集成电路芯片封装技术-芯片互连技术
《芯片互连》课件
这是一份关于芯片互连的PPT课件。我们将深入探讨芯片互连的优势、挑战、 技术路线和分类、以及应用场景。希望能够帮助大家更深入地了解芯片互连 技术。
什么是芯片互连？
定义
芯片互连是将芯片之间或芯 片与外部环境之间的信息传 输和能量传递通路连接到一 起，实现芯片之间的互相交 流的技术。
芯片互连技术应用场景
数据中心
芯片互连技术可以实现数据中心的高速、低延迟、 可靠连接，可促进数据中心优化和效率提升。
智能家居
芯片互连技术可以实现智能家居设备的联动、互动、 便捷控制，可以提高家庭生活质量和舒适度。
工业自动化和机器人
芯片互连技术可以实现工厂自动化、流水线控制和 机器人互联互通，可以提高生产效率和产能。
芯片互连的优势和挑战
优势
芯片互连技术可以实现设备间的高速联网和数据交 换，有助于实现智能制造、智能家居、智慧城市等 应用，并带来高效便捷的用户体验。
挑战
芯片互连技术也带来了数据安全、隐私保护、网络 攻击等方面的风险和挑战，需要采取有效措施进行 防范和应对。
商业机会
随着芯片互连技术的不断发展和应用，也带来了巨
3 发展趋势
芯片互连技术将持续向可集成、多功能、高性能、低功耗、高可靠、安全保密的方向发 展，推动芯片产业链创新升级，挖掘出更多商业价值。
芯片互连的基本概念
芯片封装技术
• 裸片封装 • PLCC封装 • BGA封装 • CSP封装
芯片间连接技术
• 点对点连接 • 总线连接 • 交叉开关连接 • 集成互连连接
外部接口标准
• USB • HDMI • PCI • SATA
芯片互连的分类和特点
1
按传输距离分类
集成电路芯片封装技术培训课程(ppt-35页)全
微电子技术发展对封装的要求
四、高密度化和高引脚数
高密度和高I/O数造成单边引脚间距缩短、封装难
度加大：焊接时产生短路、引脚稳定性差
解决途径：
采用BGA技术和TCP（载带）技术
成本高、难以进行外观检查等。
微电子技术发展对封装的要求
五、适应恶劣环境
密封材料分解造成IC芯片键合结合处开裂、断路
解决办法：寻找密封替代材料
Ceramic
Ceramic or
Thin Film on Ceramic
Thin Film on PWB
PWB-D
•Integration to
BEOL
•Integration in
Package level
PWB-Microation at
System level
1、电源分配：传递电能-配给合理、减少电压损耗
2、信号分配：减少信号延迟和串扰、缩短传递线路
3、提供散热途径：散热材料与散热方式选择
4、机械支撑：结构保护与支持
5、环境保护：抵抗外界恶劣环境（例：军工产品）
确定封装要求的影响因素
成本
外形与结构
产品可靠性
性能
类比：人体器官的构成与实现
微电子封装技术的技术层次
芯片，但两类芯片的可靠性和成本不同。
封装材料
芯片封装所采用的材料主要包括金属、陶瓷、
高分子聚合物材料等。
问题：如何进行材料选择？
依据材料的电热性质、热-机械可靠性、技术和
工艺成熟度、材料成本和供应等因素。
表1.2-表1.4
封装材料性能参数
介电系数：表征材料绝缘程度的比例常数，相对值，通常介
电系数大于1的材料通常认为是绝缘材料。
芯片封装技术
芯片封装技术
芯片封装技术是一项科学技术，用于将集成电路连接在一起，以实现整个系统中各部件之间的正确通信。
它可以支持电路元件在成品系统中的互连、与环境之间的界面和故障检测和维护。
芯片封装技术被广泛应用于电子行业，是低成本大规模集成电路制造的基础。
芯片封装技术包括多项技术，主要由封装表面贴装技术、封装热接技术和封装互连技术组成。
封装表面贴装技术指将封装元器件表面连接在一起，它包括直接焊接、铜布网焊接和热接技术等；封装热接技术是将封装元件和PCB进行连接，其主要技术有热封技术和半封装技术;封装互连技术是将封装元件和其他集成电路元件互连，它主要包括DSBGA、PBGA、CSP、FC-BGA等。
芯片封装技术有助于工程师和研究人员更好地设计集成电路，改善准确性、效率和可靠性。
除了上述技术外，芯片封装技术还包括封装结构、有源和无源材料、封装工艺路线、封装设备和测试等技术。
它们能够满足集成电路的多样化需求，为电子产品的开发和制作提供技术支持。
集成电路封装和可靠性Chapter2-1-芯片互连技术【半导体封装测试】
