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1、 3.1 概述 3.2 3.2 芯片粘接芯片粘接 3.3 3.3 引线键合（引线键合（WBWB）技术）技术3.3.1 WB的分类与特点3.3.2 引线键合的主要材料3.3.3 Au-Al焊接的问题及其对策 3.4 载带自动焊（TAB）技术3.4.1 TAB技术的发展状况3.4.2 TAB技术的优点 3.4.3 TAB的分类3.4.4 TAB技术的关键材料和关键技术 3.4.5 TAB芯片凸点的设计制作要点 3.4.6 TAB载带的设计要点3.4.7 TAB载带的制作技术 3.4.8 TAB的焊接技术3.4.9 TAB的可靠性 3.4.10 凸点载带自动焊（BTAB）简介 3.4.11 TAB的
2、应用3.5 3.5 倒装焊（倒装焊（FCBFCB）技术）技术3.5.1 芯片凸点下多层金属化和凸点类别3.5.2 芯片凸点的制作工艺3.5.3 FCB互连基板的金属焊区制作3.5.4 凸点芯片的倒装焊接工艺 3.5.5 倒装焊接后的芯片下填充 3.5.6 C4技术与DCA技术的重要性 3.6 埋置芯片互连后布线技术 3.7 芯片互连方法的比较3.1 概述在微电子封装中，半导体器件的失效约有1/41/3是由芯片互连引起的，故芯片互连对器件长期使用的可靠性影响很大。在传统的WB中，互连引起的失效主要表现为引线过长，与裸芯片易搭接短路，烧毁芯片；压焊过重，引线过分变形，损伤引线，容易造成压焊处断裂；
3、压焊过轻，或芯片焊区表面太脏，导致虚焊，压焊点易于脱落；压焊点压偏，或因此键合强度大为减小，或造成压焊点间距过小而易于短路；此外，压点处留丝过长，引线过紧、过松等，均易引起器件过早失效。在TAB和FCB中也存在WB中的部分失效问题，同时也有它们自身的特殊问题，如由于芯片凸点的高度一致性差，群焊时凸点形变不一致，从面造成各焊点的键合强度有高有低；由于凸点过低，使集中于焊点周围的热应力过大，而易造成钝化层开裂；WB、TAB和FCB不单主要作为芯片基板间的电气互连形式，而且还作为一种微电子封装形式，常称为零级“封装”。从微电子封装今后的发展来看，将从有封装向少封装、无封装方向发展。而无封装就是通常的
4、裸芯片，若将这种无封装（未进行一级封装）的裸芯片用WB、TAB、FCB的芯片互连方式直接安装到PWB基板上，即称为板上芯片和板上TAB或板上FCB，这些统称为直接芯片安装（DCA）技术，它将在今后的微电子封装中发挥更重要的作用。零级封装强调的是芯片与各级封装之间电路的连通工艺（如芯片焊区与引脚、基板焊区或PWB焊区的连接，但不包含引脚与PWB的连接，后者属于二级封装），可以在不同的封装形式中存在，如DIP、PGA、QFP、BGA和DCA等等。零级封装与一级、二级和三级封装的共同作用使得芯片实现其可靠的功能。由于人们已经对WB有普遍的深入了解，本章只作简要的介绍；而对国际上正在开发、应用、发展的
5、TAB和FCB将详细论述。芯片焊区与封装引脚的键合一般使用WB技术；芯片焊区与基板焊区或PWB焊区之间的键合可以应用WB、TAB和FCB的方式。芯片焊区与引脚、基板焊区的连接属于一级封装的芯片互连，而与PWB焊区的连接属于二级封装的芯片互连。3.2 芯片粘接 芯片的焊接是指半导体芯片与载体形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。将IC芯片固定安装在基板上时，需要芯片和基板之间形成良好的欧欧姆接触姆接触。芯片与基板间良好的欧姆接触是保证功率器件正常工作的前提。欧姆接触不良会使器件热阻加大，散热不均匀，影响电流在器件中的分布，破坏
6、器件的热稳定性，甚至使器件烧毁。 欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导 体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区而不在接触面 。欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平 衡载流子浓度发生显著的改变。1. Au-Si合金共熔法芯片背面沉积Au层，基板或PWB上要有金属化层（一般为Au或Pd钯-Ag）。由于芯片背面有Si，而Au和Si在370有共熔点，这样，在芯片烧结（即焊接）时，根据烧结温度就能知道一定厚度的Au大约能够使Si溶解多深。Au-Si合金共熔法可在多个IC芯片装好后在H2保护下烧结，也可用超声熔焊法逐个芯片超声熔焊。2. Pb
