微电子器件封装第1章
MEMS封装技术
由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性 有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应 用于少数的MEMS产品。
典型MEMS 微系统封装示例
多批自组装流程图
自组装结果 LED与衬底的电学装配集成
MEMS芯片级封装技术
概述 MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供
必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统 的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击 的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功 能。
该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片 级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以 同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS 前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中 的热点。
通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙 度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对 电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合 大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。
硅片熔融键合
(2)阳极键合(anodic bonding)
又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导 体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和 稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃 接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。
芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系 统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不 同领域设计人员之间的协同。
由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达 到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工 艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式 以及操作方法都提出了非常严格的要求。
封装工艺流程(1)
焊区与微电子封装的I/O引线或基板上的金属
布线焊区（Pad）用金属细丝连接起来的工
艺技术。
WB技术作用机理
❖
提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，
使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊
面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界
面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合
❖ 铜：近年来，大量用于集成电路互连。铜比
铝有较高的导电率；铜丝相对于金丝具有成
本低、强度和刚度高、适合于细间距键合的
优点。
❖
引线键合的关键工艺
❖
❖
关键工艺：温度控制、精确定位控制、工作
参数设定。
应用对象：低密度连线封装（＜300个接点）
引线键合的技术缺陷
1.
2.
3.
多根引线并联产生邻近效应，导致电流分布
对芯片的影响，同时还可以屏蔽电磁干扰。
③各向异性导电聚合物:电流只能在一个方向流动。
❖ 导电胶功能：（形成化学结合、具有导电功能）
❖
2.3.4 玻璃胶粘贴法
与导电胶类似，玻璃胶也属于厚膜导体材料（后面
我们将介绍）。不过起粘接作用的是低温玻璃粉。它
是起导电作用的金属粉（Ag、Ag-Pd、Au、Cu等）
出现废品。
