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1、,第三章：芯片互连技术,3.1 概述3.2 芯片粘接3.3 引线键合（WB）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的应用,3.5 倒装焊（F
2、CB）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；压焊过轻，或芯片焊区表面太脏，导致虚焊，压焊点
3、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裸芯片，若将这种无封装（未进行一级封装）的
4、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TAB和FCB将详细论述。,芯片焊区与封
5、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，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁。,欧姆接触是
6、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-Sn合金片焊接法 芯片背面为Au层或Ni层，基
7、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、Al丝或Si-Al丝。其焊接方式主要有
8、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，发生扩散，产生了连接。,热压焊
9、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，通过接触面两金属之间的扩散结合而完
10、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。,与焊区键合（第一键合点）后劈刀上升,加热&加压,电弧成球,夹紧金丝，拉断,形成楔形焊点后劈刀上升至一定高度,劈刀快速移至第二键合点，形成弧形,金丝球劈刀下降，锁定焊球,加热&加压,芯片焊区,内引脚或基板焊区,劈刀下降，锁定焊球（劈刀未夹紧金丝，内径大于金丝直径）,电极,不同材料的形球工艺,金丝形球的规范
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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，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
16、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”。这是一种有别于且优于WB、用于薄型LSI芯片封装的
17、新型芯片互连技术。TAB是连接芯片焊区和基板焊区（或PWB焊区）的桥梁，包括芯片焊区凸点形成、载带引线制作、载带引线与芯片凸点焊接（内引线焊接）、载带外引线焊区与基板（或PWB）焊区的外引线焊接几部分。,3.4.1 TAB技术的发展状况,用来焊接芯片,PI框架（起支撑和保持引线图形共面的作用）,Cu箔,Cu引线(内引线),载带上的金属化部分(包括内引线、外焊区、公共联接处、测试点和边缘框架)是由一张长条状的Cu箔经光刻后得到的。所有金属化部分在内引线与芯片焊接完成并冲断公共联接处之前在电路上是连通的。测试点是为了检测光刻之后的金属化部分是否形成电通路。公共联接处是为了使多个内引线图形形成通路以
