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1、电子制造技术电子封装与光电子封装吴丰顺吴丰顺一、课程简介随着机械和电子学科结合得越来越紧密，使得对电子制造技术的认识变得日益重要。本课程主要针对材料、电子、机械等专业的研究生与本科生，内容包括： 微电子制造和微系统封装的现状和发展趋势； 半导体工艺介绍； 微电子封装的主要形式、工艺及主要性能指标； 电子组装技术； 微电子和微系统封装的可靠性分析、测试方法； 光电子封装等。通过该课程的学习，学生对微电子制造的过程有所了解，对各自学科专业如何和电子制造相结合有所认识。 教材：“Fundamentals of Microsystems Packaging”, Rao R. Tunmmala, McG
2、RAE-HILL, 2001.（中文翻译版已由东南大学出版社出版）参考资料：“The Electronic Packaging Handbook”, Ed. Blackwell, CRC Press LLC, 2000.“电子封装工程”，田民波 编著，清华大学出版社，2003.“现代微电子封装技术”。 （部分有电子版，待发放）（有电子版，待发放）“电子制造技术基础”，吴懿平主编，机械工业出版社，2005出版教师联系方法：吴丰顺：武汉光电国家实验室B104室电话：027 87792402课程安排：1.课程教学内容简介，电子制造与电子封装2.半导体工艺技术3.晶片级封装4.电子组装技术5.光电子封
3、装6.电子制造中的可靠性分析及测试几点建议：1、本课程涉及大量的新名词，很多是英文缩写。注意这些名词与概念的对应！2、本课程目的是初步了解电子产品制造的全过程。其中涉及机械、电子、材料、信息、化学、物理化学等多个学科领域。 3、目前电子制造技术本身发展很快，其他书籍或网络上能获取大量相关信息。 二、微电子制造的现状 电子工业已经成为世界上最大的工业； 是一个国家繁荣的核心工业； 决定电子工业增长速度的关键： 半导体、半导体封装、显示器、存贮器、软件、系统。 从不惜代价的研发转向面大量广的消费类应用的研发。微电子技术改变着我们的生活微电子技术改变着我们的生活： 烟盒大小的MD、MP3播放机、数字
4、录音笔、掌上型电脑、具有通讯功能的电子手表、护照般大小的数字摄像机、超小型移动电话等，正在走进我们的生活，甚至成为人们的日常用品。 新一代个人移动电子装置更将无线通讯、高密度彩显与电脑集为一体。MD(Mini Disc) playerPDA(Personal Digital Assistant)Wrist cameraMobile phoneAutomobile吴丰顺 博士武汉光电国家实验室光电材料与微纳制造部华中科技大学材料学院(www.smt-)电子制造与电子封装电子制造与电子封装q制造、电子制造、电子封装q电子封装的发展q电子封装工艺技术q倒装芯片技术q导电胶技术提纲提纲制造：制造： M
5、anufacture制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。和工作的总称。（广义的定义，（广义的定义，国际生产工程学会）国际生产工程学会） 从原材料或半成品经过加工和装配后形成最从原材料或半成品经过加工和装配后形成最终产品的过程，即产品的加工工艺过程。终产品的过程，即产品的加工工艺过程。（狭狭义的定义义的定义） 一、制造、电子制造、电子封装一、制造、电子制造、电子封装nLongman词典对“制造
6、”(Manufacture)的解释为“通过机器进行(产品)制作或生产，特别是适用于大规模、大批量的方式运作”（狭义）n制造涉及的领域远非局限于机械制造，包括了机械、电子、化工、轻工、食品和军工等行业n制造不是仅指具体的工艺过程，而是包括市场分析、产品设计、生产工艺过程、装配检验和销售服务等在内的产品整个生命周期过程 n广义的制造技术涉及生产活动的各个方面和全过程，是从产品概念到最终产品的集成活动和系统n狭义理解的制造技术主要涉及产品的加工和装配工艺及过程n机械制造：狭义的机械制造被理解为经加工和装配形成机械产品的过程，包括毛胚制作、零件加工、检验、装配等，其重点是机械加工和装配工艺。广义的机械
7、制造应该包括机械产品从市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输直至售后服务的全过程。电子制造（electronic manufacture）电子产品硬件的物理实现过程（从硅片到电子产品）电子产品硬件的物理实现过程（从硅片到电子产品）半导体半导体工艺工艺 引线键合引线键合TAB倒装芯片倒装芯片通孔安装通孔安装表面安装表面安装接插、导接插、导线连接等线连接等元器件元器件单晶硅片单晶硅片 晶片晶片产品系统产品系统板卡板卡椭圆部分又称为电子封装（椭圆部分又称为电子封装（electronic Packaging）晶片的制造则称为半导体制造（晶片的制造则称为半导体制造（semicondu