7、-Sn合金片焊接法芯片背面为Au层或Ni层，基板为Au、Pd-Ag或Cu；保护气氛中烧结。3. 导电胶粘接法导电胶是含银且具有良好导热、导电性能的环氧树脂。这种方法不需要芯片背面和基板具有金属化层，芯片粘接后，在烘箱中进行导电胶的固化。4. 有机树脂基粘接法以上方法适合于晶体管或小尺寸的IC。大尺寸的IC，只要求芯片与基板粘接牢固。可以使用高分子材料的有机粘接剂。3.3 引线键合（WB）技术WB是将半导体芯片焊区（芯片I/O端）与微电子封装的I/O引线（封装引脚）或基板（或PWB）上的金属布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。焊区金属一般为Al或Au，金属丝多是数十微米至数百微米直径的Au丝、
8、Al丝或Si-Al丝。其焊接方式主要有热压焊、超声键合焊（超声压焊）和金丝球焊（超声热压焊）三种。WB(引线键合技术)示意图WB键合芯片3.3.1 WB的分类与特点1. 热压焊热压焊是利用加热和加压力，使金属丝（Au丝）与金属焊区（Al或Au）压焊在一起。其原理是通过加热和加压力，使焊区金属发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”的目的。热压键合的机理键合所施加的压力使金球发生很大的塑性变形，其表面上的滑移线使洁净面呈阶梯状，并在薄膜上也切出相应的凸凹槽，表面的氧化膜被破坏，洁净面之间相互接触，发生
9、扩散，产生了连接。热压焊的焊点一般为球形、楔形、针形和锥形等。焊接压力一般是0.5-1.5N/点。压焊时，芯片与焊头均要加热，焊头加热到150左右，芯片通常加热到200以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层。同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长，容易损害芯片，也容易在高温（200）下形成异质金属（Au-Al）间化合物“紫斑”和“白斑”，使压焊点接触电阻增大，影响器件的可靠性和使用寿命。热压焊时，金属丝因变形过大而受损，焊点键合拉力小（0.05N/点），因此热压焊使用越来越少。用高压电火花使金属丝端部熔成球形， 在IC 芯片上加热加压，使接触面产生塑性变形并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面
10、两金属之间的扩散结合而完成球焊（第一焊点）；然后，焊头通过复杂的三维移动到达集成电路底座外引线的内引出端，再加热加压完成楔焊（第二焊点），从而完成一根线的连接。第一焊点要使金属丝端部熔成球形，而第二焊点不必在金属丝端部熔成球形，是利用劈刀的特定形状施加压力以拉断金属丝。重复前面的过程，进行第二根、第三根金属丝的焊接。与与焊焊焊焊区区键键键键合合（第一（第一键键键键 合点）合点）后劈刀上升后劈刀上升加加热热热热 & &加加压压压压电电电电弧弧 成球成球夹紧夹紧夹紧夹紧金金丝丝丝丝，拉，拉断断形成楔形形成楔形焊焊焊焊点后点后劈劈 刀上升至一定高度刀上升至一定高度劈刀快速移至第二劈刀快速移至第二 键
11、键键键合点，形成弧形合点，形成弧形金金丝丝丝丝球球 劈刀下降，劈刀下降，锁锁锁锁定定焊焊焊焊球球加加热热热热&加加压压压压芯芯 片片 焊焊焊焊 区区内内引脚或引脚或 基板基板焊焊焊焊区区劈刀下降，劈刀下降，锁锁锁锁定定焊焊焊焊球球（劈刀未（劈刀未 夹紧夹紧夹紧夹紧金金丝丝丝丝，内径内径大于金大于金丝丝丝丝直直径径 ） 电电电电极极不同材料的形球工艺金丝形球的规范为15mA，30s；而在此参数下，即使有氩气保护，生成的铝球外观皱折，内部充满空洞。铝球的最佳规范为电流5A，时间0.38ms，Ar+H2保护。热压焊第一焊点的外观劈刀内径 芯片焊区第一键合点第二键合点2. 超声焊超声焊（超声键合），是
