微互连技术技术
微电子封装课程导论
神经 神 大脑 情报收集 信息储存 信息处理 信息指令 网络
耳—听觉 眼—视觉 嘴—味觉 鼻—嗅觉 皮肤—触觉
血液系统（与动物类似）
血管网络 心脏
血管网络
营养输送 供热散热 垃圾处理
构成人类社会的两大系统
高度发达
信息 信息 网络
人类社会 工人 农民 知识分子 学生 商人 军队
印刷板上组装 仪器设备组装
仪器设备内互连 1000微米
微电子制造前道工程——芯片的制造
微电子制造后道工程——芯片的封装
印刷线路板上的组装
表 面 贴 装 法 引 脚 插 入 法
QFP/BGA等
焊浆印刷
贴 装
再流焊
电路基板
再流条件 235+-5℃,10sec
DIP等
插 装
波峰焊
完成后
电路基板 焊料环流 液态焊锡温度 約240℃
信息化的重要性
人体
血液循环系统： 能量供给、供热散热 营养供给、废物排放 神经网络系统 控制肌肉活动 协调组织器官 接受外来情报 测知环境变化
人体中的两大系统
执行器官 嘴—吃喝、表达 鼻—呼吸 手—动作 脚—动作
神经系统（高度发达）
神经 神 网络
感知器官
200 150 100 50 0 1990 1995
信息产业
汽车工业 钢铁工业
2000
2005
信息产业构成
信息产业
信息的处理与应用 信息的载体与传输
因特网 银行管理 电子商务 等等
计算机 手机 电视机 等等
应用软件 设计
微电子连接技术的发展
微电子连接技术的发展微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件(即集成电路芯片)组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源，并与外界进行信息交流。
微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCP)设计和制造，多芯片封装(MCM)设计和制造，芯片后封装工艺，各种封装基板设计和制造，芯片互连与组装，封装总体电性能、力学性能、热性能和可靠性设计、封装材料等多项内容。
微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、力学性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性且以其日益增长的产量(数千万t)赢得了工业社会的承认和信任，从而使其应用的学科、行业和领域不断扩大。
例如：材料科学、材料保护、表面工程、石油化工、能源技术、工程机械、机器制造、舟艇船舶、交通运输、冶金设备、建筑装饰、工程爆破、环境保护、水利水电、高压输电、电力金具、电工电子、电脑家电、电线电缆、电解电镀、消防器材、办公用品、仪器仪表、医药化肥、食品轻工、烹饪用具、厨房设备、家具用材、医疗器械、切削刃具、油井钻探、油气管道、桥梁隧道、港口码头、市政建设、设备维修、农业机械、真空元件、超导材料、低温装置、海洋工程、国防军工、航空航天和原子能科学，以及金属资源的节约、综合利用和可持续发展等等。
实际上，可以说，凡是使用金属材料特别是那些使用稀缺和贵重金属材料的地方，爆炸复合材料都有用武之地，并能大和成本，微电子封装越来越受到人们的重视。
目前，表面贴装技术(SMT)是微电子连接技术发展的主流，而表面贴装器件、设备及生产工艺技术是SMT的三大要素。
因而在微电子封装技术发展过程中，微电子连接技术也随之发展，自动化程度越来越高，加工过程也越来越精细。
插封装(PDIP)。
尤其是PDIP，由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。
