1、陳仁章機(jī)電工程學(xué)院桂林電子科技大學(xué)封裝工藝與設(shè)備的關(guān)系電子產(chǎn)品封裝概述半導(dǎo)體封裝技術(shù) 半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展的5個階段：封裝技術(shù)封裝技術(shù)將一個或多個芯片有效和可靠地封裝互連起來，以達(dá)到：1，提供給芯片電流通路；2，引入或引出芯片上的信號；3，導(dǎo)出芯片工作時產(chǎn)生的熱量；4，保護(hù)和支撐芯片，防止惡劣環(huán)境對它的影響。IC發(fā)展的歷程及其封裝形式 膜IC（無源） 厚膜IC 薄膜IC有源半導(dǎo)體ICIC雙極型MOS型小規(guī)模IC（SSI）中規(guī)模IC（MSI）大規(guī)模IC（LSI）超大規(guī)模IC（VLSI）特大規(guī)模IC（ULSI）混合IC（HLC） 先進(jìn)HISQFPBGACSPFCMCM/MCP3D 系統(tǒng)封裝（Sip/

2、Sop)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/MOEMS）系統(tǒng)級芯片（SoC)封裝工藝與設(shè)備先進(jìn)的封裝設(shè)備和制造工藝是密不可分的，沒有設(shè)備的工藝無疑是之上談兵，沒有工藝的設(shè)備則必然是無源之水。設(shè)備與工藝要緊密結(jié)合在一起。工藝設(shè)備促進(jìn)決定先進(jìn)封裝技術(shù)晶圓處理工藝設(shè)備晶圓測試工藝設(shè)備晶圓測試技術(shù)： 晶圓上芯片的探針測試，確定其功能與性能；是制造工藝中降低成本的一種手段。前道制芯工藝探針測試臺晶圓背面磨削減薄晶圓探針測試臺即探針臺，用來測試晶圓上每個芯片電路特性的。通過探針卡實(shí)現(xiàn)芯片上每個焊區(qū)與測試儀的穩(wěn)定連接，由測試儀判定芯片的好壞。主要完成：1，電氣測試2，參數(shù)測試探針測試臺的分類主要包括： 1，X-Y向工作臺

3、 2，可編程承片臺 3，探針卡/探針卡支架 4，打點(diǎn)器、探邊器 5，操作手柄 6，與測試儀相連的通信接口用于各種半導(dǎo)體器件芯片的電能參數(shù)測試，用手動控制進(jìn)行器件特性分析和工藝驗(yàn)證分析。在人工完成第一個芯片對準(zhǔn)后，按程序?qū)崿F(xiàn)晶圓上所有芯片測試功能的測試設(shè)備。 CJ-5型雙電測四探針測試儀晶圓減薄工藝設(shè)備主要方式：磨削、研磨、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、干式拋光（dry polishing）、電化學(xué)腐蝕（electrochemical etching）、濕法腐蝕（wet etching）、等離子輔助化學(xué)腐蝕（PACE）、常壓等離子腐蝕（ADPE）旋轉(zhuǎn)工作臺磨削（surface grinding on

4、a rotary table）D100mm，工作臺4旋轉(zhuǎn)做圓周進(jìn)給運(yùn)動。晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削（wafer rotating grindingwafer rotating grinding）晶圓和磨輪繞各自的軸回旋，磨輪垂直向下進(jìn)行縱向切入磨削。磨輪進(jìn)給系統(tǒng)向下運(yùn)動的速度越小，對未加工材料破壞越小。縱向切入：將旋轉(zhuǎn)的研削磨輪自上而下地切入自旋的被加工物，并研削加工至規(guī)定厚度尺寸的研削方法。晶圓減薄機(jī)關(guān)鍵零部件承片臺分度工作臺空氣靜壓電主軸磨輪進(jìn)給系統(tǒng)折臂機(jī)械手研磨應(yīng)力去除技術(shù) 化學(xué)機(jī)械式拋光（CMP） 濕式化學(xué)腐蝕(wet etching)干式腐蝕(dry etching)干式拋光(dr