Chipping Die
崩边
2.3 芯片粘贴
芯片贴装：也称芯片粘贴，是将芯片固定
于封装基板或引脚架芯片的承载座上的工
艺过程。
贴装方式4种：
❖ 共晶粘贴法（Au-Si合金）
❖ 焊接粘贴法（Pb-Sn合金焊接）
❖ 环氧树脂粘结（重点）
❖ 玻璃胶粘贴法
引线框架
装
架
引线
微电子封装技术实验指导书
《微电子封装技术》实验指导书适用专业：微电子制造工程桂林电子科技大学目录实验一BGA返修实验 (1)实验二引线键合实验 (11)1实验一 BGA返修实验一、 实验目的和意义1．实验目的①通过实验使学生进一步地了解BGA CSP/QFP的检测与返修的工艺流程。
②掌握现有返修台和AOI(自动光学检测仪)的结构原理、使用性能和操作方法。
③通过实验使学生对BGA CSP/QFP的检测与返技术有更深一层了解。
2．实验的意义随着BGA封装器件的出现并大量进入市场，针对高封装密度、焊点不可见等特点，电子制造厂商要控制BGAs的焊装质量，需充分运用高科技工具和手段，通过使用新的工艺方法，采用与之相适应、相匹配的检测手段，进一步提高BGAs的焊装质量的检测技术水平。
只有这样，生产过程中的质量问题才能得到控制。
同时，把在检测过程中反映出来的问题反馈直接到生产工艺中去加以解决，将会大大地减少返修工作量。
学生通过实验，进一步地了解、掌握BGAs的焊装质量检测技术，为今后工作打下良好基础。
二、 实验内容和要求1．掌握IR550A型返修台的基本组成。
2．了解并掌握BGA CSP/QFP返修工艺技术的内容及其特点。
3．了解并熟悉现有仪器设备的工作原理及其使用性能和操作方法。
4．了解并掌握在实际生产中，成品电路板（PCP）常见的问题。
5．了解BGA焊球植球的工艺流程。
6．了解BGA焊后如何进行质量检测。
三、 实验仪器与设备1、IR550A型的返修台 1台2、AOI-X-Ray-SCOPE 1台3、PCB板 若干块4、BGA芯片 若干颗5、锡求模具 1套6、吸锡带 1卷7、免清洗的助焊膏 1支8、植球专用镊子 1把四、仪器设备的原理和特点本实验室目前现有的返修台是由德国埃莎公司生产的IR550A型的红外返修台。
在80年代后期的相当一段时期内，大多数红外回流焊设备都是被热风回流焊设备所替代。
在红外回流焊设备中，其主要功能是对整块电路板进行焊接，由于板子、元器件、引脚等不同颜色对红外辐射的吸收率和反射率是不同的，以致造成电路板上各元器件的热量分布不均匀，焊接质量难予保证，这就是红外辐射加热的色敏现象。
集成电路封装与测试(一)
三人获得了1956年 诺贝尔物理学奖
William B. Shockley
John Bardeen
Walter H. Brattain
1958年9月10日美国的基尔比发明了集成电 路集成电路是美国物理学家基尔比(Jack Kilby)和诺伊斯两人各自独立发明的，都拥有 发明的专利权。 1958年9月10日，基尔比的第一个安置在半 导体锗片上的电路取得了成 功，被称为“相 移振荡器”。 1957年，诺伊斯(Robort Noyce)成立了仙童 半导体公司，成为硅谷的第一家专门研制硅 晶体管的公司。 1959年2月，基尔比申请了专利。不久，得 克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比 火柴头还小的半导体固体 电路。诺伊斯虽然 此前已制造出半导体硅片集成电路，但直到 1959年7月才申请专利，比基尔比晚了半年。 法庭后来裁决，集成电路的发明专利属于基 尔比，而 有关集成电路的内部连接技术专利 权属于诺伊斯。两人都因此成为微电子学的 创始人，获得美国的“巴伦坦奖章”。
双边 引脚
SOP (小型化封装 小型化封装) 小型化封装
单边 引脚
SIP 单列引脚式封装） （单列引脚式封装） ZIP 交叉引脚式封装） （交叉引脚式封装）
四边 引脚
QFP PLCC (四侧引脚扁平封装 （无引线塑料封装载体 ） 四侧引脚扁平封装) 四侧引脚扁平封装
双边 引脚
DIP （双列式封装） 双列式封装）
4.2 技术发展趋势
芯片封装工艺： △ 芯片封装工艺： 从逐个管芯封装到出现了圆片级封装， 从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片 划片成小管芯。 划片成小管芯。 再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后 再逐个封装成器件， 就成器件。 就成器件。 芯片与封装的互连：从引线键合（ △ 芯片与封装的互连：从引线键合（WB）向倒装焊 ） （FC）转变。 ）转变。 微电子封装和PCB板之间的互连： 板之间的互连： △ 微电子封装和 板之间的互连 已由通孔插装(PTH)为主转为表面贴装（SMT）为主。 为主转为表面贴装（ 已由通孔插装 为主转为表面贴装 ）为主。