插装型器件分别通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。
由于需要较高的对准精度，因而组装效率较低，器件的封装密度也较低，不能满足高效自动化生产的需求。
提高引线键合的可靠性研究
提高引线键合的可靠性研究作者：吴毓颖来源：《中国科技纵横》2018年第04期摘要：本文详细介绍了引线键合的方式，以及各类键合方式的质量控制点，通过拉力破坏试验对现有键合能力进行评估。
随着微波产品的工作频率越来越高，引线键合的稳定性问题也愈发突出，针对这些情况，通过正交试验，得出了基板化学镀的工艺参数，减少基板表面金层对引线键合强度的影响，提高引线键合强度。
关键词：引线键合；可靠性；正交试验中图分类号：TN405.96 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0068-021 概述目前有源相控阵雷达是当今世界上雷达研制和发展的主流。
在有源相控阵雷达中，高性能、高可靠、低成本的收发组件是重要的技术关键，图1为相控阵雷达T/R组件。
这些微波组件在复杂苛刻的环境中，要保持稳定的性能与良好的状态，电气性能的可靠性是重中之重。
微互连技术是为了实现芯片与基板电极之间电气连接，是微组装过程中非常重要的环节。
只有电路的完好连接，才能实现整个组件的电性能。
2 引线键合强度芯片电极与基板电极的微互连方式主要有三种：引线键合WB（wire bonding）、载带自动焊TAB（tape automated bonding）、倒装芯片连接FC（flip chip）。
在上述三种连接方式中，引线键合是最常用的微互连方式，引线键合又可分为球焊（ball bonding）和楔焊（wedge bonding）二种。
为了有利于微波传输，我们采用楔焊方法实现芯片与基板电极间的低弧度短线连接，采用的楔焊引线材料是金丝。
引线是芯片内部电路与外部电路实现电、热连接的通道，键合点不断承裁着电和热的冲击。
引线键合的质量用键合强度的大小来衡量，键合强度越大，说明键合质量越好，可靠性越高。
而影响引线键合强度的因素有很多，比如基板表面金层的洁净度，基板表面再金属层的厚度、引线键合机的工艺参数设置等。
在微组装的过程中，我们对引线键合强度设置了质量控制点，利用拉力测试仪对微波组件的引线进行破坏性拉力测试，以检测引线键合强度，并记录下数据。
微组装技术简述及工艺流程及设备
2.优点——MCM技术有以下主要优点。
1）使电路组装更加高密度化，进一步实现整机 的小型化和轻量化。与同样功能的SMT组装 电路相比，通常MCM的重量可减轻 80%~90%，其尺寸减小70~80%。在军事应 用领域，MCM的小型化和轻量化效果更为明 显，采用MCM技术可使导弹体积缩小90%以 上，重量可减轻80%以上。卫星微波通信系 统中采用MCM技术制作的T/R组件，其体积 仅为原来的1/10~1/20。
3)淀积型MCM（MCM-D，其中D是“淀积”的英 文名Deposition 的第一个字母），系采用高密度 薄膜多层布线基板构成的多芯片组件。其主要特 点是布线密度和组装效率高，具有良好的传输特 性、频率特性和稳定性.
4)混合型MCM-H（MCM-C/D和MCM-L/D，其中 英文字母C、D、L的含义与上述相同），系采用 高密度混合型多层基板构成的多芯片组件。这是 一种高级类型的多芯片组件，具有最佳的性能/价 格比、组装密度高、噪声和布线延迟均比其它类 型MCM小等特点。这是由于混合多层基板结合了 不同的多层基板工艺技术，发挥了各自长处的缘 故。特别适用于巨型、高速计算机系统、高速数 字通信系统、高速信号处理系统以及笔记本型计 算机子系统。