12、利用超声波发生器产生的能量，通过磁致伸缩换能器，在超高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，经变幅杆传给劈刀，使劈刀相应振动；同时，在劈刀上施加一定的压力。劈刀在两种力的作用下，带动Al丝在被焊焊区的金属化层（如Al膜）表面迅速摩擦，使Al丝和Al膜表面产生塑性形变。这种形变破坏了Al层界面的氧化层，使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子间的键合，从而形成牢固的焊接。原理：在常温下利用超声机械振动带动丝与膜进行磨擦，使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，通过磨擦产生的热量使金属之间发生扩散，实现连接。特点：1）可以适合细丝、粗丝以及金属扁带2）不必外部加热。对器件无热影响3）可以实现在玻璃陶瓷上
13、的连接4）适用于微小区域的连接键合过程中丝的变形特性在超声压接中，丝的变形表现为两个阶段.第一阶段主要发生丝与膜的磨擦过程；第二阶段，丝与膜已经发生了部分连接，主要发生的是劈刀与丝之间的滑动过程。超声键合与热压焊相比，能充分去除焊接界面的金属氧化层，可提高焊接质量，焊接强度高于热压焊（40mAl丝的焊接强度可达0.1N/点以上）。超声焊不需加热，可在常温下进行，因此对芯片性能无损害，并且可以根据不同的需要随时调节超声键合能量和条件，以适应不同尺寸的Al丝或Al带。 Al-Al超声键合不产生任何化合物，可以保证器件长期工作的可靠性。超声键合采用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于
14、键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。注：超声焊没有电火花加热过程，因此金属丝端部无法形成球形，即主要是楔形键合。第一键合点第二键合点3. 金丝球焊(超声热压焊)金丝球焊具有操作方便、焊点牢固（直径25m的Au丝焊接强度为0.07-0.09N/点），压点面积大且无方向性，可实现微机控制下的高速自动化焊接。金丝球焊机还可以带有超声功能，从而又具有超声焊的优点，因此也叫做热压超声焊或热声焊。球焊时，衬底需加热（金丝不需加热），压焊时加超声，因此加热温度远低于热压焊（100左右），所加压力一般为0.5N/点，与热压焊相同。由于是Au-Al接触热声焊，尽管加热温度低，仍有Au-Al中间化合物生成。球焊只适于
15、使用温度较低、功率较小的IC和中小功率晶体管的焊接。芯片第一键合点 第二键合点引线框架金丝球焊超声热压焊的优势结合了超声丝焊和热压焊两者的优点，比较超声热压焊和热压焊的拉伸结果，在达到规定的强度超声热压焊的时间和温度都比热压焊小得多，超声压接时，一般需要3微米以上的振幅和约1秒的时间，而超声热压焊只需要十分之一的振幅和二十分之一的时间。热压焊和热压超声焊（金丝球焊）的原理基本相同，区别在于热压键合采用加热加压；而热超声键合采用加热加压加超声。3种引线键合方式各有特点，也有各自适用的产品。但由于热超声键合可降低热压温度， 提高键合强度，有利于器件可靠性等优点，热超声键合已取代了热压键合和超声键合
16、，成为引线键合的主流键合方式。热压焊和金丝球焊的区别3.3.2 引线键合的主要材料热压焊和金丝球焊主要选用Au丝，超声焊主要用Al丝和Si-Al丝，或Cu-Si-Al丝等，且均需要经过退火处理。Au-Au和Al-Al同种金属间不会形成有害的金属间化合物。3.3.3 Au-Al焊接的问题及其对策焊区和IC布线的材料主要是Al，而焊接材料除了Al丝超声焊外，更多的是Au丝球焊和热压焊。Al丝超声焊不会产生金属间化合物（均是Al），而Au丝球焊和热压焊则会因为Au-Al接触而产生金属间化合物AuAl2（300，紫斑），引起焊接的失效。除紫斑外，还有可能生成Au2Al（白斑）等化合物。 为了减小Au-Al金属间化合物的产生，应避免高温下长时间压焊，器件的使用温度也应尽可能低一些。3.4 载带自动焊（TAB）技术TAB技术早在1965年就由美国通用电气（GE）公司研究发明出来，当时称为“微型封装”。1971年，法国Bull SA公司将它称为“载带自动焊”。这是一种有别