UESTC-Ning Ning1Chapter 2Chip Level Interconnection宁宁芯片互连技术集成电路封装测试与可靠性UESTC-Ning Ning2Wafer InWafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆)Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬)Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型)Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装)典型的IC 封装工艺流程集成电路封装测试与可靠性UESTC-Ning Ning3⏹电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 %⏹中德电子材料公司制作的晶棒(长度达一公尺，重量超过一百公斤)UESTC-Ning Ning4Wafer Back Grinding⏹PurposeThe wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process.⏹Process Methods:1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光)UESTC-Ning Ning5旋转及振荡轴在旋转平盘上之晶圆下压力工作台仅在指示有晶圆期间才旋转Method:The wafer is first mounted on a backgrind tape and is then loaded to the backgrind machine coarse wheel . As the coarse grinding is completed, the wafer is transferred to a fine wheel for polishing .。
集成电路封装和测试复习题答案
一、填空题1、将芯片及其他要素在框架或基板上布置，粘贴固定以及连接，引出接线端子并且通过可塑性绝缘介质灌封固定的过程为狭义封装;在次根基之上，将封装体与装配成完整的系统或者设备，这个过程称之为广义封装。
2、芯片封装所实现的功能有传递电能;传递电路信号;提供散热途径；构造保护与支持。
3、芯片封装工艺的流程为硅片减薄与切割、芯片贴装、芯片互连、成型技术、去飞边毛刺、切筋成形、上焊锡、打码。
4、芯片贴装的主要方法有共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴发、玻璃胶粘贴法。
5、金属凸点制作工艺中，多金属分层为黏着层、扩散阻挡层、表层金保护层。
6、成型技术有多种，包括了转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术、其中最主要的是转移成型技术。
7、在焊接材料中，形成焊点完成电路电气连接的物质叫做煤斜；；用于去除焊盘外表氧化物，提高可焊性的物质叫做助焊剂；在SMT中常用的可印刷焊接材料叫做锡直。
8、气密性封装主要包括了金属气密性封装、陶瓷气密性封装、玻璃气密性封装。
9、薄膜工艺主要有遮射工艺、蒸发工艺、电镀工艺、光刻工艺。
10、集成电路封装的层次分为四级分别为模块元件（MOdUIe）、⅛路卡工艺（Card）、主电路板（Board）、完整电子产品。
11、在芯片的减薄过程中，主要方法有磨削、研磨、干式抛光、化学机械平坦工艺、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子增强化学腐蚀等。
12、芯片的互连技术可以分为打线键合技术、载带自动键合技术、倒装芯片键合技术。
13、DBG切割方法进展芯片处理时，首先进展在硅片正面切割一定深度切口再进展反面磨削。
14、膜技术包括了薄膜技术和厚膜技术，制作较厚薄膜时常采用丝网印刷和浆料枯燥烧结的方法O15、芯片的外表组装过程中，焊料的涂覆方法有点涂、丝网印刷、钢模板印刷三种。
16、涂封技术一般包括了顺形涂封和封胶涂封。
二、名词解释1、芯片的引线键合技术（3种）是将细金属线或金属带按顺序打在芯片与引脚架或封装基板的焊垫上而形成电路互连，包括超声波键合、热压键合、热超声波键合。
集成电路芯片封装技术第三章 厚薄膜技术
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第三章
前课回顾
1.芯片互连技术的分类 1.芯片互连技术的分类
2.WB技术、TAB技术与FCB技术的概念 技术与FCB 2.WB技术、TAB技术与FCB技术的概念 技术
3.三种芯片互连技术的对比分析 3.三种芯片互连技术的对比分析
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第三章
芯片互连技术对比分析
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第三章
传统金属陶瓷厚膜浆料成分—粘结成分 传统金属陶瓷厚膜浆料成分 粘结成分