8、ctor manufacture） p广义的电子制造也包括电子产品从市场分析、经广义的电子制造也包括电子产品从市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输直至售后服务的全过程。运输直至售后服务的全过程。p狭义的电子制造则是指电子产品从硅片开始到产狭义的电子制造则是指电子产品从硅片开始到产品系统的物理实现过程。品系统的物理实现过程。电子封装n从电路设计的完成开始，将裸芯片（chip）、陶瓷、金属、有机物等物质制造（封装）成芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程半导体制造n利用微细加工技术将各单元器件按一定的规律制作在一块微小
9、的半导体片上进而形成半导体芯片的过程，也称为集成电路制造。 半导体制造的前工程和后工程n二者以硅圆片（wafer）切分成晶片（chip）为界，在此之前为前工程，在此之后为后工程。n所谓前工程是从整块硅圆片人手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。n所谓后工程是从由硅圆片切分好的一个一个的小晶片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、检查、打标等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。 电子设计、电子制造（半导体制造与电子电子设计、电子制
10、造（半导体制造与电子封装）等构成三个相对独立的电子产业。封装）等构成三个相对独立的电子产业。电子封装涉及的范围广、带动的基础产业电子封装涉及的范围广、带动的基础产业多、与之相关的基础材料和工艺装备更是多、与之相关的基础材料和工艺装备更是“硬中之硬硬中之硬”，亟待迅速发展。，亟待迅速发展。电子产品分类：消费类电子产品计算机和通信电子产品军用电子产品 卫星电子产品 电子产品的总成结构母板母板3级封装2级封装板卡板卡1级元器件元器件/模块模块0级芯片芯片封装的级别提供如下主要作用：信号互连功率分配机械支撑和保护散热处理/存储信息（功用）保证一定服役条件下的 质量、服务性、可靠性 成本以及对功用的影响
11、容限。耳机与视觉MD、MP3、MP4手腕电子产品手提电脑移动电话、掌上电脑身份识别医疗电子二、电子封装的发展 小型化小型化 超轻超轻 高性能高性能 多功能多功能 高集成高集成 低能耗低能耗 低成本低成本 年1970s1980s1990s2000-2010小尺寸SOPSOJS-SOPTSOPPLCCQFPDIP/PGABGACSPMCMTQFPTAB电子封装器件发展趋势电子封装器件发展趋势多引脚轻重量、小尺寸高密度封装的电子产品日益普及，已经成为人们的必需高密度封装的电子产品日益普及，已经成为人们的必需电子产品的功能越来越多、性能越来越强、体积越来越电子产品的功能越来越多、性能越来越强、体积越来
12、越小、重量越来越轻小、重量越来越轻电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向迅猛电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向迅猛发展发展绿色制造成为优先考虑的因素绿色制造成为优先考虑的因素高密度封装从出现到成为主流只花了不到高密度封装从出现到成为主流只花了不到5 5年的时间，年的时间，发展之迅速，所料不及，给我们带来了非常好的发展机发展之迅速，所料不及，给我们带来了非常好的发展机会会值得注意的动向n在美国，落后于半导体芯片技术的封装技术正在奋起直追，研发先进的封装工艺与装备，再次占领电子工业的新的制高点；n在欧洲，更加注重电子封装和电子设计，将电子封装视为成败的关键；n在日本，已经形成了国家
13、、企业和研究机构的联合舰队，大力发展电子封装技术和装备，成为电子封装装备的输出国n在韩国，举全国之力研发新一代封装技术和装备，并跻身成为封装设备的输出国互连的结构和工艺技术发展ICDIP/PGAPWB（a a）60706070s s，是是DIPDIP与与插插装装的的时时代代（b b）8080s s，是是QFPQFP和和SMTSMT的时代的时代ICQFPPWB引线键合技术通孔焊接技术引线键合、TAB技术表面安装技术ICBGAPWB（c）90年年代代是是BGA和和MCM的时代的时代表面安装技术倒装芯片技术（d）2121世纪的封装集成世纪的封装集成 ( (乔治亚理工大学提出乔治亚理工大学提出) )
14、电磁干扰（电磁干扰（EMI）低成本低成本高密度互连（高密度互连（HDI）高速高速多应用多应用小型化小型化热可靠热可靠柔性化柔性化下一代电子产品的要求引线键合引线键合载带自动焊载带自动焊倒装芯片倒装芯片通孔安装通孔安装表面安装表面安装连接器和接插连接器和接插一级封装一级封装二级封装二级封装三级封装三级封装其它技术其它技术封装级别分类封装级别分类三、电子封装工艺技术三、电子封装工艺技术三、先进电子制造系统概述电子产品硬件的物理实现过程（从硅片到电子产品）电子产品硬件的物理实现过程（从硅片到电子产品）半导体半导体工艺工艺 引线键合引线键合TABTAB倒装芯片倒装芯片通孔安装通孔安装表面安装表面安装接
15、插、导接插、导线连接等线连接等元器件元器件单晶硅片单晶硅片 晶片晶片产品系统产品系统板卡板卡前道工序后道工序电子封装电子组装广义的电子封装（1）前道工序 （Lecture 2） 这一部分介绍如何从硅原材料制作成带有不同功能的晶片（Chip）的过程。它包括的半导体工艺有： 晶圆（Wafer）制作； 氧化（Oxidation）； 化学气象淀积（Chemical Vapor Deposition）； 光刻（Lithography）； 掩模（Mask）制作 离子注入 （Ion Implanting）； 扩散 (Diffusion)； 溅射（Spluttering）； 等 （2）后道工序、电子组装 晶圆
