与小岛间有良好的导电性、导热性
封装所需材料
晶圆
导电性粘接剂
金线
金属引线 芯片
封装树脂
塑封树脂
外腿
金属衬底
内腿
引线框架
引线框架型封装的关键技术
硅圆的研磨与切割
芯片的粘接固定
金属引线
芯片 封装树脂
金线键合
树脂塑封
外腿
外腿电镀焊锡
金属衬底
内腿
引脚的成形
对引线框架的要求
保证良好的导电性与导热性
保证良好的加工性
保证良好的机械强度
塑封范围
化
工程5 引线键合
用直径20-50µm金属线(金线、铜线或铝线等）将芯 片与引线框架内腿互连起来。
键合前
键合后
引线键合的主要方法
键合方式 bonder PKG 1st Bond 2nd Bond Wire
热压焊法
超声波-热压焊法
Nail Head Bonder
树脂塑封型(非气密性封装）
Ball Bond (Nail Head Bond)
作业内容 磨去背面多余部分的硅 将硅园切分成芯片 用粘结剂粘贴芯片 粘结剂固化 用金属线互连芯片与引线框架内腿 用树脂将芯片与内腿等塑封起来 树脂固化 切掉外引腿间的连接筋 在表面打印商标，型号，批号 在外腿表面镀覆Sn-Pb合金镀层 用冲压法将外腿做成所需形状 用专用设备检查外观，电性能等
工程1 背面研磨
现代微电子封装材料及封装技术
第三部分 电子封装原理与技术
李明
材料科学与工程学院
电子封装概论 引线框架型封装 球栅阵列型封装 二级电子封装（微组装） 电子封装材料 三维电子封装及系统封装
引线框架型封装
ＤＩＰ（Dual Inline Package）
ＱＦＰ（ Quad Flat Package ）
ＳＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ） ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded Package ）
保证与塑封树脂的结合强度 保证与金线的焊接性
保证良好的尺寸精度
引线框架的各部名称与作用
外腿：与印刷基板连接用
框体：支撑引线
小岛：固定芯片、
接地、导热
塑封范围
连筋： 支撑引线
防止树脂 外流
孔穴： 防止树 脂剥离
内腿：与芯片连接
镀银（或金）区： 保证与金线的焊接性
固定胶带：保证内腿不变形
引线框架封装工艺流程
Wedge Bond
99.99%Au , Au-Cu合金 φ20～50μm
条件
温度、压力
键合温度 300～350℃
优点
便宜、生产效率高 结合强度高
温度、压力、超声波 150～300℃ 昂贵、生产效率高 可低温键合
缺点
耐腐蚀性差
耐腐蚀性差
易形成金属间化合物
超音波焊法 Wedge Bonder 陶瓷PKG (气密性封装） Wedge Bond Wedge Bond Ａｌ-Si(1%) φ25～ 50μm 压力、超声波 室温～100℃ 耐腐蚀 室温操作、结合强度高
50-300μm
研磨前
研磨后
如果硅圆一开始就很薄将会是什么样呢？
正常厚度的硅圆
只有50μm厚时的硅圆
工程流程
1、贴保护胶带（taping）
保护胶带
硅圆
吸盘
2、背面研磨（Back Grind）
砂轮 吸盘
3、剥离保护胶带（detape）
剥离用胶带 保护胶带
硅圆 吸盘
4、清洗干燥（Washing ・Drying ）
芯片
Au-Si夹层薄膜
引线框架小岛
芯片 Au-Si夹层薄膜 引线框架小岛
Au-Si合金热平衡相图
2. Pd-Sn合金焊接法
用 Pb – Sn 合金薄膜作为 中间层，在保护气氛中加热、 进行熔融焊接。小岛表面要 求是镀金、镀 Pd - Ag 合金层 或 Cu 基材等。此方法可以得 到导热性好，柔性良好的过 渡层，故可缓解应力，利于 散热。可用于散热量加大的 芯片。但耐热性较差。
粘接芯片
⑧
⑨
⑩
⑧吸盘移动到涂好银浆的引线框架小岛上方。 ⑨吸盘下降，将芯片覆于小岛上,并加一定的力。 ⑩如果银浆的润湿性差的话，有时吸盘可以在施压的同时，X、Y方
向发出震动。
芯片粘接设备
银浆涂敷装置 dispenser unit
确认芯片位置的CCD照相机