18、实现多个内引线一次性电镀（只对内引线部分进行电镀金）。芯片与内引线焊接后，切断公共联接处，使每一个焊接好的芯片+内引线在电性能上独立，然后利用外焊区进行内引线焊接通路的电性能检测。检测成功后，外焊区以内的部分被冲断脱离载带，利用外焊区与基板或PWB焊区焊接在一起。,公共联接单元,外引线焊区(引线外焊区),外引线焊接时，此部分断开，引线外焊区与基板(或PWB)焊区焊接,测试点,未焊接芯片的载带,若载带外焊区与基板焊区进行外引线焊接，则属于一级封装的TAB互连，焊好之后的基板通过引脚(或焊球)等与PWB焊区连通；若载带引线外焊区直接与PWB焊区进行焊接，则属于二级封装的TAB互连。TAB技术不单能
19、满足高I/O数的各类IC芯片互连的需求，而且已作为聚酰亚胺（PI）粘接剂Cu箔三层软引线载带的柔性引线，成为广泛应用于电子整机内部和系统互连的最佳方式。TAB技术应用最广泛和成熟的是日本、美国和西欧。,芯片,铜箔,内引线,链轮齿孔,多点一次焊接,焊点,:较厚,Cu箔单层带(示意图),外焊区,Cu箔外焊区之外的载带部分（包括链轮齿孔）仅起着临时承载和传送载带的作用，在进行外引线焊接时去除并回收利用，而外焊区及其里面的引线图形（内引线）和芯片将焊接在基板或印刷电路板上，实现其电信性能。,铜箔,内引线,I传送胶带,链轮齿孔,多点一次焊接,焊点,:较薄,Cu-PI(聚酰亚胺)双层带(示意图),外焊区,
20、内引线焊接时，芯片置于承片台上，而非PI传送胶带或基板上。,芯片,铜箔,I传送胶带,芯片,基板,芯片焊区,基板焊区,凸点,引线,芯片可以面朝上也可以面朝下焊接在基板或PWB上，此图为面朝上。,内引线焊接,载带引线外焊区与基板焊区的焊接,内引线焊接和外引线焊接之后芯片才与基板建立了电路的连通，属于一级封装中的芯片互连。内外引线焊接之后，一级封装体通过与基板焊区连通的引脚与PWB的金属化通孔相连。,若图中的基板换为PWB，即引线外焊区直接与PWB焊接，则是二级封装内的引线连接，属于芯片直接安装技术。,芯片已完成了与内引线的焊接,3.4.2 TAB技术的优点,（1）结构轻、薄、短、小，封装高度不足1
21、mm。（2）电极尺寸、电极与焊区节距均比WB大为减小。（3）相应可容纳更高的I/O引脚数，提高了TAB的安装密度。（4）TAB的引线电阻、电容和电感均比WB小得多，这使TAB互连的LSI、VLSI能够具有更优良的高速、高频电性能。（5）可对各类IC芯片进行筛选和测试，确保器件是优质芯片，可大大提高电子组装成品率，从而降低电子产品的成本。,Cu箔单层带无法测试，因为载带所有区域均导电。,（6）采用Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高。（7）TAB的键合拉力比WB高3-10倍（0.3-0.5N/点），从而可提高芯片互连的可靠性。（8）TAB使用标准化的卷轴长带，对芯片实行自动化多点一次焊接；同
22、时，安装及外引线焊接可以实现自动化，可进行工业化规模生产，从而提高电子产品的生效率，降低产品成本。,3.4.3 TAB的分类,TAB按其结构和形状可分为Cu箔单层带、Cu-PI(聚酰亚胺)双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金属带等四种。注：以作用进行分类，载带包含三部分，即承载用的PI（对于Cu单层载带，承载用的材料也为Cu）、与芯片进行电路连接的Cu箔引线图形以及焊接用的凸点（仅限于凸点电镀在载带内引线即凸点载带自动焊的情况，有时凸点电镀于芯片焊区上）。,（凸点）,TAB的分类及特点,TAB大量使用的载带宽度为35mm和70mm，除此之外，还有48mm、16mm、8mm和1