5、y polishing)目的：去除研磨后的變質(zhì)層，使芯片的強(qiáng)度得到提高。晶圓劃片工藝設(shè)備劃切刃具支撐（金剛刀支架、主軸或激光器）、Z向劃切深度控制、Y向分度定位、X向劃切進(jìn)給以及向平行調(diào)整。具備四維基本運(yùn)動。砂輪劃片機(jī)X軸：帶動被劃材料快速進(jìn)入開槽劃片運(yùn)動。Y軸：帶動空氣空氣主軸準(zhǔn)確送進(jìn)所需劃切槽距。Z軸：主軸升降，實(shí)現(xiàn)所需的開槽和劃片深度。軸：實(shí)現(xiàn)所需劃切角度。干式激光劃片機(jī)砂輪式劃片具固有的劃切道寬度問題，激光劃片機(jī)大大減小其寬度。微水導(dǎo)激光劃片機(jī)主要優(yōu)勢：消除熱影響區(qū)。 微水導(dǎo)激光基本原理 傳統(tǒng)激光總會有能量殘留在劃切道上，該能量的累積和傳導(dǎo)是造成熱損傷的主要原因。 而微水導(dǎo)激光因水柱的

6、作用，將每個脈沖殘留的熱量迅速帶走，不會積累在工件上。芯片互連工藝設(shè)備芯片鍵合技術(shù)將芯片安裝固定在封裝基板或外殼上，常用的鍵合材料包括導(dǎo)電環(huán)氧樹脂、金屬焊料等。分共晶鍵合和黏合劑鍵合兩種方式。共晶鍵合：涂敷共晶鍵合材料，加熱、加壓，并驅(qū)動芯片往復(fù)摩擦。 黏合劑鍵合：涂布黏合劑，然后放置芯片，在烘箱中加熱固化，形成鍵合界面。芯片鍵合設(shè)備主要組成部分：承片臺：承載著芯片的藍(lán)膜框架，驅(qū)動其在XY兩個方向運(yùn)動以便取芯。點(diǎn)膠系統(tǒng)：涂覆黏合劑，分點(diǎn)蘸式和噴涂式。鍵合頭：完成芯片的拾取和放置，分?jǐn)[臂式和直線式。視覺系統(tǒng)：由光路、照明和攝像頭組成。用于芯片自動定位。物料傳輸系統(tǒng)：負(fù)責(zé)料條（引線框架或PCB基板

7、）的自動操作。上/下機(jī)箱及基座：固定支撐設(shè)備以及容納電系控制系統(tǒng)和其他附件。芯片鍵合機(jī)芯片鍵合機(jī)芯片鍵合機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是：整機(jī)運(yùn)動控制、點(diǎn)漿、芯片拾取機(jī)構(gòu)以及圖像識別系統(tǒng)。芯片鍵合設(shè)備的關(guān)鍵在于高速、精確、可靠地拾取和放置芯片。鍵合頭運(yùn)動的精度和速度是保證設(shè)備精度、可靠性、一致性和效率的關(guān)鍵。引線鍵合技術(shù)互連工藝確立芯片和外部的電氣連接。半導(dǎo)體內(nèi)部的互連方式分為引線連接和非引線連接兩種。引線連接即引線鍵合（wire bonding）非引線連接分為載帶自動鍵合（TAB）與倒裝芯片（FC）兩種。 WBTABFC引線鍵合設(shè)備主要組成部分：XY工作臺：提供形成復(fù)雜線弧形狀所需的鍵合面內(nèi)的高速精度運(yùn)動。鍵

