集成电路封装工艺

集成电路封装工艺内容摘要：

QFP、 PQFP 及 PLCC，年封装测试最高可达 8 亿颗 IC，主要封装产品为逻辑 IC、模拟 IC 及内存等。 第五名是意法半导体（ ST Microelectronics）与深圳赛格高技术投资股份有限公司各出资 60%、 40%成立的深圳赛意法微电子，成立于1997 年，位于广东省深圳市，总投资金额为 亿美元，可以提供的封装方式为 TO2DPAK、 SOIC MiniDIP、 PDIP、 PPAK 及 BGA，年封装测试最高可达 20 亿颗 IC，主要封装产品为 EPROM、消费性 IC 及通信 IC。 第六名是成立于 1994 年的松下半导体，地点位于上海市，总投资进为 3 000 万美元，为日本松下、松下（中国）及上海仪电控股各出资 59%、 25%、 16%成立，可以提 供的封装方式为 LQFP、 SOIC、 TQFP 及 SDIC，年封装测试最高可达 1 亿颗 IC，主要封装产品为通用家电和汽车电子等微处理器。 第七名则是东芝半导体，为无锡华芝与华晶电子集团公司在 1994 年各出资 95%、 5%成立，但是， 2020 年东芝将其收购成为子公司，改名为现在的东芝半导体，可以提供的封装方式为 SDIP24/54/64/5 QFP48，主要封装产品为消费性 IC。 第八名为甘肃永红， 2020 年改名为天水华天微电子，为甘肃省国有企业，位于甘肃省天水市，可以提供的封装方式为 DIP8L～ 42L、 SOP8L～ 28L、 SIP8L～ 9L、 SSOP16L～28L、 SDIP24L～ 28L、 HSOP28L、 TSOP44L～ 54L、 QFP44L 及 LQFP64L，年封装测试最高可达 10 亿颗 IC，主要封装产品为消费性 IC。 第九名是上海纪元微科微电子（原名为阿法泰克），是中国国内第一家合资封测厂，成立于 1995 年，总投资金额为 7 500 万美元，是泰国阿法泰克公司、上海仪电控股及美国微芯片公司各出资 51%、 45%、 4%成立，可以提供的封装方式为 PDIP/2 SOIC8/18/2 TSOP MSOP SOT2 TO2PLC28/4 TSOP6 及 QFN32，年封装测试最高可达 4 亿颗 IC 主要封装产品为消费性 IC。 第十名是成立于 2020 年的华润华晶微电子，位于江苏省无锡市，总投资金额为 3 700万美元，可以提供的封装方式为 SDIP、 SKDIP、 SIP、 ZIP、 FSIP、 FDIP、 QFP、 SOP及 PLCC，其中双极电路生产线年产 25 万片，分立器件生产线年产 60 万片。 成都信息工程学院 光电学院毕业论文设计设计 10 第二章 微电子 芯片 封装 工艺流程简介 2． 1 封装的概念： 所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电 热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁 ——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。 因此，封装对 CPU 和其他 LSI 集成电路都起着重要的作用。 新一代 CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从 DIP、 QFP、 PGA、 BGA 到 CSP 再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于 1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。 2． 2 芯片封装的分类： 近年来集成电路的封装工程发展极为迅速，封装的种类繁多，结构多样，发展变化大，需要对其进行分类研究。 从不同的角度出发，其分类方法大致有以下几种： 按芯片的装载方式； 按芯片的基板类型； 按芯片的封接或封装方式； 按芯片的外型结构； 按芯片的封装材料等。 按芯片的装载方式分类，裸芯片在装载时，它的有电极的一面可以朝上也可以朝下，因此，芯片就有正装片和倒装片之分，布线面朝上为正装片，反之为倒装片。 另外，裸芯片在装载时，它们的电气连接方式亦有所不同，有的采用有引线键合方式， 有的则采用无引线键合方式。 按芯片的基板类型分类，基板的作用是搭载和固定裸芯片，同时兼有绝缘、导热、隔离及保护作用。 它是芯片内外电路连接的桥梁。 从材料上看，基板有有机和无机之分，从结构上看，基板有单层的、双层的、多层的和复合的。 