mems器件气密封装工艺规范（材料参数）
mems器件⽓密封装⼯艺规范（材料参数）MEMS器件⽓密封装⼯艺规范（元件级）华中科技⼤学微系统中⼼1. 引⾔微机电系统（Micro ElectroMechanical System－MEMS），⼜称微系统，以下简称MEMS。
MEMS是融合了硅微加⼯、LIGA 和精密机械加⼯等多种加⼯技术，并应⽤现代信息技术构成的微型系统。
它是在微电⼦技术基础上发展起来的，但⼜区别于微电⼦技术，主要包括感知外界信息（⼒、热、光、磁、⽣物、化学等）的传感器和控制对象的执⾏器，以及进⾏信息处理和控制的电路。
MEMS具有以下⼏个⾮约束的特征：（1）尺⼨在毫⽶到微⽶范围，区别于⼀般宏（Macro），即传统的尺⼨⼤于1cm尺度的“机械”，但并⾮进⼊物理上的微观层次；（2）基于（但不限于）硅微加⼯（Silicon Microfabrication）技术制造；（3）与微电⼦芯⽚类同，在⽆尘室⼤批量、低成本⽣产，使性能价格⽐⽐传统“机械”制造技术⼤幅度提⾼；（4）MEMS中的“机械”不限于狭义的⼒学中的机械，它代表⼀切具有能量转换、传输等功效的效应，包括⼒、热、光、磁，乃⾄化学、⽣物效应；（5）MEMS的⽬标是“微机械”与IC结合的微系统，并向智能化⽅向发展。
MEMS将许多不同种类的技术集成在⼀起，⽬前已在电⼦、信息、⽣物、汽车、国防等各个领域得到⼴泛应⽤，它被称为是继微电⼦技术⾰命之后的第⼆次微技术制造⾰命。
MEMS器件种类很多，有光学MEMS、⽣物MEMS、RFMEMS 等，不同的MEMS其结构和功能相差很⼤，其应⽤环境也⼤不相同，因此使得MEMS技术⾯临着许多挑战。
专家们认为⽬前MEMS技术在⼯业上⾯临的最⼤挑战是制造和封装问题。
封装占整个MEMS器件成本的50～80％。
鉴于MEMS 器件的种类很多，因此，本规范是对MEMS器件封装设计与⼯艺过程的⼀些成熟⽅法进⾏标准化。
2. MEMS器件封装的特点MEMS封装技术是在IC封装技术的基础上提出的，MEMS封装技术源⽤了许多IC封装⼯艺，因此MEMS封装⼯艺中有许多与IC 封装兼容的⼯艺。
微电子器件的封装与封装技术
微电子器件的封装与封装技术微电子器件的封装是指将微电子器件通过一系列工艺及材料封装在某种外部介质中，以保护器件本身并方便其连接到外部环境的过程。
封装技术在微电子领域中具有重要的地位，它直接影响着器件的性能、可靠性和应用范围。
本文将对微电子器件的封装和封装技术进行探讨。
一、封装的意义及要求1. 保护器件：封装能够起到保护微电子器件的作用，对器件进行物理、化学及环境的保护，防止外界的机械损伤、湿度、温度、辐射等因素对器件产生不良影响。
2. 提供电子连接：封装器件提供了电子连接的接口，使得微电子器件能够方便地与外部电路连接起来，实现信号传输和电力供应。
3. 散热：现如今，微电子器件的集成度越来越高，功耗也相应增加。
封装应能有效散热，防止过热对器件性能的影响，确保其稳定运行。
4. 体积小、重量轻：微电子器件的封装应尽量减小其体积和重量，以满足现代电子设备对紧凑和便携性的要求。
5. 成本低：封装的制造成本应尽量低，以便推广应用。
二、封装技术封装技术是实现上述要求的关键。
根据封装方式的不同，可以将封装技术分为传统封装技术和先进封装技术。
1. 传统封装技术传统封装技术包括包装封装和基板封装。
（1）包装封装：包装封装即将芯片封装在芯片封装物中，如QFN （无引脚压焊封装）、BGA（球栅阵列封装）等。
这种封装技术适用于小尺寸器件，并具有良好的散热性能和低成本的优点。
（2）基板封装：基板封装主要是通过将芯片封装在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）上来实现。
它有着较高的可靠性和良好的电气连接性，适用于信号速度较慢、功耗较低的器件。
2. 先进封装技术随着微电子技术的发展，需要更加先进的封装技术来满足器件的高集成度、大功率以及快速信号传输等需求。
（1）3D封装技术：3D封装技术是指将多个芯片通过堆叠、缠绕、插口等方式进行组合，以实现更高的器件集成度和性能。
常见的3D封装技术包括TSV（Through-Silicon-Via，通过硅通孔）和芯片堆积技术。
集成电路芯片封装技术第1章
(50~90)%
封装效率
封装效率
=2-7%(1970-) =10-30%(1980-)
封装效率
=20-80%(1990-)
封装效率
=50-90%(1993-)
封装效率的改进
35
表2．封装厚度的变化
封装形式
封装厚度
(mm)
PQFP/PDIP TQFP/TSOP UTQFP/UTSOP
解决途径：
1、降低芯片功耗：双极型-PMOS-CMOS-？？？
2、增加材料的热导率：成本
微电子技术发展对封装的要求
三、集成度提高 适应大芯片要求
热膨胀系数（CTE）失配—热应力和热变形
解决途径：
1、采用低应力贴片材料：使大尺寸IC采用CTE接近