金属氧化物粘接机理： 金属Cu和Cd（镉）与浆料混合，发生基板表面氧化反 应生成氧化物，金属与氧化物粘结并通过烧结结合在一起。 金属氧化物粘结的优缺点？ 金属氧化物粘结的优缺点？
玻璃-氧化物粘接机理： 氧化物一般为氧化锌或氧化钙，低温下可发生反应， 克服了上述两种粘结剂的缺点，称之为混合粘结系统。
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第三章
厚膜浆料
所有厚膜浆料通常有两个共性： 一、适于丝网印刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体； 二、有两种不同的多组分相组成，一个是功能相，提供 最终膜的电和力学性能，另一个是载体相（粘合剂），提供 合适的流变能力。
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第三章
牛顿流体和非牛顿流体
牛顿流体指剪切应力与剪切变形速率成线性关系，即在 受力后极易变形，且剪切应力与变形速率成正比的低粘 性流体。凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。 牛顿内摩擦定律表达式：τ=μγ 式中：τ--所加剪切应力； γ--剪切速率（流速梯度）； μ--度量液体粘滞性大小的物理量—黏度， 其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。
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第三章
《集成电路封装与测试》芯片互连
引线键合技术
11
引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，键合接点有两个，两 键合接点形状可以相同或不同。
球形键合
楔形键合
引线键合工艺参数
12
➢键合温度 WB 工艺对温度有较高的控制要求。过高的温度不仅会产生过多的氧化物影响键合质量，并
且由于热应力应变的影响，图像监测精度和器件的可靠性也随之下降。在实际工艺中，温控系 统都会添加预热区、冷却区，提高控制的稳定性，需要安装传感器监控瞬态温度 ➢键合时间
芯片焊区
芯片互连
I/O引线
半导体失效约有1/4-1/3是由芯片互连所引起，因此芯片互连对器件可靠性意义重大！！！
芯片互连技术概述
5
芯片托盘(DIE PAD)
芯片(CHIP)
L/F 内引脚 (INNER LEAD)
热固性环氧树脂 (EMC)
金线(WIRE)
L/F 外引脚 (OUTER LEAD)
IC 封装成品构造图
芯片互连常见方法
6
常见 方法
引线键合（又称打线键合）技术（WB） 载带自动键合技术（TAB）
倒装芯片键合技术（FCB）
这三种连接技术对于不同的封装形式和集成电路芯片集成度的限制各有不同的应用范围。 其中，FCB又称为C4—可控塌陷芯片互连技术。 打线键合适用引脚数为3-257；载带自动键合的适用引脚数为12-600；倒装芯片键合适用的引 脚数为6-16000。可见C4适合于高密度组装。
02 引线键合技术概述
引线键合技术
8
引线键合工程是引线架上的芯片与引线架之间用金线连接的工程。为了 使芯片能与外界传送及接收信号，就必须在芯片的接触电极与引线架的引脚 之间，一个一个对应地用键合线连接起来，这个过程称为引线键合。也称为 打线键合。
《集成电路封装和可靠性》培训课件：芯片互连技术
Lead Scan (LS 检测)
Packing (PK 包装)
集成电路封装测试与可靠性
1 电子级硅所含的硅的纯度很高，可 达 99.9999 99999%
1 中德电子材料公司制作的晶棒(长度 达一公尺，重量超过一百公斤)
集成电路封装测试与可靠性
debris l e f t over from the grinding process.
1 Process Methods:
1)Coarse grinding by mechanical. ( 粗磨)
2)Fine polishing by mechanical or plasma etching. ( 细磨抛光)
14
集成电路封装测试与可靠性
Wire Bonding Technology -- Die Attach Process
Purpose:
The die attach process i s to attach the sawed die in the right orientation accurately onto the substrate with a bonding medium in between to enable the next wire bond f i r s t level interconnection operation .
