电子封装工艺设备讲解

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1、陈仁章 机电工程学院 桂林电子科技大学 封装工艺与设备的关系 电子产品封装概述 半导体封装技术 半导体封装技术发展的5个阶段： 封装技术 将一个或多个芯片有 效和可靠地封装互连 起来，以达到： 1，提供给芯片电流 通路； 2，引入或引出芯片 上的信号； 3，导出芯片工作时 产生的热量； 4，保护和支撑芯片 ，防止恶劣环境对它 的影响。 IC发展的历程及其封装形式 膜IC （无源） 厚膜IC 薄膜IC 有源半 导体IC IC 双 极 型 MOS型 小规模IC （SSI） 中规模IC （MSI） 大规模IC （LSI） 超大规模 IC（VLSI ） 特大规模 IC（ULSI ） 混合IC （HLC

2、 ） 先进HIS QFP BGA CSP FC MCM/ MCP 3D 系统封装（Sip/Sop) 微机电系统（ MEMS/MOEMS） 系统级芯片 （SoC) 封装工艺与设备 先进的封装设备和制造 工艺是密不可分的，没 有设备的工艺无疑是之 上谈兵，没有工艺的设 备则必然是无源之水。 设备与工艺要紧密结合 在一起。 工艺设备 促进 决定 先进封装技术 晶圆处理工艺设备 晶圆测试工艺设备 晶圆测试技术： 晶圆上芯片的探针测试，确定其功能与性能；是制造工艺中降低成本 的一种手段。 前道制芯工艺 探针测试台 晶圆背面磨 削减薄 晶圆探针测试台 即探针台，用来测 试晶圆上每个芯片 电路特性的。 通过

3、探针卡实现芯 片上每个焊区与测 试仪的稳定连接， 由测试仪判定芯片 的好坏。 主要完成： 1，电气测试 2，参数测试 探针测试台的分类 主要包括： 1，X-Y向工作台 2，可编程承片台 3，探针卡/探针卡支架 4，打点器、探边器 5，操作手柄 6，与测试仪相连的通信接口 用于各种半导体器件芯片的电能参数测试，用 手动控制进行器件特性分析和工艺验证分析。 在人工完成第一个芯片对准后，按程序实现 晶圆上所有芯片测试功能的测试设备。 CJ-5型双电测四探针测试仪 晶圆减薄工艺设备 主要方式： 磨削、研磨、化学机械抛光（CMP）、干式抛光（dry polishing）、电化学腐蚀 （electroch

4、emical etching）、湿法腐蚀（wet etching）、等离子辅助化学腐蚀 （PACE）、常压等离子腐蚀（ADPE） 旋转工作台磨削 （surface grinding on a rotary table） D100mm，工作台4旋转做圆周 进给运动。 晶圆自旋转磨削 （wafer rotating grinding ） 晶圆和磨轮绕各自的 轴回旋，磨轮垂直向 下进行纵向切入磨削 。 磨轮进给系统向下运 动的速度越小，对未 加工材料破坏越小。 纵向切入：将旋转的 研削磨轮自上而下地 切入自旋的被加工物 ，并研削加工至规定 厚度尺寸的研削方法 。 晶圆减薄机关键零部件 承片台 分度工

5、作台 空气静压电主轴 磨轮进给系统 折臂机械手 研磨应力去除技术 化学机械式抛光（CMP ） 湿式化学腐蚀(wet etching) 干式腐蚀(dry etching) 干式抛光(dry polishing) 目的： 去除研磨后的变质层， 使芯片的强度得到提高 。 晶圆划片工艺设备 划切刃具支撑（金刚刀支架、主轴或激光器）、Z向划切深度控制、Y向分度 定位、X向划切进给以及向平行调整。具备四维基本运动。 砂轮划片机 X轴：带动被划材料快速 进入开槽划片运动。 Y轴：带动空气空气主轴 准确送进所需划切槽距。 Z轴：主轴升降，实现所 需的开槽和划片深度。 轴：实现所需划切角度 。 干式激光划片机