按芯片的封接或封装方式分类，裸芯片裸芯片及其电极和引线的封装或封接方式可以分为两类，即气密性封装和树脂封装，而气密性封装中，根据封装材料的不同又可分为：金属封装、陶瓷封装和玻璃封装三种类型。 按芯片的外型、结构分类按芯片的外型、结构分大致有： DIP、 SIP、 ZIP、 SDIP、SKDIP、 PGA、 SOP、 MSP、 QFP、 SVP、 LCCC、 PLCC、 SOJ、 BGA、 CSP、 TCP等，成都信息工程学院 光电学院毕业论文设计设计 11 其中前 6种属引脚插入型，随后的 9种为表面贴装型，最后一种是 TAB型。 DIP：双列直插式封装。 顾名思义，该类型的引脚在芯片两侧排列，是插入式封装中最常见的一种，引脚节距为 mm，电气性能优良，又有利于散热，可制成大功率器件。 SIP：单列直插式封装。 该类型的引脚在芯片单侧排列，引脚节距等特征与 DIP基本相同。 ZIP： Z型引脚直插式封装。 该类型的引脚也在芯片单侧排列，只是引脚比 SIP粗短些，节距等特征也与 DIP基本相同。 SDIP：收缩双列直插式封装。 该类型的引脚在芯片两侧排列，引脚节距为 mm，芯片集成度高于 DIP。 SKDIP：窄型双列直插式封装。 除了芯片的宽度是 DIP的 1/2以外，其它特征与 DIP相同。 PGA：针栅阵列插入式封装。 封装底面垂直阵列布置引脚插脚，如同针栅。 插脚节距为 mm或 ，插脚数可多达数百脚。 用于高速的且大规模和超大规模集成电路。 SOP：小外型封装。 表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，字母 L状。 引脚节距为。 MSP：微方型封装。 表面贴装型封装的一种，又叫 QFI等，引脚端子从封装的四个侧面引出，呈 I字形向下方延伸，没有向外突出的部分，实装占用面积小，引脚节距为。 QFP：四方扁平封装。 表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，呈 L字形，引脚节距为 、 、 、 、 、 ，引脚可达 300脚以上。 SVP：表面安装型垂直封装。 表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的一个侧面引出，引脚在中间部位弯成直角，弯曲引脚的端部与 PCB键合，为垂直安装的封装。 实装 占有面积很小。 引脚节距为 、。 LCCC：无引线陶瓷封装载体。 在陶瓷基板的四个侧面都设有电极焊盘而无引脚的表面贴装型封装。 用于高速、高频集成电路封装。 PLCC：无引线塑料封装载体。 一种塑料封装的 LCC。 也用于高速、高频集成电路封装 SOJ：小外形 J引脚封装。 表面贴装型封装的一种，引脚端子从封装的两个侧面引出，呈 J字形，引脚节距为。 BGA：球栅阵列封装。 表面贴装型封装的一种，在 PCB的背面布置二维阵列的球形端子，而不采用针脚引脚。 焊球的节距通常为 、 、 ，与 PGA相比，不会出现针脚变形问题。 CSP：芯片级封装。 一种超小型表面贴装型封装，其引脚也是球形端子，节距为 、 、。 TCP：带载封装。 在形成布线的绝缘带上搭载裸芯片，并与布线相连接的封装。 与其他表面贴装型封装相比，芯片更薄，引脚节距更小，达 ，而引脚数可达 500针以上。 按芯片的封装材料分类 BR按芯片的封装材料分有金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷封装、塑料封装。 金属封装：金属材料可以冲、压，因此有封装精度高，尺寸严格，便于大量生产，价格低廉等优点。 陶瓷封装： 陶瓷材料的电气性能优良，适用于高密度封装。 金属 陶瓷封装：兼有金属封装和陶瓷封装的优点。 塑料封装：塑料的可塑性强，成本低廉，工艺简单，适合大批量生产。 通常芯片封装（ Assembly）和芯片制造（ IC Fabrication）并不是在同一工厂内完成的。 它们可能在同一个工厂的不同生产区域，或在不同的地区，它们甚至在不同的国家。 成都信息工程学院 光电学院毕业论文设计设计 12 因此，许多公司将芯片运送到几千公里以外的地方去做封装。 芯片通常在硅片工艺线上进行片上测试，并将有缺陷的芯片打上了记号，通常是打上一个黑色墨点，这样是为后面的封装过程做好准备，在进行芯片 贴装时自动拾片机可以自动分辨出合格的芯片和不合格的芯片。 封装流程一般可以分成两个部分：用塑料封装（固封）之前的工艺步骤称为前段操作（ Front End Operation），在成型之后的工艺步骤称为后段操作（ Back End Operation）。 在前段工序中，净化级别控制在 1 000 级。 