16、流片后，随后的划片、贴片、封装等工序被称为后道工序。其中，电子封装（Electronic Packaging）是其核心。 电子封装是伴随着电路、器件和元件的产生而产生的，并且随其发展而发展，最终发展成当今的封装行业。电子封装的四个功能：电子封装的四个功能： 为半导体芯片提供机械支撑和环境保护； 接通半导体芯片的电流通路； 提供信号的输入和输出通路； 提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。 电子封装直接影响着电子封装直接影响着: 电子产品的电、热、光和机械性能 电子产品的可靠性和成本 电子产品与系统的小型化。要求电子封装应具有要求电子封装应具有: 优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能 高的可靠
17、性和低的成本无论在军用电子元器件中，或是民用消费类电路中，电子封装具有举足轻重的地位，概括起来就是基础地位、先行地位、制约地位基础地位、先行地位、制约地位q 一级封装一级封装 芯片（单芯片或芯片（单芯片或多芯片）上的多芯片）上的I IO O与基板互连；与基板互连；q 零级封装零级封装 晶片层次上晶片层次上的互连；的互连；q 二级封装二级封装 集成块（封装集成块（封装体）连入体）连入PCBPCB或板卡（或板卡（CardCard）上；上；q 三级封装三级封装 电路板或卡电路板或卡板连入整机母板上。板连入整机母板上。封装和组装一般可分封装和组装一般可分为四个层次为四个层次，即，即母板母板3 3级封装
18、级封装2 2级封装级封装板卡板卡1 1级级元器件元器件/ /模块模块0 0级级晶片晶片封装的级别封装的级别零 级 和 一 级 封 装 称 为 电 子 封 装 （ Electronic Packaging）（技术）；把二级和三级封装称为电子组装（Electronic Assembly）（技术）。封装技术的应用封装技术的应用晶片级封装晶片级封装Wire Bonding (WR)Flip Chip (FC)Tape Automated Bonding (TAB)（主导地位）引线键合载带自动焊倒装芯片球形键合楔形键合芯片焊盘芯片焊盘WB封装实例封装实例小外形封装（SOP，Small Out Packa
19、ge）引脚树脂封模晶片金线引线键合TAB封装实例封装实例载带晶片FC封装实例凸点封装实例凸点金钉头凸点金（Au）凸点镍（Ni）凸点铟（In）凸点共晶焊料凸点FC封装示意图封装示意图芯片凸点底部填充芯片基板球栅阵列完成1级封装过程完成2级封装过程电子封装发展简史：电子封装发展简史： 1947年世界发明第一只半导体晶体管，同时也就开始了电子封装的历史。 50年代以三根引线的TO型外壳为主，工艺主要是金属玻璃封接工艺。与此同时发明了生瓷流延工艺，为以后的多层陶瓷工艺的发展奠定了基础。 1958年发明第一块集成电路，它推动了多引线外壳的发展，工艺仍以金属-玻璃封接工艺为主。 60年代发明了DIP(Du
20、al In-line Package)外壳，即双双列列直直插插引引线线外壳。由于这种外壳的电性能和热性能优良，可靠性高，使它们倍受集成电路厂家的青睐，发展很快，在70年代成为系列主导产品，464只管脚均开发出产品。 由于陶瓷DIP的成本问题，又开发出塑塑料料双双列列直直插插（PDIP）外壳。这种外壳由于成本低，便于大量生产，所以得到迅速的发展，乃至延续至今。 80年代，表表面面安安装装技技术术(SMT, Surface Mount Technology)被称作电子封装领域的一场革命，得到非常迅猛的发展。与之相适应，发明了一系列用于表面安装技术的新的电子封装形式，如无无引引线线陶陶瓷瓷片片式式载
21、载体体（LCCC，Leadless Chip Ceramic Carrier ）、塑塑料料有有引引线线片片式式载载体体（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier）和四四边边引引线线扁扁平平封封装装（QFP，Quad Flat Package），于80年代初达到标准化并投入生产。 由于密度高、引线节距小、成本低和适于表面安装，使四四边边引引线塑料扁平线塑料扁平（PFP）封装成了80年代的主导产品。 90年代，集成电路发展到超大规模阶段，要求电子封装的管脚数越来越多，管脚节距越来越小，从而电子封装从四边引线型（如四四边边扁扁平平封封装装，QFP, Quad Flat Pac
22、kage等）向平面阵列型（针针栅栅阵阵列列，PGA, Pin Grid Array）封装发展。 90年代初发明了球栅阵列球栅阵列（BGA，Ball Grid Array）封装目前正处于爆炸发展阶段。是电子封装领域的又一场革命。与此同时，国际上Si的12英寸片已投产，投资阈值越来越大，国内也上了几家8英寸的厂。 由于6英寸以下Si片的大规模生产成本大大降低，因此集成电路以BGA技术为基本形式迅速发展。例如向着多芯片组件多芯片组件（MCM，Multi Chip Module）发展，即把多块裸露的集成电路芯片以到装焊的方式安装在一块多层布线衬底上，并封装在同一外壳中。发展势头只增不减，已形成MCMC