23、58mm等多种规格。载带宽度越小，I/O数越少，即IC规模越小。载带标准从略,3.4.4 TAB技术的关键材料和关键技术,TAB技术的关键材料包括基带材料（载带材料）、Cu箔引线材料和芯片凸点金属材料几部分。,关键材料,1.基带材料 基带材料要求高温性能好与Cu箔的粘接性好，耐温高热匹配性好，收缩率小且尺寸稳定，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低等。从综合性能来看，聚酰亚胺(PI)基本都能满足这些要求，所以是公认的使用广泛的基带材料。除PI之外，基带材料还有聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）和苯并环丁烯（BCB）,2.TAB的金属材料 制作TAB引线图形的金属材料一般采用Cu箔（少数使用Al箔），
24、因为Cu的导电、导热性能好，强度高，延展性和表面平滑性好，与各种基带粘接牢固，易于用光刻法制作精细复杂的引线图形，且易于电镀Au等焊接金属。,3.芯片凸点的金属材料 在芯片的焊区上先制作Au凸点，然后与Cu箔引线进行焊接，芯片焊区金属通常为Al膜，为防止Au凸点与Al相互扩散，形成有害的金属间化合物，在凸点内侧要沉积一层阻挡层金属（W、Mo、Pt、Pd钯、Cu-Ni、Ni、Cu、Cr等），为 使Al膜和阻挡层粘附牢固，要在二者之间沉积一层粘附层金属（Ti、TiN、Cr或Ni）（粘附层和扩散阻挡层均导电，不影响电路导通）；也可以将凸点制作在TAB的Cu箔引线上，芯片只做多层金属化或者芯片上仍是A
25、l焊区。这种TAB结构又称为凸点载带自动焊(BTAB)。,粘附层Ti,阻挡层W,Al层,凸点Au,TAB的关键技术主要包括三个部分：芯片凸点的制作技术；TAB载带的制作技术；载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。,关键技术,3.4.5 TAB芯片凸点的设计制作要点,TAB的引线图形（Cu箔图形）与芯片上凸点的连接焊区是周边形的，焊区和凸点的周边布局尽量均匀和对称。TAB的凸点形状一般为蘑菇状和柱状。蘑菇状凸点是用光刻胶作掩膜制作，由于光刻胶较薄，需要电镀增高凸点，而电镀增高时，凸点会横向发展，凸点高度越高，横向发展越大。横向发展时电流密度不均匀，使得凸点顶面呈凹形，尺寸也难
26、以控制；而柱状凸点使用厚膜抗蚀剂作掩膜，掩膜厚度与要求的凸点高度相同，不需要电镀增高，因此电流密度均匀，凸点顶面是平的。,对于相同的凸点高度和凸点顶面面积，柱状凸点要比蘑菇状凸点的底面金属接触面积大，强度更高，即当底面金属接触面积与凸点高度相同时，蘑菇状凸点要比柱状凸点占据空间大得多。因此，蘑菇状凸点更易于发生短路。,无论是哪种凸点，都要考虑凸点压焊变形后向四周扩展的距离，留有余地。压焊时，若压力过大，则压力传到底层金属和阻挡层时，可能使底层金属和阻挡层产生裂纹，或使较软的Au凸点变形过大；若压力不足，可能因凸点的变形过小而弥补不了凸点高度的不一致性，使有些焊点的拉力达不到使用要求，从而影响可
27、靠性。所以要对Au、Ni、Cu等金属适当组合，得到软硬合适的材料，并节约成本。,芯片凸点的形状及制作工艺流程,表面氧化硅层,金属化沉积的Al焊区,Si,Si3N4钝化层,凸点下多层金属化（粘附层和阻挡层）,蘑菇状凸点制作工艺,凸点下多层金属化,涂覆光刻胶,电镀Au凸点（光刻胶较薄，凸点达到足够的高度时，横向发展）,去除光刻胶,腐蚀凸点覆盖面积之外的多层金属,柱状凸点制作工艺,3.4.6 TAB载带的设计要点,TAB的载带引线图形是与芯片凸点的布局紧密配合的，即首先预知或精确测量出芯片凸点的位置、尺寸和节距，然后再设计载带引线图形。引线图形的指端位置（与凸点焊接的Cu箔引线端）、尺寸和节距要和每
28、个芯片凸点一一对应。其次，载带外引线焊区又要与电子封装的基板或PWB布线焊区一一对应，由此这决定了每根载带引线的长度和宽度。,根据I/O引脚数量、器件性能要求以及成本等，来确定选择单层带、双层带、三层带或双金属层带。单层带的Cu箔厚度为50-70微米，以保持载带引线图形在工艺制作过程和使用中的强度，也有利于保持引线指端的共面性，其他几类载带，因有PI支撑，可选择18-35微米或更薄的Cu箔。从芯片凸点焊区到外引线焊区，载带引线从内向四周均匀“扇出”。载带引线接触芯片凸点的部分较窄，而越接近外焊区载带引线越宽。宽度的变化是渐变的，这样可以减少引线的热应力和机械应力。,Cu箔引线（载带引线）,PI