Si的陶瓷材料，但目前环氧树脂封装仍为主流
2、采用应力低传递模压树脂 消除封装过程中的热应
目的
使各种元器件、功能部件相组合形成功能电路
难易程度
依据电路结构、性能要求、封装类型而异
需考虑的问题
ห้องสมุดไป่ตู้保护
苛刻的工程条件（温度、湿度、振动、冲击、放射性等）
超高要求
超高性能 （3D IC）
超薄型、超小型
超多端子连接
超高功率（采用热冷、金属陶瓷复合基板等）
电子封装实现的四种功能
① 信号分配：
② 电源分配：
何将聚集的热量散出的问
题
封装保护
芯片封装可为芯片和其他连
接部件提供牢固可靠的机械
支撑，并能适应各种工作环
境和条件的变化
确定封装要求的影响因素
成本
电路在最佳
性能指标下
的最低价格
外形与结构
微电子封装技术-课后习题答案
3.1简述包封技术的特点。
答：
包封通过将有源器件和环境隔离来实现保护元器件的功能，同时芯片和封装材料形成一体，以达到机械保护的目的。包封一般采用有机材料，成本相对较低，在民用集成电路封装中占主导地位。但其耐湿性不佳，影响了产品可靠性。
3.2简述包封技术常用的材料。
答：
从基质材料的综合特性来看，最常用的包封材料分为四种类型：环氧类、氰酸酯类、聚硅酮类和氨基甲酸乙酯类，目前IC封装使用邻甲酚甲醛型环氧树脂体系的较多。具有耐湿、耐燃、易保存、流动充填性好、电绝缘性高、应力低、强度大和可靠性好等特点。
硅片的背面减薄技术主要有磨削、研磨、干式抛光（Dry Polishing）、化学机械平坦工艺（CMP）、电化学腐蚀（Electrochemical Etching）、湿法腐蚀（Wet Etching）、等离子增强化学腐蚀Plasma Enhanced Chemical Etching，PECE）、常压等离子腐蚀（Atmosphere Downstream Plasma Etching，ADPE）等。
3.5简述模注成形技术的常见问题。
答：
有塑封产品无论是采用先进的传递模注封装还是采用传统的单注塑模封装，塑封成形缺陷总是普遍存在的，而且无法完全消除。1.未填充；2.冲丝；3.气泡或气孔；4.麻点；5.开裂；6.溢料；7.其他缺陷，在塑封中还有粘污、偏芯等缺陷。
3.6简述模注成形技术常见问题的解决对策。
2.4简述芯片贴装的常用工艺技术。
答：
贴装的方式主要共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴法和玻璃胶粘贴法。共晶粘贴法是利用金-硅合金（一般是69%的金和31%的Si），在363℃时的共晶熔合反应使IC芯片粘贴固定。焊接粘贴法是将芯片背面淀积一定厚度的Au或Ni，同时在焊盘上淀积Au-Pd-Ag和Cu的金属层。这样就可以使用Pb-Sn合金制作的合金焊料将芯片焊接在焊盘上。导电胶进行芯片贴装的工艺用针筒或注射器将黏着剂涂布在芯片焊盘上，然后将芯片精确地放置到焊盘的黏着剂上面。玻璃胶粘贴芯片先以盖印、网印、点胶等技术将玻璃胶原料涂布在基板的芯片座上，将IC芯片放置在玻璃胶上后，再将封装基板加热至玻璃熔融温度以上即可完成粘贴。
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1.2.4 微电子封装和互连接的等级
☻0级封装互连接：半导体芯片内部的互连接； ☻1级封装：密闭封装，就是将芯片密封，封装成为电
子集成电路块； ☻1.5级封装：多芯片和圆晶级混合集成电路的装配； ☻2级封装：印刷电路板的封装和装配； ☻3级封装：插件接口、主板及组件之间的互连接； ☻4级封装：微电子系统的布线和互连接。
♣ 非本Si征半Si 导体Si ： Si Si
Si Si Si Si Si
N型半导体，指硅掺杂了第VA族的元素P、As、Sb等； P型半导体, 指硅掺杂了第III族的元素B、In等；
♣ 化合物半导体：
二元：砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）； 三元： GaAsP、 AlGaAs； 四元： AlGaAsP
微电子器件封装第1章
课外阅读书籍
1. (美)查尔斯A.哈珀|译者:沈卓身//贾松良.《 电子封装材料与工 艺》,化学工业出版社, 2006年第1版
2. (美国)C.A.哈珀编//贾松良.《 电子组装制造:芯片·电路板·封 装及元器件(精装)》,科学出版社, 2005年第1版
3. 田民波编.《 电子封装工程》, 清华大学出版社, 2003年第1版 4. 中国电子学会生产技术学分会丛书编委会组 编.《 微电子封
微电子器件封装-第1章
2020/11/14
微电子器件封装第1章
▪ Wafer
Single IC
Package
Packaging & AssemblyAssiesmblythe Bridge Between IC and System！
微电子器件封装第1章