23、、MCM-D、MCMI等几种类型。 芯片的封装技术从DIP、QFP、PGA、BGA到Flip-Chip（倒装芯片）、CSP（Chip Scale Packaging）再到MCM芯片面积与封装面积之比越来越接近于1。双列直插式（DIP）四边扁平式（QFP）针栅阵列球栅阵列倒装芯片单列直插式（SIP）小外形封装（SOP，Small Out Package）封装技术发展史封装技术发展史飞速发展的电子工业史飞速发展的电子工业史DlP-Standard(Dual In-line Package)They are most widely used. The lead pitch is 2.54 mm(10
24、0 mil), and the spacing between terminal rows is 300, 400, or 600 mil.DIP-SkinnyStandard DIPs with spacing between terminal rows of 7.62 mm (300 mil) and with 20 or more pins.DIP-ShrinkStandard DIPs with a lead pitch reduced to 1.778mm (70 mil). They are smaller in external size than standard DIPs a
25、nd suited to compact electronic equipment using high-pin-density IC packages.ZIP(Zigzag In-line Package)Featured by the leads which are drawn out from each package body into a single row to allow vertical mounting with a lead pitch of1.27 mm (50 mil). The leads of each package are Zigzag folded, wit
26、hin the package surface thickness, into two rows. The Zigzag folding increases the lead pitch in each row to 2.54 mm (100 mil).Hermetic ceramic package. The lead pitch is 2.54 mm (100 mil) and the package body is made of ceramics. Metal or glass may be used as a sealing material.Standard DIP陶瓷封装ICPG
27、A(Pin Grid Array)Featured by the leads which are drawn out vertically from each package body and arranged on the specified grid. The package body is made of ceramics, and the standard lead pitch is 2.54 mm (100 mil). PGA packages are suited to multi-pin packaging.SOP (Small Out-line L-Leaded Package
28、)Characterized by gull-wing type leads which are drawn out from each package body in two directions, and can be mounted flat. The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).SOP packages with a lead pitch of less than 1.27 mm (50 mil) are called SSOP.SSOP(Shrink Small Out-line L-Leaded Package)QFP (Quad
29、 Flat L-Leaded Package)Characterized by gull-wing type leads which are drawn out from each package body in four directions, and can be mounted flat. There are various QFPs available because the lead pitch is variable and the dimensions of the package body fixed.SOJ(Small Out-line J-Leaded Package)Pa