8、合頭：提供鍵合過程中垂直于鍵合面的運(yùn)動，同時承載超聲波換能器、 線夾、電子打火桿等小構(gòu)件。視覺系統(tǒng)：由光路、照明和攝像頭組成。用于芯片自動定位和焊后檢查。物料傳輸系統(tǒng)：負(fù)責(zé)料條（引線框架或PCB基板）的自動操作。上/下機(jī)箱及基座：固定支撐設(shè)備以及容納電系控制系統(tǒng)和其他附件。引線鍵合機(jī)引線鍵合主要工藝參數(shù)：（1）鍵合溫度：指外部提供的溫度。常安裝傳感器監(jiān)控瞬態(tài)溫度。（2）鍵合時間：鍵合時間長，引線球吸收能量多，鍵合點(diǎn)直徑大，界面強(qiáng)度大，但鍵合點(diǎn)過大會超出焊盤邊界導(dǎo)致空洞生成。（3）超聲功率：對鍵合球的變形起主導(dǎo)作用。超聲波的水平振動是導(dǎo)致焊盤破裂的最大原因。（4）鍵合壓力：增大超聲功率通常需要增

9、大鍵合壓力，但壓力過大會阻礙鍵合工具的運(yùn)動。（5）線弧控制：IC封裝尺寸減小以及I/O引腳增加，線弧間距越來越近。載帶自動焊技術(shù)載帶自動焊（TAB）是一種將IC芯片安裝和互連到柔性金屬化聚合物載帶上的IC組裝技術(shù)。載帶內(nèi)引線鍵合到IC芯片上，外引線鍵合到常規(guī)封裝或PWB上。焊接過程：對位 焊接 抬起 芯片傳送（1）供片（2）沖壓焊接（3）回應(yīng)載帶自動鍵合工藝設(shè)備主要組成部分：承片臺：承載、固定芯片并移動芯片與其上方的載帶引腳進(jìn)行對準(zhǔn)。熱壓頭：把對準(zhǔn)的芯片焊區(qū)和載帶引腳壓合在一起，加熱加壓鍵合。視覺系統(tǒng)：由光路、照明、攝像頭、圖像采集卡和視覺算法組成。物料傳輸系統(tǒng)：負(fù)責(zé)TAB工藝中柔性載帶的自動

10、操作。TAB設(shè)備是一次性完成芯片上所有焊區(qū)連接和芯片機(jī)械固定的并行芯片互連設(shè)備，具有較高生產(chǎn)效率。主要設(shè)備： 熱壓焊機(jī)：加熱加壓使被焊接金屬產(chǎn)生足夠的塑性變形，形成原子間結(jié)合。 （熱壓）回流焊機(jī)：熔化軟釬焊料，實(shí)現(xiàn)焊端與焊盤的機(jī)械電氣連接。芯片封裝工藝設(shè)備芯片封裝工藝氣密封裝工藝塑料封裝工藝金屬封裝陶瓷封裝氣密封裝工藝大多能防止液體及氣體滲透。金屬封裝：尺寸嚴(yán)格、精度高、金屬零件便于大量生產(chǎn)、價格低、性能優(yōu)良陶瓷封裝：提供IC芯片氣密性的密封保護(hù)，具有優(yōu)良的可靠度。氣密封裝設(shè)備主要有平行焊縫機(jī)和激光熔焊機(jī)平行焊縫機(jī) 平行焊縫機(jī)工作原理平行焊縫機(jī)屬于電阻熔焊，通過電流在接觸電阻處產(chǎn)生焦耳熱量，形

11、成局部熔融狀態(tài)，凝固后形成一個焊點(diǎn)。激光熔焊機(jī)激光熔焊機(jī)直接將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。塑料封裝工藝設(shè)備塑料封裝類型通孔插裝式安裝芯片 雙列直插式封裝（PDIP）、單列直插式封裝（SIP）、針柵陣列封裝（PPGA）表面貼裝小外形封裝（SOP）、引線片式載體（PLCC）、四邊引線扁平封裝（PQFP）塑封設(shè)備模塑技術(shù)的工藝設(shè)備包括：排片機(jī)：對線框進(jìn)行塑封前的自動排片以及預(yù)熱處理，實(shí)現(xiàn)工序自動化。預(yù)熱機(jī)：對塑封料的預(yù)熱、產(chǎn)品的預(yù)熱。傳遞模壓機(jī)：通過加壓，將熱固性材料引入閉合模腔內(nèi)制造塑封元件。鑄模設(shè)備：將所需的原料分別