一、课程性质与任务
本课程为材料专业本科学生的一门必 修课，涉及静态和动态两方面，即电子封 装材料的种类、性质和功能，以及电子封 装工艺的设计、控制等技术。通过本课程 的学习，初步地掌握电子封装的一些基本 理论和工艺，为绿色电子材料的设计、加 工及应用打下良好的基础。
微电子器件封装第1章
1.2 微电子基础
1.2.1 微电子技术的发展史
微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，在19世纪末无 线电发明之后，在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起 来的一门重要学科。
◆ 20世纪初：真空电子管（通讯、测量、自动控制等）
◆ 20世纪40年代：晶体管（1947年）
--微电子工业实现革命化，开创了微电子技术新纪元。
微电子器件封装第1章
二、内容提要
《微电子器件封装-封装材料与封装技术》从
封装用的材料着手，较详细地介绍了微电子 器件封装用的各类材料，包括高分子材料、 陶瓷材料、金属焊接材料、密封材料及黏合 剂等材料，阐述了半导体芯片、集成电路器 件等的封装制造工艺，讲述了微电子器件封 装的电子学和热力学设计的基础理论。
微电子器件封装第1章
三、课程内容
▪ 微电子器件封装 概述
▪ 封装的电设计 ▪ 封装的热控制 ▪ 陶瓷封装材料 ▪ 聚合物材料封装
▪ 引线框架材料 ▪ 金属焊接材料 ▪ 高分子环氧树脂 ▪ IC芯片贴装与引
线键合
▪ 可靠性设计
微电子器件封装第1章
四、课程基本要求
熟练掌握电子封装用的五大材料： 高分子材料、陶瓷材料、金属焊接材料、 密封材料及黏合剂的性质和功能；掌握 半导体芯片、集成电路器件等的封装制 造工艺；理解微电子器件封装的电子学 和热力学设计的基础理论。
装技术》,中国科学技术大学出版社, 20其中考试占70%；平时作
业、提问、考勤占30%。
微电子器件封装第1章
第一章 微电子器件封装概述
什么是封装？ 所谓“封装”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打
包。
1.1 微电子封装的意义及作用
（为什么需要进行封装？） § 封装为半导体提供环境的保护； § 封装为半导体提供机械支撑； § 封装为半导体所产生的热量提供一种耗散途径； § 封装为半导体提供与下一级封装的互连；
☻与电子管相比：体积小、重量轻、功耗低、寿命长
◆ 20世纪60年代：集成电路
SSI ---→ MSI ---→ LSI --- → ULSI ---→ GSI…….
(4个晶体管) …….
（超大型集成）（十亿级集成） 微电子器件封装第1章
微电子技术的发展演变
电子管(1904)
晶体管(1947)
大规模/超大规模 集成电路(1970’s)
微电子器件封装第1章
Si Si Si Si Si
半导体分类 Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
♣ 本征Si 半导Si 体S：i 纯硅Si （SSii）、锗（SiGe）Si 等S；i Si Si
掺杂：S向i 本S征i 半S导i 体p中加入S不i 同元素或S杂i 质而Si制造Si自由BB电- +子的Si 方法；被掺杂的半导体称为非本征半导体。
中/小规模集成电路 (19微5电0子’器s件)封装第1章
■真空管---------第一代微电子器件 ■晶体管---------第二代微电子器件 ■中小规模集成电路---------第三代微电子器件 ■大规模集成电路---------第四代微电子器件 ■超大规模集成电路---------第五代微电子器件 ……
微电子器件封装第1章
图中•代表电子，Ev称为价带 顶，它是价带电子的最高能 量。在一定温度下，价电子 有可能依靠热激发，获得能 量脱离共价键，在晶体中自 由运动，成为准自由电子。 它们也就是能带图中导带上 的电子。脱离共价键所需的 最小能量就是禁带宽度Eg， Ec称为导带底，它是导带电 子的最低能量。 本征激发：价带电子激发成 为导带电子的过程。
微电子器件封装第1章
1.2.3 微电子元件
（1）P-N结二极管 P-N结：将P型和N型的半导体材料连接在一起，就可以 形成P-N结。
微电子器件封装第1章
微电子器件封装第1章
微电子器件封装第1章
微电子器件封装第1章
（2）金属氧化物半导体场效应三极管（MOSFET）
源极
栅极
漏极
衬底
典型的MOSFET(MOS)结构示意图
SOC（System On Chip）：将系统所有的器件集成到 一个单一的芯片上，实现电子产品的极小型化和高性能。
微电子器件封装第1章
1.2.2 半导体理论
材料
绝缘体 化合物，如塑料等
半导体
单质：硅（Si）、锗（Ge） 化合物：砷化镓（GaAs）
导体 良的导体：银、铜、金、铝等
(a)
(b)
(c)
空带 满带