30、ckages are characterized by J-shaped leads which are drawn out from each package body in two directions, and can be mounted flat.The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).QFJPLCC(Quad Flat J-Leaded Package)Packages are characterized by J-shaped leads which are drawn out from each package body in f
31、our directions, and can be mounted flat.The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).BGA (Ball Grid Array/Fine Pitch BGA)Packages are surface mounting package with solder ball arrays on backside surface of printed circuit board (PCB). 适用频率越来越高 耐温性能越来越好 引脚数增多 间距减小 重量减小 可靠性提高 使用更加方便性能发展：性能发展： 从Intel 40
32、04、80286、386、486发展到Pentium、PII、P3、P4； 位数从4位、8位、16位、32位发展到64位； 主频从几兆到今天的2GHz以上； CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到千万个。集成电路的规模集成电路的规模: : 小规模集成（SSI，Small Scale Integration）、MSI （Medium） 、LSI （Large） 、VLSI （Very-large） 、ULSI（Ultra-large）； 封装引脚(I/O) ：从几十根，逐渐增加到几百根，到目前的2千根以上。2020年间年间CPUCPU的变化：的变化：电子封装的发展特点电子封装的发展特点:1
33、 1）向高密度发展）向高密度发展 LSI和VLSI集成度越来越高，要求封装的管脚数越来越多，管脚节距越来越小，因此封装难度越来越大。目前，陶瓷外壳CCGA已达1089pin，CBGA已达625pin，节距已达0.5mm，PQFP已达376pin，TBGA已达1000pin以上。2 2）向表面安装技术发展）向表面安装技术发展 国际上表面安装技术发展很快，据统计，1988年SMT约占17.5，1993年占44，1998年占75。传统的双列直插封装所占份额越来越小，取而代之的是表面安装类型的封装，如有引线塑料片式载体、无引线陶资片式载体、四边引线塑料扁平封装、塑料球栅阵列封装和陶瓷球栅阵列封装等，尤
34、其以PQFP和BGA两种类型为代表。3 3）从单芯片封装向多芯片封装发展）从单芯片封装向多芯片封装发展 MCM起步于90年代初、由于MCM的高密度、高性能和高可靠而倍受青睐。世界各国在近几年纷纷投入巨资，如美国政府4年投入5亿美元，1BM在10年内投入10亿发展MCM。目前最高水平的MCMC是1BM的产品，200mm见方、78层、300多万通孔、1400米互连线、1800只管脚、200W功耗。4 4）从陶瓷封装向塑料封装发展）从陶瓷封装向塑料封装发展在陶瓷封装向高密度、多引线和大功耗发展的同时，越来越多的领域被塑料封装所取代，而且，新的塑料封装形式层出不穷，目前以PQFP和PBGA为主，全部用
35、于表面安装，这些塑料封装占领着90以上的市场。5 5）先发展后道封装再发展芯片）先发展后道封装再发展芯片 这是一个成功的经验，与芯片制造相比，后道封装投入较小，而且见效快。TO TO SIP DIP SIP CSP BGA QFP PGA SOP尺寸减小、重量减小、尺寸减小、重量减小、面阵列面阵列、引脚增多、功能增多、引脚增多、功能增多、可靠性提高、成本降低、操作方便可靠性提高、成本降低、操作方便 元器件发展趋势元器件发展趋势年年19701970s s19801980s s19901990s s2000-20102000-2010小尺寸小尺寸SOPSOPSOJSOJS-SOPS-SOPTSOP
36、TSOPPLCCPLCCQFPQFPDIP/PGADIP/PGABGABGACSPCSPMCMMCMTQFPTQFPTABTAB电子封装器件发展趋势电子封装器件发展趋势多引脚多引脚轻重量、轻重量、小尺寸小尺寸封装的硅效率封装的硅效率面阵列封装引发了封装技术的革命面阵列封装引发了封装技术的革命封模实例封模实例（3）电子组装技术 两种主要的组装技术： 1) 通孔组装技术 THT 2) 表面组装技术 SMT焊接点PCB板(Printed Circuit Board）通孔插装元件表面安装元件PCB基板通孔插装技术(THT, Through Hole Technology)表面贴装技术(SMT, Surface Mount Technology)通孔插装及波峰焊通孔插装及波峰焊表面安装与回流焊表面安装与回流焊焊接点结结 语语 轻、薄、小、高可靠、多I/O、超高集成度、适合与大规模生产和低成本一直是电子封装技术发展的方向。 在保证产品质量的同时，保护环境和实现绿色制造将有新的突破，新的工艺材料也将不断涌现出来。 SMT发展正朝多学科方向发展。犹如一花独放的光电子器件及光电子封装的出现，标志着电子封装与组装技术又踏上了一个新的里程。