6、砂轮式划片具固有的划切道宽度问题，激光划片机大大减小其宽度。 微水导激光划片机 主要优势：消除热影响区。 微水导激光基本原理 传统激光总会有能量残 留在划切道上，该能量的累 积和传导是造成热损伤的主 要原因。 而微水导激光因水柱的 作用，将每个脉冲残留的热 量迅速带走，不会积累在工 件上。 芯片互连工艺设备 芯片键合技术 将芯片安装固定在封装基板或外壳上，常用的键合材料包括导电环氧树脂、金 属焊料等。分共晶键合和黏合剂键合两种方式。 共晶键合：涂敷共晶键合材料，加热、加压，并 驱动芯片往复摩擦。 黏合剂键合：涂布黏合剂，然后放置芯片，在烘 箱中加热固化，形成键合界面。 芯片键合设备 主要组成部

7、分： 承片台：承载着芯片的蓝膜框架，驱动其在XY两个方向运动以便取芯 。 点胶系统：涂覆黏合剂，分点蘸式和喷涂式。 键合头：完成芯片的拾取和放置，分摆臂式和直线式。 视觉系统：由光路、照明和摄像头组成。用于芯片自动定位。 物料传输系统：负责料条（引线框架或PCB基板）的自动操作。 上/下机箱及基座：固定支撑设备以及容纳电系控制系统和其他附 件。 芯片键合机 芯片键合机的关键技术 是：整机运动控制、点 浆、芯片拾取机构以及 图像识别系统。 芯片键合设备的关键在 于高速、精确、可靠地 拾取和放置芯片。键合 头运动的精度和速度是 保证设备精度、可靠性 、一致性和效率的关键 。 引线键合技术 互连工艺

8、确立芯片和外部的电气连接。半导体内部的互连方式分为引线连接和 非引线连接两种。 引线连接即引线键合（wire bonding） 非引线连接分为载带自动键合（TAB）与倒装芯片（FC）两种。 WB TAB FC 引线键合设备 主要组成部分： XY工作台：提供形成复杂线弧形状所需的键合面内的高速精度运动。 键合头：提供键合过程中垂直于键合面的运动，同时承载超声波换能器 、 线夹、电子打火杆等小构件。 视觉系统：由光路、照明和摄像头组成。用于芯片自动定位和焊后检查 。 物料传输系统：负责料条（引线框架或PCB基板）的自动操作。 上/下机箱及基座：固定支撑设备以及容纳电系控制系统和其他附件 。 引线键

9、合机 引线键合主要工艺参数 ： （1）键合温度：指外部提供的温 度。常安装传感器监控瞬态温度。 （2）键合时间：键合时间长，引 线球吸收能量多，键合点直径大， 界面强度大，但键合点过大会超出 焊盘边界导致空洞生成。 （3）超声功率：对键合球的变形 起主导作用。超声波的水平振动是 导致焊盘破裂的最大原因。 （4）键合压力：增大超声功率通 常需要增大键合压力，但压力过大 会阻碍键合工具的运动。 （5）线弧控制：IC封装尺寸减小 以及I/O引脚增加，线弧间距越来 越近。 载带自动焊技术 载带自动焊（TAB）是一种将IC芯片安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的 IC组装技术。载带内引线键合到IC芯片上

10、，外引线键合到常规封装或PWB上 。 焊接过程： 对位 焊接 抬起 芯片传送 （1）供片（2）冲压焊接 （3）回应 载带自动键合工艺设备 主要组成部分： 承片台：承载、固定芯片并移动芯片与其上方的载带引脚进行对准。 热压头：把对准的芯片焊区和载带引脚压合在一起，加热加压键合。 视觉系统：由光路、照明、摄像头、图像采集卡和视觉算法组成。 物料传输系统：负责TAB工艺中柔性载带的自动操作。 TAB设备是一次性完成芯片上所有焊区连接和芯片机械固定的并行芯 片互连设备，具有较高生产效率。 主要设备： 热压焊机：加热加压使被焊接金属产生足够的塑性变形，形成原子间结合 。 （热压）回流焊机：熔化软钎焊料，

11、实现焊端与焊盘的机械电气连接。 芯片封装工艺设备 芯片封装工艺 气密封装工艺 塑料封装工艺 金属封装 陶瓷封装 气密封装工艺 大多能防止液体及气体渗透。 金属封装：尺寸严格、精度高、金属零件便于大量生产、价格低、性能优良 陶瓷封装：提供IC芯片气密性的密封保护，具有优良的可靠度。 气密封装设备 主要有平行焊缝机和激光熔焊机 平行焊缝机 平行焊缝机工作原理 平行焊缝机属于电 阻熔焊，通过电流 在接触电阻处产生 焦耳热量，形成局 部熔融状态，凝固 后形成一个焊点。 激光熔焊机 直接将高强度的 激光束辐射至金 属表面，通过激 光与金属的相互 作用，金属吸收 激光转化为热能 使金属熔化后冷 却结晶形成

