新型微电子封装论文

微电子封装技术的最新进展

08电科①班姓名：马松学号：08206050103

摘要：介绍了微电子封装中丝焊倒装焊和无铅焊料技术的最新进展分析了用于先进和复杂应用场合的堆叠芯片丝焊低k超细间距器件丝焊以及铜丝焊技术

关键词互连工艺焊接丝焊倒装焊无铅焊料

0 引言

集成电路产业已成为国民经济发展的关键,而集成电路设计、制造和封装侧试是集成电路产业发展的三大产业之柱。这已是各级领导和业界的共识。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能，在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本，微电子封装越来越受到人们的普遍重视。微电子行业进入纳米时代后互连的重要性大大增加无引线圆片级和面阵列封装(如球栅阵列(BGA) 封装) 发展迅速微电子行业产品更小更快更轻更便宜的要求还将使其更多地使用先进IC封装现在全世界对环境保护都非常重视减少污染会给人类一个优质的生活环境电子产品的研究和生产也不例外在这种情况下人们越来越重视开展无铅产品的研制和生产。

1微电子三级封装

谈到微电子封装 ,首先我们要叙述一下三级封装的概念。一般说来 ,微电子封装分为三级 ,如图所示。所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后 ,将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来 ,并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB) 和倒装芯片键合(FCB)连接起来 ,使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类。应该说 ,一级封装包含了从圆片裂片到电路测试的整个工艺过程 ,即我们常说的后道封装 ,还要包含单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)的设计和制作 ,以及各种封装材料如引线键合丝、引线框架、装片胶和环氧模塑料等内容。这一级也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装到印制板或其它基板上 ,成为部件或整机。这一级所采用的安装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术(SMT)和芯片直接安装技术(DCA)。二级封装还应该包括双层、多层印制板、柔性电路板和各种基板的材料、设计和制作技术。这一级也称板级封装。三级封装就是将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来 ,形成三维立体封装 ,构成完整的整机系统 ,这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材料、设计和组装技术。这一级也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念 ,包括了从一极封装到三极封装的全部技术内容。在国际上 ,微电子封装是一个很广泛的概念 ,包含组装和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCM)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、机械性能、热性能和可靠性设计、封装材料、封装工模夹具以及绿色封装等多项内容。有人说 ,微电子封装就是封装外壳又有人说微电子封装不过是无源元件 ,不可能是有源还有人说 ,微电子封装不过是个包封体 ,可有可无 ,等等。这些看法都是片面的 ,不正确的。我们应该把现有的认识纳人国际微电子封装的轨道 ,这样既有利于我国微电子封装界与国外的技术交流 ,也有利于我国微电子封装自身的发展.

2丝焊

2.1 堆叠芯片球栅阵列封装中的丝焊

用于堆叠芯片的丝焊机通常都要定制设计劈刀(毛细管) 要有非常小的尖端直径焊盘间距小于50 m 堆叠芯片或者3D封装能减少焊脚降低总的封装成本通过功能集成便于SiP封装(system-in-chip) 的设计堆叠芯片BGA现在已有几种类型在工业上得到应用例如一个存储器用SRAM和Flash芯片堆叠可以减少总焊脚数量的28% 其他的一些有源器件无源元件敏感器等也可以堆叠在一个系统里这种形式的封装在移动电话或PDA中显得更加重要图1所示是堆叠芯片互连的几种形式目前丝焊(WB) /丝焊(WB) 丝焊(WB) /倒装焊(FC) 倒装焊(FC) /丝焊(WB) 等几种不同的互连形式现在已经开始在移动电子设备中工业化事实上，堆叠芯片封装标准的最大封装高度是1 mm 1.2 1.4 mm或1.7 mm。

2.2低k超细间距器件的丝焊

为了保证电路在信号传播延迟方面具有良好的性能并减小寄生耦合效应(如串扰) 封装设计时必须减小互连绝缘子的介电常数减小大集成互连中的阻容延迟可采用低k介质取代SiO2 (降低电容) 并用Cu取代Al导体(降低电阻低k材料可改善微电子器件的电性能但也会给IC的机械牢固性带来问题多孔低k材料在集成工艺中的材料性能会下降这些材料有低弹性模量低断裂韧度且与盖层和衬底的粘接性很差有报道说由于多孔低k材料的弱机械强度和差粘合强度热机械应力会导致焊盘分层因此对于这些问题也都还需进一步研究制造具有更细间距更高电路集成的微电子器件也是微电子行业的一个趋势但这会给超细间距器件丝焊带来许多新挑战为了解决低k超细间距器件丝焊的焊球隆起可尝试优化劈刀(毛细管) 内部轮廓来改善可焊性与标准设计相比该技术带有更小的倒角更大的内部削面和更大倒角圆角的劈刀(毛细管) 能增加焊接界面中金属间化合物的百分比从而减少焊接过的器件老化后金属焊盘剥皮和焊球隆起失效

2.3 铜丝焊

金丝焊是目前使用最广泛的一种互连方法但近年来对铜丝焊也进行了大量的研究因为铜丝焊具有更低的产品价值更高的电导率(能提供好的器件性能) 以及更高的弹性和热导率电镀可防止金属铜丝氧化增加焊接强度由于铜丝直径仅25 µm 阻止氧化的金属层厚度为0.1µ m 因此铜丝焊要在惰性(氮) 气体中进行。

3 倒装焊

现在已经开发了许多低成本倒装焊组装工艺。人们可根据器件的特性和用途选择不同的倒装焊工艺。如采用无铅焊料、金、聚合物等作为凸点材料。基板材料可以是玻璃、陶瓷、FR-4、柔性材料等。焊料合金可用来提供电互连。

3.1凸点的形成方法

(1) 可控塌陷芯片连接C4工艺

这种方式下的凸点应使用纯焊料(95%Pb/5%Sn)。在再流过程中，可通过控制焊料的流量，限制暴露在芯片和基板上的浸润金属焊料数量来控制焊料的流动（芯片到基板空隙的塌陷)。在C4工艺中， Cr附着层、Cr/Cu混合层(可阻止多次再流）、Cu可焊层、闪Au层和95%Pb/5%S焊料层可通过挡板蒸发到半导体圆片上。由于Pb的蒸发气压比Sn高，所以Pb先沉积这样就会形成焊料凸点。蒸发后，将