2)厚膜陶瓷型MCM（MCM-C，其中C是“陶瓷 ”的英文名Ceramic的第一个字母），系采用 高密度厚膜多层布线基板或高密度共烧陶瓷 多层基板构成的多芯片组件。其主要特点是 布线密度较高，制造成本适中，能耐受较恶 劣的使用环境，其可靠性较高，特别是采用 低温共烧陶瓷多层基板构成的MCM-C，还 易于在多层基板中埋置元器件，进一步缩小 体积，构成多功能微电子组件。MCM-C主 要应用于30~50MHz的高可靠中高档产品。 包括汽车电子及中高档计算机和数字通信领 域。
劈刀知识交流会
调整
键合
设备耗材 微互连技术
倒装焊微互连技术 压接倒装互连技术 裸芯片微组装技术 a.载带自动键合 b.梁式引线 c.倒装芯片 d.引线键合
键合机 劈刀 金丝 银丝 芯片 硅片
键合机的 组成
键合机分 类
工作系 统
键合机组成
键合机的分类与 系统
1.自动键合机
摄像机通过显微镜将芯片电路图
像摄入，电脑对图像进行预处理， 将处理好的图像进过DMA图像快 速通道输入到电脑RAM中，计算 机完成电极位置和工作台数据的 计算后控制键合机完成键合动作。
打弯
电镀
去废边
塑封
激光打印
测试
包装
磨片
设备 步骤
磨片机 厚度测量仪 粗糙度测量仪
片目检查-----贴膜----磨片
划片
设备 步骤
划片机 等离子清洗机 CO2防静电装置 UV照射机
贴膜-----固定-----沿 X\Y轴切割
粘片 文件准备 离线编程 贴装前准备 开机 安装供料器 上PCB板
首件试贴 yes no 贴装 检验
公司内部产品交流会
2016.2.22
封装
根 据 产 品 分 类
封 装 环 节
产品分类
封装环节
A 封装形式
B 封装材料
C 封装流程
sop dip soc BGA QFP
封装形式
封装材料
金属பைடு நூலகம்
主要用于军工航 天
陶瓷
用于军事占少量 的商业市场份额
塑料
用于消费电子
玻璃
最常见的是二极 管
封装流程
磨片 划片 粘片 键合
塑封
A
完成键 合的芯 片预热
新型微波毫米波单片三维垂直互连技术
（ ｈｎ ｌ ｔ ｎｃ ｅｈ ｏｏｙＧ ｏｐＣ ｒｏａｉｎ ｏ５ ｅｅ ｒｈ ｎｔｕｅＮ ｎｉ １０ ６ Ｃ ｉａ Ｃ ｉ Ｅｅ ｒ ｉ Ｔｃ ｎ ｌ ｒｕ ｏｐ ｒｔ ．５ ｓａｃ ｓｔｔ， ａｊｎ ２ ０ １， ｈｎ ） ａ ｃｏ ｓ ｇ ｏＮ Ｒ Ｉ ｉ ｇ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｄｕ ｉｇ ｔ ｅｌ ｓ ａｆ ｅ ｔｒ ，ｔｉ ａ ｉ ｌ ｅ ｅｏ ｉ ｇｏ ｃ ｏ ａ ｅｃｒｕ ｔ ｅ ｈ ｉ ｕ ｉ ｅ ｏ ｌｗ ｔａ ｔ ｒｎ ｈ ａ ｔｈ ｌ ｎｕ ｙ ｉ ｓｒ ｐ ｄｙ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｍｉｒ ｗ ｖ ｉｃ ｉ ｔｃ ｎ ｑ ｅｅｔ ｒｆ ｍ ｏ ｃ ｈ ｒ ｒ ｑ ｅ ｃ ｈ ｇ ｑ ｅ ｃ ｒｆ ｍ ｉｇ ｅｌ ｅ ｍ ｌｐ ｅｌ ｅｓｔ ｔｅ ｄ ｔ ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙｔ ｉｈｆｅ ｕ ｎ ｙｏ ｏ ｓｎ ｌ ｙ ｒｔ ｕｔ ｌ ｙ ｒ ａ ａ ｓｔ ｅｃ ｍｍｇｏ ｍ ｉｒ ｗａ ｅｍ ｕｔ ｃ ｉ ｏ ｒ ｒ ａ ｏ ｉ ａ ｈ ｌ ｏ ｈ ｆ ｃ ｏ ｖ ｌ－ｈｐ ｉ
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１８ —０ ０ （０ ０ ００ ０ —４ ６ １１７ ２ １ ）１－０ １ ０
Ｎ ｅ ３ Ｖｅ ｔｃ ｌ ｎ ｅ ｃ ｎ ｃ ｃ ｎｏ ｏ ｙｗ ｉｈ Ｍ Ｍ Ｉ ｗ Ｄ ｒ ｉ ａ ｔ ｒ ｏ ｎｅ ｔＴｅ ｈ ｌ ｇ ｔ Ｉ Ｃ
