薄厚膜混合集成电路

混合集成电路中的新型封装工艺 摘要：文章介绍了几种新的封装工艺,如单芯片封装、多芯片封装

钎焊气密封接技术、激光熔焊封接技术、铜工艺等

引言：当将有源器件和无源元件组装到已完成膜层印烧/蒸发/溅射

的基片上以后，这个混合微电路就可以进行封装了。组装和封装作为产品开发中的关键技术在业界引起人们日益增多的关注。

正文 广义的封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于设备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学技术。 狭义的封装(Packaging,PKG)是指裸芯片与布线板实现微互连后，将其密封在塑料、玻璃、金属或陶瓷外壳中，以确保半导体集成电路芯片在各种恶劣条件下正常工作。  无论是单芯片封装前的裸芯片，还是多个裸芯片装载在多层布线板上的多芯片组件(MCM),在不经封装的状态下，由于空气中湿气和氧的影响，半导体集成电路元件表面及多层布线板表面的导体图形及电极等，会随时受到氧化的腐蚀，使其性能退化。因此，无论是单芯片封装还是MCM制造，在整个工艺过程中，应避免在空气中放置，而应在氮气气箱等非活性气氛中加以保护。否则，会出现半导体元件的内侧引线凸点因氧化而难以键合，多层布线板的导体电极因氧化而不能钎焊等问题。 即使已完成了微互连，不经封装而在含有湿气的空气中工作加之迁移现象，半导体元件及多层布线板上的导体电路会发生突然短路。因此，多层布线板及半导体元件表面露出的导体图形必须与外界气氛隔绝。无论对于单个使用的裸芯片还是MCM，封装都是必不可少的。 封装除对混合电路起机械支撑、防水和防磁、隔绝空气等的作用外，还具有对芯片及电连接的物理保护、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格标准化等多种功能。