刀刃
集成电路封装测试与可靠性
切割设备示意图
晶圆 工作台
Dicing Blade
Silicon Wafer Flame
Flame
Blue Tape
两次进刀切割法
Wafer sawing
集成电路封装测试与可靠性
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第二章
载带自动键合（TAB）技术概述
载带自动焊(Tape Automated Bonding，TAB)技术 是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集 成电路封装技术；将芯片焊区与电子封装体外壳的I/O或基 板上的布线焊区用有引线图形金属箔丝连接，是芯片引脚 框架的一种互连工艺。
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FCB技术-凸点芯片的倒装焊接
第二章
倒装焊接工艺 热压或热声倒装焊接：调准对位-落焊头压焊（加热）
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FCB键合技术- 再流倒装焊接
再流倒装焊接 （C4技术） 对锡铅焊料凸点 进行再流焊接
第二章
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第二章
倒装芯片键合技术-其他焊接方法 环氧树脂光固化倒装焊接法
用Al箔：导热性和导电性及机械强度、延展性。
3）凸点金属材料 芯片焊区金属通常为Al，在金属膜外部淀积制作
粘附层和钝化层，防止凸点金属与Al互扩散。典型 的凸点金属材料多为Au或Au合金。
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TAB技术的关键材料
第二章
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TAB的优点
第二章
1）TAB结构轻、薄、短、小，封装高度<1mm
键合金丝是指纯度约为99.99％，线径为l8～ 50μm的高纯金合金丝，为了增加机械强度，金 丝中往往加入铍(Be)或铜。
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WB线材及其可靠度
第二章
键合对金属材料特性的要求： 可塑性好，易保持一定形状，化学稳定性好；
尽量少形成金属间化合物，键合引线和焊盘金 属间形成低电阻欧姆接触。
键合时要提供外加热源。
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引线键合接点外形
第二章
球形键合
第一键合点
第二键合点
楔形键合
第一键合点
第二键合点 重庆城市管理职业学院
引线键合技术实例
第二章
采用导线键合的芯片互连
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第二章
WB线材及其可靠度 不同键合方法采用的键合材料也有所不同：
热压键合和金丝球键合主要选用金（Au）丝 ，超声键合则主要采用铝（Al）丝和Si-Al丝（ Al-Mg-Si、Al-Cu等）
TAB工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片 上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的 键合在一起，然后对芯片进行密封保护。
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TAB技术工艺流程
第二章
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TAB技术工艺流程
第二章
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TAB技术工艺流程
第二章
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TAB关键技术
第二章
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 合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以 相同或不同。
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WB技术作用机理
第二章
超声键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时
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倒装芯片键合技术
第二章
倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与 基板焊区直接互连的一种键合方法：通过芯片上的凸点直接 将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而WB和TAB 则是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接 基板和载体上，倒装芯片又称为DCA（Direct Chip Attach ）
TAB工艺关键部分有：芯片凸点制作、TAB载 带制作和内、外引线焊接等。
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TAB关键技术-凸点制作
第二章
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载带制作工艺实例—Cu箔单层带
冲制标准定位传送孔 Cu箔清洗 Cu箔叠层 Cu箔涂光刻胶（双面）
刻蚀形成Cu线图样 导电图样Cu镀锡退火
第二章
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2）TAB电极尺寸、电极与焊区间距较之WB小
3）TAB容纳I/O引脚数更多，安装密度高
4）TAB引线电阻、电容、电感小，有更好的电性能
5）可对裸芯片进行筛选和测试
6）采用Cu箔引线，导电导热好，机械强度高
7）TAB键合点抗键合拉力比WB高
8）TAB采用标准化卷轴长带，对芯片实行多点一次焊接，
自动化程度高
施加向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属
表面迅速摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完
成焊接。常用于Al丝键合，键合点两端都是楔形 。
热压键合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子
间达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔
形 ，常用于Au丝键合。
金丝球键合：用于Au和Cu丝的键合。采用超声波能量，
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第二章
引线键合技术分类和应用范围
常用引线键合方式有三种：
热压键合
超声键合
热超声波（金丝球）键合 低成本、高可靠、高产量等特点使得WB成为芯片互 连主要工艺方法，用于下列封装:
·陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP
·陶瓷和塑料封装QFP
·芯片尺寸封装 (CSP)
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第二章
内引线键合 (ILB)
第二章
内引线键合是将裸芯片组装到TAB载带上的技术，通常采
用热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。
当芯片凸点是软金属，而载带Cu箔引线也镀这类金属时，则
用“群压焊”。
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TAB关键技术-封胶保护
第二章
然后，筛选与测试
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外引线键合 OLB
柯肯达尔效应：两种扩散速率不同的金属交互
扩散形成缺陷：如Al-Au键合后，Au向Al中迅
速扩散，产生接触面空洞。通过控制键合时间
和温度可较少此现象。
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WB可靠性问题
第二章
金属间化合物形成——常见于Au-Al键合系统 引线弯曲疲劳 引线键合点跟部出现裂纹。 键合脱离——指键合点颈部断裂造成电开路。 键合点和焊盘腐蚀
第二章
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FCB技术-凸点芯片的倒装焊接
第二章
制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可 以在PCB上直接将芯片进行FCB焊接。
将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊 区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。 金属焊区通常的金属层包括：
Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工艺）和Au-Ni-Cu（薄膜工艺） PCB的焊区金属化与基板相类似。
倒装芯片键合技术应用
第二章
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FCB技术-芯片凸点类型
第二章
凸点类型和特点 按材料可分为焊料凸点、Au凸点和Cu凸点等 按凸点结构可分为：周边性和面阵型 按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形等
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FCB技术-凸点制作方法
形成凸点的工艺技 术有很多种，主要包 括蒸发/溅射凸点制 作法、电镀凸点制作 法、置球法和模板制 作焊料凸点法等。
FCB省掉了互连引线，互连线产生的互连电容、电阻和电 感均比WB和TAB小很多，电性能优越。
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倒装芯片键合技术
第二章
凸点下金属层(UBM) 芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之
间的多层金属膜(Under Bump Metallurgy)，一般称为凸 点下金属层，主要起到粘附和扩散阻挡重的庆城作市用管。理职业学院
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TAB技术分类
第二章
TAB按其结构和形状可分为Cu箔单层带、CuPI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金 属带等四种。
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载带自动键合（TAB）技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章
TAB技术首先在高聚物上做好元件引脚的引线 框架，然后将芯片按其键合区对应放在上面，然 后通过热电极一次将所有的引线进行键合。
第二章
优点： 1）互连线短，互连电特性好 2）占基板面积小，安装密度高 3）芯片焊区面分布，适合高I/O器件 4）芯片安装和互连可同时进行，工艺简单、快速 缺点： 1）需要精选芯片 2）安装互连工艺有难度，芯片朝下，焊点检查困难 3）凸点制作工艺复杂，成本高 4）散热能力有待提高
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第二章
测试完成
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第二章
TAB技术的关键材料 1）基带材料
基带材料要求高温性能好、热匹配性好、收缩 率小、机械强度高等，聚酰亚胺（PI）是良好的 基带材料，但成本较高，此外，可采用聚酯类材 料作为基带。
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TAB技术的关键材料
第二章
2）TAB金属材料 制作TAB引线图形的金属材料常用Cu箔，少数采
芯片互连技术
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前课回顾
1.集成电路芯片封装工艺流程
第二章
2.成型技术分类及其原理
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主要内容
➢ 引线键合技术（WB） ➢ 载带自动键合技术（TAB） ➢ 倒装芯片键合技术（FCB）
第二章
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引线键合技术概述
第二章
引线键合技术是将半导体裸芯片（Die）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。
利用光敏树脂固化时产生的收缩力将凸点和基板上 金属焊区互连在一起。
各向异性导电胶倒装焊接法
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倒装芯片下填充
第二章
目的：缓冲焊点受机械振动和CTE失配导致基板对芯片拉力 作用引起的焊点裂纹和失效，提高可靠性。