ＺＨＥＮＧ ｅ － ｉｎ Ｓ Ｎ Ｗ ｎ ｑ ａ ， ＨＥ Ｙａ
图 １Ａｎｄｇｃ 公 司 根 据 Ｒ ａ ｉｉ ｓ Ｆ微 波 应 用 提 出 的 ＳＰ模 型 Ｉ
第 ｌ Ｏ卷 ， １ 第 ０期
Ｖｏｌ １０
，பைடு நூலகம்
电
子
与
封
装
ＮＯ ｔ ０
．
微系统封装和互连技术—PIT
2008.2.1
绪言
• 封装和互连技术在微系统技术中占有重要的位置，尽管微 系统技术的元件和微电子元件在作为单独的元件时在技术 上不兼容，但封装和互连技术可以将它们组合在一起： PIT必须能够解决系统内部和外部的装配、材料连接的各 种问题。 • 以其在汽车中的应用为例，微系统在汽车中必须能工作在 -40℃到125℃的温度范围(在特殊应用中能工作在温度达 200℃条件下)，必须能经得起50g(g为重力加速度)的加速 度(如在注入泵中)，必须能抵抗水雾、盐雾以及油、汽油、 酒精和清洁剂的腐蚀。此外，为了使用的经济性，希望此 系统的使用寿命为10年或10年以上，这样，对材料和封装 与互连技术都提来讲．激光焊接是一种合 适的工艺，要焊接的区域被激光束局部加热，然而在连接 焊盘设计时，必须使激光束能够容易地到达。铱铝石榴石 -钕激光器(λ＝1064nm)或更好的二氧化碳激光器(λ＝ 10um)被用于这种工艺中。这种工艺的优点是加到电路上 的总的热负荷低。其缺点是温度依赖于被激光照射的表面 的热散发系数，局部的热传导也是影响温度的一个参数。 • 为了使焊接过程顺利，可以使用另一种焊接技术，在这种 技术中必须将所谓的块安装在连接元件的一个表面上，这 种块是一个突出元件表面的半球形状的焊料点。这种块是 易延展的，可以补偿元件之间的任何间隙变化。块是用于 大规模生产微电子设备的反转芯片焊接技术的必要条件， 所以大量的实验性工作已经在块技术中展开。
9.1.2 层的生产
• 丝网印刷是一种用于装饰纺织品和其他材料的具有一千年 历史的古老技术，然而这种古老技术和现代丝网印刷没有 太多的相同之处．微电子中的现代丝网印刷被发展得极其 完美。在陶瓷基底上用丝网印刷电路构造的结构横向尺寸 为几厘米，同时层的厚度在0.3-80um之间变化。独立的硅 片(集成电路)被安装在丝网印刷电路上，并通过引线连接 法或其他工艺电连接到基底上的着陆焊盘上。 • 正如从图9.1-2中所看到的，在使用丝网印刷工艺时，膏 剂被一种所谓的橡胶刷(一种橡胶的唇状物)通过丝网压到 基底上。这种细孔丝网开始时被光阻材料所覆盖，然后所 希望的图案通过所谓的光刻转换到丝网上，形成一个被丝 网支撑的掩模，光阻材料作为膏剂的模板。
激光封装技术在高端封装中的应用
激光封装技术在高端封装中的应用激光封装技术作为半导体制造业的一项关键创新，近年来在高端封装领域展现出了前所未有的应用潜力和价值。
随着电子产品小型化、集成度提升以及对性能和可靠性的严格要求，激光封装技术以其高精度、高效率和灵活性，成为了连接技术发展的推手。
以下是激光封装技术在高端封装中六大核心应用领域的深入探讨。
1. 微细互连技术的革新在高端集成电路(IC)和微电子封装中，激光微加工技术实现了前所未有的精细互连。
通过激光直接成像(LDI)、激光打孔和激光切割等工艺，能够在极小的尺度上精确制作电路图案、形成微小通孔及切割封装材料，为三维集成(3D IC)、系统级封装(SiP)等复杂封装架构提供了强有力的支持。
这种微细互连不仅提高了封装密度，还显著增强了信号传输速度和器件的电气性能，是实现更高速、更紧凑电子产品的关键技术。
2. 高可靠性焊接技术的应用传统焊接技术在面临微型化挑战时，往往难以保证焊接质量和一致性。