机器手（吸盘） bonding head
硅圆 wafer
与芯片表面直接接触， 易造成芯片表面破损， 污染
工程4 固 化
将芯片粘贴在引线框架的中央小岛部后，需要放在烘干箱 中在氮气等的保护下，固化处理。固化条件一般为 200℃×2 h. （根据粘接剂种类：固化条件 150～300℃、30秒～2时间）
氮气等还原性气氛下
烘干炉中固化处理
目的：防 止内腿铜 表面的氧
银 结合面
超声-热压焊法的动作过程
放电电极
金球
金线与放电电 极间放电，形 成金球
引线框架加热 200-260度
开始
尖端金球与芯片电 极键合（键合1）
加压、超声波震动
全体提升
按一定轨迹引线，与框 架内腿键合（键合2）
加压、超声波震动
送丝压头上扬 到一定高度
超声-热压焊法的动作过程
引线键合装置
待加工品 供给部分
超声波的发振原理
压力 超声波
超声波是由叫压电振子压电性物质 （PZT系压电陶瓷：钛酸盐，锆酸盐类） 产生的。
所谓的压电性是指当给物质施加应力 时，他会发生电解而产生电流，反之进 行电解时物质会产生应力。
超声波的频率与施加电频率相同， 且振动方向一定要与芯片表面平行，而 压力与之垂直。
各种超声波振子
1. 背面研磨 2. 划片 3. 芯片粘接 4. 固化 5. 引线键合 6. 塑封 7. 固化 8. 切筋 9. 打印商标 10. 电镀焊锡 11. 成形 12. 性能检查
工程名称
Back Grind Dicing Die Bonding Post Die Bond Cure Wire Bonding Molding Post Mold Cure trimming Marking Solder plating Forming Electricity test
接的效果好。
此方法是当前最广泛采用的方法。
各粘接方法的条件
Au-Si合金熔接法
Pd-Sn合金焊接法
导电胶粘接法
接合状态
Au-百度文库i共晶合金
Pb-Sn合金系焊料
热固化树脂
芯片北面处理 无处理或 蒸镀Au膜
材
料 小岛表面
Au 或 Ag
蒸镀Ni,Ni-Au,Cr-Cu 等薄膜
Ag
无处理 镀Au或镀Ag
夹层薄膜 不用或Au-Si系薄膜
胶带
芯片
固定在引线框架上
顶针
涂敷银浆
①
支撑架
浆罐 喷头
②
L/F小岛
银浆
③
①向浆罐中施加压力，从喷头挤出银浆。 ②喷头位置下降，接触到小岛，涂敷银浆。 ③涂敷后的引线框架被传送到下一道工序。
传送带
拿取芯片
④
⑤
⑥
吸盘
芯片
胶带
顶针
⑦
④用CCD照相机确认芯片位置，吸盘向芯片位置移动。 ⑤由下部伸出顶针，顶起胶带，使芯片突起，然后吸 盘下降吸住芯片。 ⑥吸盘抓住芯片，向上提起。 ⑦顶针收回，硅圆托盘移动到下一个新片处。
吸盘 吸盘作为自动化生产中的机器手已被广泛使用。 其材质有金属的、橡皮的、塑料的等等。 从形状上看，有四面角锥状的、两面角锥状的，平板状的等。
四面和两面锥状
平板状
各种形状吸盘的比较
四面锥状
优点 位置精度高
缺点 造价高
两面锥状 平板状
适用范围广 某一方向上位置精度低 容易倾斜
造价低， 适用范围广
位置精度低
主要粘接方法
1. Au-Si合金熔接法
利用 Au 和 Si 可形成共晶体 的特点进行共晶熔接。引线框架 小岛上贴敷金膜或电镀金层，芯 片背面与之接触，并在保护气氛 中加热、加压，使形成共晶合金 的扩散层。此方法可以得到牢固 的结合强度。但当芯片尺寸很大 时，由于硅与小岛的热膨胀系数 的不同，芯片将会受到相当大的 应力，容易引起芯片的龟裂。另 外，由于此方法中使用了金，所 以成本很高。
昂贵、铝线时耐蚀性差
超声-热压焊法（常见方法）
超声-热压焊法
键合速度: 每秒3-15次
超声-热压焊法的键合原理
引线键合1：芯片侧的键合
滑移面 金
铝氧化膜 铝
结合面
金与铝间的金属间化合物
IMC Growth
Au Ball Au5Al2 Al Pad
Au Ball Au5Al2 Au2Al Al Pad
封装厂家从芯片制造商获得的芯片并不是分割好的芯片，而 是直径为6-12英寸的硅圆，且较厚。目的是防止芯片制造和运输过 程中的变形、受损、破裂。但实际封装所需芯片的厚度要求实际上 只有50 -300µm左右。