12、置于兩組容器中攪拌，再輸入鑄孔中使其 發(fā)生聚合反應(yīng)完成塑封。 去溢料機(jī)：清除塑料封裝中塑封樹脂溢出、貼帶毛邊、引線毛刺。先進(jìn)封裝工藝設(shè)備球柵陣列（BGA）封裝工藝是按二維（平面）排列的焊料球與印刷線路板連接后的集成電路外部封裝形式。典型BGA封裝結(jié)構(gòu)倒裝芯片鍵合工藝設(shè)備芯片以凸點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)與基板直接安裝互連。優(yōu)點(diǎn)：1，克服了引線鍵合焊區(qū)中心極限問題。2，在芯片的I/O分布更便利。3，為高頻率、大功率器件提供更完善的信號倒裝芯片鍵合技術(shù)倒裝芯片焊接的工序?yàn)椋荷匣?吸取芯片 芯片翻轉(zhuǎn) 浸蘸助焊劑 倒貼芯片 回流焊 基板預(yù)熱 底部填充膠涂布 基板二次加熱 底部填充膠固化 成品系統(tǒng)倒裝芯片工藝流程圖主

13、要過程： UBM制作凸點(diǎn)生成倒裝鍵合底部填充倒裝 芯片鍵合設(shè)備關(guān)鍵部件視覺檢測系統(tǒng)：為整機(jī)的機(jī)械運(yùn)動提供位置參數(shù)，控制機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 三維工作臺：接收視覺系統(tǒng)輸出，完成芯片和基板的定位和對中。 精密鍵合頭：具有真空吸附功能，芯片定位后加壓以及超聲波鍵合。 多自由度機(jī)密對準(zhǔn)系統(tǒng)：用于對準(zhǔn)，確保貼裝精度及速度。超聲換能系統(tǒng)：提供超聲能并轉(zhuǎn)換成超聲振動能。倒裝鍵合機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成晶圓級CSP封裝（WLCSP）工藝設(shè)備形成封裝體的各工藝步驟均在未分切的完整晶圓上完成的封裝形式。WLCSP的特性優(yōu)點(diǎn)原芯片尺寸最小封裝方式；數(shù)據(jù)傳輸路徑短、穩(wěn)定性高；散熱特性佳；晶圓級封裝設(shè)備重布線/UBM制作：投影光刻機(jī)、

14、接近光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、濺射臺、CVD凸點(diǎn)生成：上述設(shè)備以及電鍍設(shè)備、絲網(wǎng)印刷機(jī)、金絲球焊機(jī)、回流爐。 測試、打印、包裝：測試/打標(biāo)/分選機(jī)WLCSP封裝原理圖系統(tǒng)級封裝（SiP）工藝設(shè)備在單一標(biāo)準(zhǔn)封裝體內(nèi)集成各種器件實(shí)現(xiàn)多種功能，將數(shù)種功能合并入單一模組中，達(dá)到系統(tǒng)級多功能的封裝形式。系統(tǒng)集成的主要技術(shù)路線：系統(tǒng)級芯片集成技術(shù)（SoP, system-on-chip）;多芯片封裝技術(shù)(MCM, multi chip module);系統(tǒng)級封裝技術(shù)(Sip, system-in-package)。SiP橫截面示意圖。其主要設(shè)備與晶圓級設(shè)備接近或相同。三維芯片集成工藝設(shè)備三維立體封裝（3D）是在垂直