而激光焊接技术以其非接触、能量集中、热影响区域小等优点，在高端封装中广泛应用于芯片焊球连接、引线键合等领域。
特别是对于功率半导体、光电子器件等需要承受高热应力的封装，激光焊接能确保可靠的机械连接和电导通，同时减少热损伤风险，提升整体封装的长期可靠性。
3. 先进封装材料的加工与处理激光技术在处理新型封装材料，如陶瓷基板、低温共烧陶瓷(LTCC)、玻璃等非传统封装材料方面，发挥了重要作用。
激光能够精确切割这些硬脆材料，完成微米级别的精细结构加工，同时保持边缘质量高、无裂纹。
此外，激光退火、激光剥离等技术也在改善材料性能、实现异质材料集成方面展现出独特优势，进一步推动了高端封装技术的创新。
4. 激光在散热管理中的创新应用随着芯片性能的不断提升，高效散热成为制约电子产品性能的关键因素。
激光技术在散热结构的加工上展现了巨大潜力，例如激光蚀刻技术用于制造微流道散热系统，激光直写技术用于制备高导热纳米材料图案，有效提升了封装的热传导效率。
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• 自对准效应
当芯片焊盘与衬底焊盘之间偏移不超过焊球平 均半径的三倍，并且在回流过程中能达到熔融焊球 与衬底焊盘部分浸润，在熔融焊料表面张力的作用 下，可以矫正对位过程中发生的偏移，将芯片拉回 正常位置，回流过程结束后形成对准良好的焊点。
2.2.2 FCB－机械接触法
• 机械接触法原理：
在基板金属焊盘上涂覆可光固化的环氧树脂，将凸点芯片 倒装加压进行UV光固化，所形成的收缩应力使凸点金属与基板金 属焊盘达到可靠的机械接触互连（并非焊接）——适用于高I/O数 的微端部中央
3
在压力、温度的作用下形成连接
4
压头上升
压头高速运动到第二键合点， 形成弧形
第一键合点的形状
5
6
在压力、温度作用下形成第二点连接
7
压头上升至一定位置，送出尾丝
8
夹住引线，拉断尾丝
引燃电弧，形成焊球 进入下一键合循环
第二键合点
球形焊点
丝球焊点形状
契形焊点
热压球焊点的外观
• 特点： ➢ 适合细丝、粗丝以及金属扁带 ➢ 不需外部加热，对器件无热影响 ➢ 可以实现在玻璃、陶瓷上的连接 ➢ 适用于微小区域的连接
超声压头
Al 丝
芯片电极
基板电极
1. 定位（第一次键合）
加压 超声波振动
2. 键合
拉引
3. 定位（第2次键合）
4. 键合－切断
超声键合法工艺过程
超声键合实物图
1.2.3 热超声键合法（TSB）
内侧引线键合好之后进行塑封，然后再封装在基板上
IC
切断、冲压成型
引线 聚酰亚胺载带
安装
焊料 基板
热压键合
焊盘
外侧引线键合操作
加热键合压头
1.2 引线连接法（WB）
定义：通过热压、钎焊等方法将芯片中各金属化端子与封装基 板相应引脚焊盘之间的键合连接。
布线板
引线 芯片
布线端子
热压键合法 引线连接技术 超声键合法
1.2.2 超声键合法（USB）
• 原理： 对Al丝施加超声波，对材料塑性变形产生的影响，类似
于加热。超声波能量被Al中的位错选择性吸收，从而位错在 其束缚位置解脱出来，致使Al丝在很低的外力下即可处于塑 性变形状态。 这种状态下变形的Al丝，可以使基板上蒸镀的Al膜表面上形 成的氧化膜破坏，露出清洁的金属表面，偏于键合。
微互连技术
——各种微互连方式简介
目录 • 裸芯片微组装技术 • 倒装焊微互连技术 • 压接倒装互连技术
1.0 裸芯片微组装技术
定义：将芯片直接与基板相连接的一种技术。
裸芯片微组装
载带自动键合法 引线连接法 梁式引线法 倒装芯片法
1.1 载带自动键合法（TAB）
定义：将芯片凸点电极与载带的引线连接，经过切断、 冲压等工艺封装而成。
键合牢固，强度高； 无需加热；对 在略粗糙的表面上 表面洁净度不 也能键合；键合工 十分敏感； 艺简单