本工序就是将背面多余的部分通过研磨的方法减薄。
多晶硅 Al 氧化膜
单晶硅
数微米 625-725μm
Au-Si合金熔接法 Pd-Sn合金焊接法
接触电阻小
适合大批量生产
优点
导热性好
适于大型芯片 接触电阻小
导热性好
缺点
高温作业 高成本
耐热疲劳性差
适用
塑封体、
范围
陶瓷封装体
塑封体、 陶瓷封装体
导电胶粘接法 可室温作业 操作容易
耐热性差 芯片易受污染
塑封体
导电胶粘接的基本流程
涂敷银浆
从硅圆上取下芯片
机器手
使其开裂分开。此法为最古老的方法。由于裂口易出现不规则，本法 已基本被淘汰
激光刻蚀法 用大功率发振激光融化硅片，形成细沟痕，再用机械方法使其开
裂分开。此法已发现残留应力高，现只用于特殊半导体的划片。
金刚砂轮划片原理
硅圆 支撑环
高速旋转：30000rpm
金刚砂轮
固定粘胶带
冷却水、切削水均使用纯水 旋转方向
键合头
加工完成品 接纳部分
键合加工台
引线键合装置
Shinkawa/UTC-300BI)
引线框架的加热、固定部分
加工窗口部分
加工时
固定引线内腿的各种装置
A
A’
固定内退 框架内退
芯片
耐熱橡胶
加热板 小岛
超声-热压焊法主要参数
Ｚ方向
Ｙ方向
Ｘ方向
①压力 Ｚ方向压力，一般１０～３００ｇ ②超声波 频率：６０ｋ～１２０ｋＨｚ ③時間 超声波的震动時間：５～３０ｍｓ） ④温度 Cu系L/F ：200～240℃
顶针装置（下面） Plunge up unit
设备各部分的作用
喷头 喷头与注射针相似，可分为单嘴喷头和多嘴喷头。
单嘴喷头：几乎所有的产品都可适用，但生产效率低。 多嘴喷头：生产效率高，但只对应一种产品。
单嘴喷头的涂敷方法 （多次完成）
多嘴喷头的涂敷方法 （一次完成）
喷头的形状各种各样，要根据芯片大小、形状而定。
芯片
Pb-Sn夹层薄膜
引线框架小岛
芯片 Pb-Sn夹层薄膜 引线框架小岛
3. 导电胶粘接法
采用含有银粉的环氧树脂或
聚酰胺树脂等热固性树脂（通常
叫银浆：Ag Paste），在常温下
将芯片与小岛粘接，再加热固化
处理。导热、导电性主要靠其中
的银粉来完成。其主要特点是在
常温下可粘接操作，材料成本低
等，但到热、导电性不如金属粘
Au Ball Au5Al2 Au2Al AuAl2 Al Pad
Au Ball Au4Al Au5Al2 Au2Al AuAl AuAl2 Al Pad
Temperature/ Time
金-铝键合界面图
gold bond
IMC ——AuAl2 Al pad
引线键合2：引线框架内腿侧的键合
滑移面 金
温水清洗
干燥
工程2 划片
一片桂圆上有成百上千个芯片，对每一个芯片进行封装前， 必须先将其分离。
本工序是将硅圆上成百上千个芯片分割成单个独立的芯片
主要的划片方法
金刚砂论法 将金刚砂轮片高速转动，研磨切片。其特点是高效率，残留应力
低，是当前主要的划片方法。
金刚刀法 用金刚刀的尖角沿芯片边缘划沟，再利用芯片的脆性，用机械方法
硅圆推进方向
金刚砂轮片的构造
金刚砂轮片厚度：约30μm
硅圆 保护胶带
金刚砂粒 直径2-6数微米 镍基材
金刚砂轮片的构造
金刚砂轮
金刚砂轮片
金刚砂轮划片设备
東京精密：A-WD-4000B
金刚砂轮划片设备
切割后的硅圆清洗
机器手
金刚砂轮划片设备
砂轮片高速旋转装置
CCD照相机
切割盘：带有真空 吸盘，固定硅圆。
Side View Kaijyo/FB-118A 1481振動子
Shinkawa/UTC-200 UST-25A
Shinkawa/UTC-300BI UST-110A
Pb-Sn系薄膜
银浆
加热温度 条 夹层薄膜供给 件
400～460℃
带状、切断、 加热、加压
250～350℃
带状、切断、 加热、加压
常温 喷浆、印刷等
保护气氛
N2
N2
无（大气中）
后处理 适用的封装体
无 塑封体、陶瓷封装体
无
固化（150～300℃、
30秒～2时间）
塑封体、陶瓷封装体
塑封体
各粘接方法的特点比较