下面介绍几种混合集成电路中的新型封装工艺 一、非气密性树脂封装技术 1、单芯片封装 单芯片封装分气密性封装型和非气密性封装型两大类：前者包括金属外壳封接型、玻璃封接型(陶瓷盖板或金属盖板)、钎焊(Au/Sn共晶焊料)封接型；后者包括传递模注塑封型、液态树脂封装型、树脂块封装型等。其中传递模注塑封法价格便宜，便于大批量生产，目前采用最为普遍。 传递模注塑封技术 a.模注树脂成分及特性 树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲，可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。 树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物。 按树脂分子主链组成分类 : 按此方法可将树脂分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。 碳链聚合物是指主链全由碳原子构成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。 杂链聚合物是指主链由碳和氧、氮、硫等两种以上元素的原子所构成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。 元素有机聚合物是指主链上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、铝、钛、硼、硫、磷等元素的原子构成，如有机硅。 b.传递模注工艺过程 先将模具预热，将经过微互连的芯片框架插入上下模具中，上模具下降，将芯片框架固定。 注塑压头按设定程序下降，树脂料饼经预加热器加热，粘度下降，在注塑压头压力作用下，由料筒经流道，通过浇口分配器进入浇口，最后注入到型腔中。 注入中不加压力，待封装树脂基本上填满每个型腔之后再加压力。在加压状态下保持数分钟，树脂聚合而硬化。 上模具提升，取出模注好的封装体。切除流道、浇口等不必要的树脂部分。 此时树脂聚合仍不充分，特性也不稳定，需要在160~180摄氏度经数小时的高温加热，使聚合反应完结。 由于模注时树脂可能从模具的微细间隙流出，故最后还要利用高压水及介质(玻璃粉等)的冲击力，使残留在外引脚表面的树脂溢料(又称毛边、飞边等)剥离。 外引脚经过电镀焊料或电镀Sn等处理，以改善引脚的耐蚀性及微互连时焊料与它的浸润性。至此，传递模注封装全部完成。 c.模注树脂流速及粘度对Au丝偏移(冲丝)的影响 封装树脂在型腔内流动会造成微互连Au丝的偏移(冲丝)。 为了减小Au丝偏移，应降低封装树脂的粘度，并控制封装树脂尽量缓慢的在型腔内流动。 2、多芯片封装 MCM封装也可按其气密性等级，分为气密封装和非气密封装两大类。非气密封装的代表是树脂封装法，依树脂的加入方式不同，进一步还可分为注型(casting)法、浸渍(dipping)法、滴灌(potting)法及流动浸渍法(粉体涂装法)等；气密性封装包括低熔点玻璃封接法、钎焊封接法、缝焊封接法及激光熔焊法等。 封装可靠性与其价格具有明显的关系，可靠性越高则封装价格越贵。 树脂封装价格低，但从可靠性角度，特别是耐湿性存在问题，对于可靠性要求高的大型电子计算机等领域，必须采用气密性封装。 采用钎焊密封法，可以做到完全的气密性封接，金属性腔体内还可封入氦气、氮气等非活性气体。但这种方法存在焊料与多层布线板上导体层之间的扩散问题，若在高温环境下使用，则耐热性及长期使用的可靠性都不能保证。 对可靠性有更高要求的应用，需采用熔焊法。其中之一是缝焊封接(seamweld),但现有缝焊焊机的功率有限，只能焊比较薄(厚度约0.15mm)的金属盖板，不能用于大型MCM。为了能对大型MCM中采用比较厚(0.25~0.5mm)的金属盖板进行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。 采用缝焊封接时，先用环氧树脂及焊料等粘结剂，将陶瓷布线板支持固定在金属外壳中，而粘结剂在散热性及耐机械冲击性等方面都存在问题。为解决这些问题，可以在陶瓷布线板上，通过银浆料，粘结固定与布线板热膨胀系数基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封环，并作为激光熔焊时的金属基体。 二、气密性封装技术 a.钎焊气密封接技术 钎焊气密封接是通过钎焊将金属外壳固定在多层布线板上，将IC芯片与外气绝缘。为了利用钎焊实现气密封接的目的，要求焊料与被钎焊材料之间具有良好的浸润性。通常采用Sn63/Pb37焊料。 为了钎焊金属封装外壳，需要在多层布线板表面的四周，形成与外壳相匹配、用于钎焊连接的导体图形。该导体图形与焊料间应有良好的浸润性，且与焊料的互扩散尽量小。一般是通过厚膜法，采用Cu浆料印刷。对于氧化铝陶瓷多层共烧基板来说，一般在W导体层上电镀Ni/Au层，以达到良好的浸润性。 金属外壳与多层布线板的热膨胀系数一般是不同的，因此对氧化铝布线板来说，最好选用可伐合金外壳。但可伐合金与焊料间的浸润性不好，通常金属外壳也需要电镀Ni/Au或Sn，以改善其浸润性。 钎焊封接时，将金属外壳扣在预钎焊的封接图形上，在大约240摄氏度下进行回流焊，此时外壳内的空气会膨胀，因此需要在金属外壳上制作空气向外逃逸用的小孔，而后，在氦气或氮气等非活性气氛中，用共晶焊料对小孔进行封接。 钎焊封接的金属外壳封装便于分解、重装，一般可保证在10次以上。因此，这种封接可用做通常气密性封装后半导体元件的初期不良品筛选。 钎焊封接中采用助焊剂，焊接过程中产生残渣，清洗助焊剂的三氯乙烷等有机清洗剂破坏臭氧层，不利于环保。 b.激光熔焊封接技术 激光熔焊适用于大型MCM及外形复杂的MCM，并能保证高可靠性。 其工艺过程如下：先在多层布线板的设定位置上，由Ag焊料固定作为熔焊金属基体的焊接环，将金属外壳扣在焊接环上，使两者处于紧密接触状态，用激光束照射密接部位，焊接环及与其密接部位的外壳金属同时熔化，经冷却完成气密封接。由于相同金属间便于熔焊，一般情况下焊接环与外壳都采用可伐合金。 激光熔焊封接法仅使焊接环与金属外壳间需要密封连接的部位瞬时达到高温再冷却。不像焊料封接那样，需要使多层布线板达到高温，因此，不必考虑金属外壳内部空气的膨胀问题，不需要在金属外壳上设置气孔。激光熔焊法可以在非活性气氛封接箱内完成气密性封接。 对熔焊封接外壳进行拆卸、重装是比较困难的，一般采取的是拆卸、重装焊接环的方式。因此，焊接环的高度一般保持在0.75mm以上，在每一次拆卸、重装过程中，焊接环需要研磨掉约100~200的高度，总共可进行2~3次返修、重装操作。 与钎焊封接法相比，激光熔焊法允许的拆卸、返修次数少，故在正式封装前，需要对半导体元件进行老化筛选，以去除初期不良的器件。 将无Pb的激光熔焊封接技术和无铅的芯片微互连技术相结合，就可以在完全不必采用Sn-Pb系焊料，实现封装的真正无无铅化。 随着集成电路工艺进入深亚微米时代，以金属代替金属铝作为晶圆上互连材料的迫切性越来越大。目前，在0.18微米工艺中，已有一些制造商采用了铜布线，而在0.13微米工艺中，以铜替代铝已是不争的事实。由于封装工艺的金属互连直接与晶圆上的金属互连相接触，并通过它们形成了器件与系统的点通路，因此，晶圆布线材料的变化，将对封装工艺产生深刻的影响。同时，由于芯片的特征尺寸越来越小，对引线键和工艺造成的压力也越来越大，因为要在如此细微的间距中进行引线键和，对于金属引信的尺寸要求和键和方法都是一种考验。因此，采用新的互连方法是唯一的选择。倒装（flip chip）焊或倒扣技术就是一个十分吸引人的选择。所谓的倒扣芯片封装技术，就是讲集成电路芯片的有源区面向基板的互联形式。所以，无论是引线键和还是凸缘键和，只要其芯片有源区面向基板，都称为倒扣芯片技术。从目前国际上对于倒扣芯片封装工艺的研究和应用情况来看，高互联密度、高性能器件的倒扣芯片封装技术，普遍采用以IBM C4技术为基本工艺，并加以一定的改进。这种技术的特点是可以达到相当高的互联密度，若同时采用陶瓷封装工艺的话，其器件的可靠性也很高，但它的价格亦十分昂贵，所以，它主要应用于航天航空工业及军事方面，以及一些对可靠性有特殊要求的场合。另一方面，在一些可靠性要求并不那么高，，芯片的输入/输出端