12、焊接 。 塑料封装工艺设备 塑料封装类型 通孔插装式安装芯片 双列直插式封装（PDIP）、单列直插式封装（SIP）、针栅阵列封装（PPGA ） 表面贴装 小外形封装（SOP）、引线片式载体（PLCC）、四边引线扁平封装（PQFP） 塑封设备 模塑技术的工艺设备包括： 排片机：对线框进行塑封前的自动排片以及预热处理，实现工序自动化 。 预热机：对塑封料的预热、产品的预热。 传递模压机：通过加压，将热固性材料引入闭合模腔内制造塑封元件 。 铸模设备：将所需的原料分别置于两组容器中搅拌，再输入铸孔中使 其 发生聚合反应完成塑封。 去溢料机：清除塑料封装中塑封树脂溢出、贴带毛边、引线毛刺。 先进封装工

13、艺设备 球栅阵列（BGA）封装工艺 是按二维（平面）排列的焊料球与印刷线路板连接后的集成电路外部封装形式 。 典型BGA封装结构 倒装芯片键合工艺设备 芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连。 优点： 1，克服了引线键合焊区中 心极限问题。 2，在芯片的I/O分布更便 利。 3，为高频率、大功率器件 提供更完善的信号 倒装芯片键合技术 倒装芯片焊接的工序为： 上基板 吸取芯片 芯片 翻转 浸蘸助焊剂 倒贴芯片 回流焊 基板预热 底部填充胶 涂布 基板二次加热 底部填充胶固化 成品 系统 倒装芯片工艺流程图 主要过程： UBM制作 凸点生成 倒装键合 底部填充 倒装 芯片键合设备 关键部件 视觉检

14、测系统：为整机的机械 运动提供位置参数，控制机械机构运动。 三维工作台：接收视觉系统输 出，完成芯片和基板的定位和对中。 精密键合头：具有真空吸附功 能，芯片定位后加压以及超声波键合。 多自由度机密对准系统： 用于对准，确保贴装精度及速度。 超声换能系统：提供超声能并 转换成超声振动能。 倒装键合机运动机构组成 晶圆级CSP封装（WLCSP）工艺设备 形成封装体的各工艺步骤均在未分切的完整晶圆上完成的封装形式。 WLCSP的特性优点 原芯片尺寸最小封装方式； 数据传输路径短、稳定性高； 散热特性佳； 晶圆级封装设备 重布线/UBM制作：投影光刻机、 接近光刻机、刻蚀机、溅射台、CVD 凸点生成

15、：上述设备以及电镀设备、 丝网印刷机、金丝球焊机、回流炉。 测试、打印、包装：测试/打标/分选机 WLCSP封装原理图 系统级封装（SiP）工艺设备 在单一标准封装体内集成各种器件实现多种功能，将数种功能合并入单一模组 中，达到系统级多功能的封装形式。 系统集成的主要技术路线： 系统级芯片集成技术（SoP, system-on-chip）; 多芯片封装技术(MCM, multi chip module); 系统级封装技术(Sip, system-in-package)。 SiP横截面示意图。 其主要设备与晶圆 级设备接近或相同 。 三维芯片集成工艺设备 三维立体封装（3D）是在垂直于芯片表面的方向上堆叠，互连两片以上裸片封装 。 典型的3D封装结构 叠成型3D封装方法 三维封装技术 芯片堆叠互连 硅通孔（TSV） 3D 互连技术 叠层多芯片模块 3D封装 叠成封装（POP ） POP工艺流程 厚、薄膜电路封装工艺设备 厚膜电路封装工艺 厚膜图形形成：多层厚膜印刷法；多层生片共烧法。 厚膜金属化：在陶瓷基板上烧结形成钎焊金属层、电路及引线接点 。 陶瓷基板：氧化铝陶瓷基板，较好的传导性、机械强度和耐高温性。 浆料：导体、电阻和绝缘浆料。 丝网网版制作：直接制版法；间接制版法。 厚膜丝网印刷：利用丝网印刷工艺。 厚膜电路组