15、于芯片表面的方向上堆疊，互連兩片以上裸片封裝。典型的3D封裝結(jié)構(gòu)疊成型3D封裝方法三維封裝技術(shù)三維封裝技術(shù)芯片堆疊互連硅通孔（TSV）3D 互連技術(shù)疊層多芯片模塊 3D封裝疊成封裝（POP） POP工藝流程厚、薄膜電路封裝工藝設(shè)備厚膜電路封裝工藝厚膜圖形形成：多層厚膜印刷法；多層生片共燒法。厚膜金屬化：在陶瓷基板上燒結(jié)形成釬焊金屬層、電路及引線接點(diǎn)。陶瓷基板：氧化鋁陶瓷基板，較好的傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性。漿料：導(dǎo)體、電阻和絕緣漿料。絲網(wǎng)網(wǎng)版制作：直接制版法；間接制版法。厚膜絲網(wǎng)印刷：利用絲網(wǎng)印刷工藝。厚膜電路組裝：組裝形成厚膜混合集成電路。厚膜電路工藝設(shè)備 絲網(wǎng)印刷機(jī)：采用絲網(wǎng)印刷將定量的

16、焊膏涂覆在PCB各制定位置上。厚膜電路光刻機(jī)：進(jìn)一步提高絲網(wǎng)印刷的精細(xì)度。燒結(jié)爐：加熱隧道，傳送產(chǎn)品的部件。激光調(diào)阻機(jī)：高能激光脈沖聚焦在被調(diào)片阻上，改變橫截面調(diào)阻。A.激光器；B.光束定位系統(tǒng)；C.程控衰減系統(tǒng)；D.修調(diào)設(shè)定器；E.光學(xué)掃描系統(tǒng)；F.阻值及電壓測定系統(tǒng)；G自動功率測量系統(tǒng)。薄膜電路封裝工藝薄膜混合集成電路適用于各種電路，特備是精度要求高、穩(wěn)定性好的模擬電路。薄膜電路工藝流程低溫共燒陶瓷（LTCC）基板工藝設(shè)備是一種新型的微電子封裝技術(shù)，是一種多層陶瓷技術(shù)，將無源元件埋置到多層陶瓷的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)無源器件的集成。采用LTCC工藝制作的基板可實(shí)現(xiàn)IC芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電

17、路組裝功能。LTCC制作工藝制作工藝微通孔的形成LTCC基板金屬化精細(xì)線條制作平面零收縮基板 制作空腔基板制作多層陶瓷工藝設(shè)備激光打孔機(jī)：利用脈沖激光打孔，是和物質(zhì)相互作用的熱物理過程。對準(zhǔn)疊片機(jī)：保證通孔打孔、填充、布線、金屬化疊層的對位精度。多層陶瓷檢測設(shè)備：在工藝中間隨時進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題。疊層機(jī)：將各層生瓷片緊密粘貼，形成完整的多層基板坯體。熱壓機(jī)：對生瓷片進(jìn)行加壓。激光陶瓷基板劃切機(jī)：對基板進(jìn)行切割。排膠與共燒設(shè)備：保證成品基板的平整度和收縮率。印制電路板工藝設(shè)備印制電路板的類型 印制板剛性印制板單面板雙面板多層板非金屬化孔雙面板金屬化孔雙面板銀（碳）貫孔雙面板四層板平面板撓性印制板單面板雙面板多層板剛撓結(jié)合印制板多層板（MPCB）在較復(fù)雜的應(yīng)用需求時，電路可以被布置成多層的結(jié)構(gòu)并壓合在一起，并在層間布建通孔電路連通各層電路。高密度互連板（HDI）采用在常規(guī)的高密度“芯片”上的一面或雙面再積層2-4層布線密度更高的電路層而形成的。埋置元件印制電路板減少PWB表面元件數(shù)目，提高產(chǎn)品性能而將元件埋入PWB的內(nèi)層。埋置無源元件（EPD）印制電路板埋置有源元件（EAD）印制電路板撓性PCB（FPC）撓性（柔性）電路板是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高可靠性、絕佳的可撓性PCB，簡稱軟板或FPC。撓性板的特點(diǎn)： 可