与热压键合法相比， 可以在较低温度、 较低压力下实现键 合
对表面清洁度很敏 对表面粗糙度
感；应注意温度对 敏感；工艺控
元件的影响
制复杂
需要加热；与热压 法相比工艺控制要 复杂些
适用于单片式LSI 最适合采用Al 适用于多芯片LSI
在芯片与基板之间填充树脂
2.2.1 FCB－C4法(Controlled Collapse Chip
Connection)
• 可控塌陷芯片互连原理：
焊料凸点完全融化，润湿基板金属层，并与之反应。
2.2.1 FCB－表层回流互连法
• 原理：
在PCB金属焊盘上涂敷低温Pb/Sb焊膏，倒装上凸点芯片 后，只是低温焊膏再回流，高温Pb/Sb凸点却不熔化。
载带：即带状载体，是指带状绝缘薄膜上载有由覆 铜箔经蚀刻而形成的引线框架，而且芯片也 要载于其上。
载带一般由聚酰亚胺制作，两边 设有与电影胶片规格相统一的送 带孔，所以载带的送进、定位均 可由流水线自动进行，效率高， 适合于批量生产。
键合凸点
加热键合压头
电子蜡层
芯片
送带板
芯片载带
送片台
内侧引线键合操作示意图
芯片
梁式引线
电极
基板
热压接
梁式引线法示意图
2.0 倒装芯片（FCB）互 • 连定义：
在芯片的电极处预制焊料凸点，同时将焊料膏印刷到基 板一侧的引线电极上，然后将芯片倒置，使芯片上的焊料凸 点与之对位，经加热后使双方的焊料熔为一体，从而实现连 接。
• 特点：
➢ 封装速度高，可以同时进行成百上千个以上焊点的互连； ➢ 焊球直接完成芯片和封装间的电连接，实现了芯片和封装
热超声键合法
特点：适用于几乎所有的半导体集成电路元件，操作方便，封 装密度高，但引线长，测试性差。
1.2.1 引线连接法-热压键合（TCB）
定义： 利用微电弧使φ25~φ50um的Au丝端头熔化成球状,通过送
丝压头将球状端头压焊在裸芯片电极面的引线端子,形成第1键 合点。
然后送丝压头提升，并向基板位置移动，在基板对应的 导体端子上形成第2键合点，完成引线连接过程。
间最短的电连接通路，具有卓越的电气性能；
➢ 芯片电极焊接点除边缘分布外，还可以设计成阵列分布， 因此，封装密度几乎可以达到90%以上。
2.1 封装结构
芯片
电极
凸点
在芯片上形成金属化层，在金属化层上制 作钎料合金凸点；
芯片面向下与基板上的金属化层对准；
PCB
钎焊
加热使钎料合金熔化，形成连接；
倒装芯片法示意图
• 基理： 利用超声机械振动带动丝与衬底上蒸镀的膜进行摩擦，
使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以 及高频振动，使金属晶格上原子处于受激活状态，发生相互 扩散，实现金属键合。
• 工作原理： 在超声键合机的基板支持台上引入热压键合法中采用的
加热器，进行辅助加热；键合工具采用送丝压头，并进行超 声振动；由送丝压头将Au丝的球形端头超声热压键合在基板 的布线电极上。
1.2.4 三种引线连接方法对比
特性
热压键合法
超声键合法 热超声键合法
可用的丝质 及直径
键合丝的切 断方法 优点
缺点
其他
Au丝 φ15～φ100um
Au丝，Al丝 Φ10～φ500um
Au丝 Φ15～φ100um
高电压（电弧） 拉断(超声压头) 高电压（电弧）
拉断
拉断(送丝压头) 拉断
高电压(电弧)
丝
的内部布线连接
1.3 梁式引线法
• 定义：
采用复式沉积方式在半导体硅片上制备出由多 层金属组成的梁，以这种梁来代替常规内引线与外 电路实现连接 。
• 特点：
主要在军事、宇航等要求长寿命和高可靠性的 系统中得到应用。其优点在于提高内引线焊接效率 和实现高可靠性连接，缺点是梁的制造工艺复杂， 散热性能较差，且出现焊点不良时不能修补。