在有些生产企业中，成型工序也在净化的环境下进行。 但是，由于转移成型操作中机械水压机和预成型品中的粉尘，使得很难使净化环境达到 1 000 级以上的水平。 一般来说，随着硅芯片越来越复杂和日益趋向微型化，将使得更多的装配和成型工 艺在粉尘得到控制的环境下进行。 现在大部分使用的封装材料都是高分子聚合物，即所谓的塑料封装。 塑料封装的成型技术也有许多种，包括转移成型技术（ Transfer Molding）、喷射成型技术（ Inject Molding）、预成型技术（ PreMolding），其中转移成型技术使用最为普遍。 本章将重点介绍塑料封装的转移成型工艺。 转移成型技术的典型工艺过程如下：将已贴装好芯片并完成芯片互连的框架带置于模具中，将塑料材料预加热（ 90～ 95℃ ），然后放进转移成型机的转移罐中。 在转移成型活塞压力之下，塑封料被挤压到 浇道中，并经过浇口注入模腔（ 170～ 175℃ ）。 塑封料在模具快速固化，经过一段时间的保压，使得模块达到一定的硬度，然后用顶杆顶出模块并放入固化炉进一步固化。 芯片生产工艺流程 归纳起来芯片封装技术的基本工艺流程为：硅片减薄、硅片切割、芯片贴装、芯片互连、成型技术、去飞边毛刺、切筋成形、上焊锡、打码等工序，如图 所示。 图 芯片封装技术工艺流程 芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序（ Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（ Wafer Probe）、构装工序（ Packaging）、测试工序（ Initial Test and Final Test）等几个步骤。 其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（ Front End）工序，而构装工序、测试工序为后成都信息工程学院 光电学院毕业论文设计设计 13 段（ Back End）工序。 晶圆处理工序：本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。 晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。 在用针测（ Probe）仪对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒，再按其电气特性分类，装入不同的托盘中，不合格的晶粒则舍弃。 构装工序：就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作为与外界电路板连接 之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死。 其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。 到此才算制成了一块集成电路芯片（即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。 测试工序：芯片制造的最后一道工序为测试，其又可分为一般测试和特殊测试，前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。 经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。 而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能 满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。 经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。 而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。 封装的可靠性： 在芯片完成整个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量和可靠性两方面的检测。 质量检测主要检测封装后芯片的可用性，封装后的质量和性能情况，而可靠性则是对封装的可靠性相关参数的测试。 首先，必须理解什么叫做 “可靠性 ”，产品的可靠性即产品可靠度的性能，具体表现在产品使用时是否容易出故障，产品使用寿命是否 合理等。 如果说 “品质 ”是检测产品 “现在 ”的质量的话，那么 “可靠性 ”就是检测产品 “未来 ”的质量。 成都信息工程学院 光电学院。