29、框架对载带引线图形起支撑作用，焊接前后特别对内引线起着支撑共面的作用。PI框架要靠内引线近一些，但不能紧靠引线指端也不能太宽，以免产生热应力和机械应力。此外，在腐蚀Cu箔（制作引线图形）时，有相同速率的横向腐蚀，因此引线图形的尺寸应适当放宽。,3.4.7 TAB载带的制作技术,1.TAB单层带的制作技术 单层带是厚度为50-70m的Cu箔。1)在整张Cu箔上先用光刻法（双面光刻）冲制出定位传送孔，然后清洗Cu箔。2)在Cu箔的一面涂光刻胶，进行光刻，曝光和显影(露出需要刻蚀的Cu）后，整个背面涂光刻胶保护（否则Cu箔从背面全部被刻蚀）。3)腐蚀，去光刻胶。4)电镀（镀金，提高电性能）和退火（消
30、除应力，改善延展性，净化表面）。,外焊区,2.TAB双层带的制作技术 在Cu箔上涂覆液态的聚酰胺酸（PA），并初步亚胺化，然后在两面涂覆光刻胶，光刻刻蚀，形成初步亚胺化的PI框架和金属引线图形（一面刻蚀Cu，另一面刻蚀PI），同时冲压制作定位传送孔；最后在350下将PA完全亚胺化，形成具有PI支撑架和金属引线图形的TAB双层带，然后对引线图形进行电镀。,外焊区,3.TAB三层带的制作技术 TAB三层带使用最多，适宜大批量生产，是由Cu箔粘接剂PI膜（或其他有机薄膜）三层构成，其制作工艺更复杂。Cu箔的厚度一般是18m或35m，用于形成引线图形。粘接剂的厚度约为20-25m，是具有与Cu粘接力强
31、、绝缘性好、耐高压和机械强度好等特性的环氧类粘接剂。PI膜的厚度约为70m，主要对Cu箔引线图形起支撑作用，以保持内引线的共面性。三层带的总厚度约为120m。,外焊区,制作冲压模具，制作用于冲制PI膜定位传送孔和PI框架的硬质合金模具。冲压PI膜定位传送孔和PI框架孔。涂覆粘接剂。粘接剂事先已附在PI膜上，冲压时，通孔处的粘接剂层被冲压掉。粘覆Cu箔。此过程需加热加压。将大面积冲压好的三层带进行切割，可制成供多个芯片使用的TAB三层带。将设计好的引线图形制版，经光刻、刻蚀、电镀等工艺，完成引线图形。,4.TAB双金属带的制作技术TAB双金属带的制作，可将PI膜先冲压出引线图形的支撑框架，然后双
32、面粘接Cu箔，应用双面光刻技术，制作出双面引线图形，对两个图形PI 框架间的通孔再进行局部电镀形成上下金属互连。,3.4.8 TAB的焊接技术,包括载带内引线焊接（ILB，载带内引线与芯片凸点的焊接）和载带外引线焊接（OLB，载带引线外焊区与基板焊区之间的焊接），还包括内引线焊接后的芯片焊点保护及筛选和测试等。,1.TAB内引线焊接 根据芯片凸点的材料和Cu箔引线电镀材料选择热压焊或热压再流焊。热压焊的焊接温度高，压力大；热压再流焊的温度较低，压力也较小。,这两种焊接方法都使用半自动或全自动的内引线焊接机进行多点次焊接。焊接的主要工艺操作为对位、焊接、抬起和芯片传送四步。,焊接 将加热的热压焊
33、头落下，加压一定时间，完成焊接。（注：焊点在芯片的四周，而非只有两边有焊点）,对位 将具有粘附层的Si圆片经测试并做好坏芯片标记，用划片机划成小片IC，并将芯片粘贴于内引线压焊机的承片台上。按设计的焊接程序，将IC芯片置于卷绕在两个链轮上的载带引线图形的下面，使载带引线图形与芯片凸点进行精确对位；,抬起抬起热压焊头，焊接机将压焊到载带上的IC芯片通过链轮步进卷绕到卷轴上，同时下一个载带引线图形也步进到焊接对位的位置上。芯片传送 供片系统按设定程序将下一个IC芯片转移到新的载带引线图形下方进行对位从而完成了一个完整的焊接过程。,内引线焊接过程,注：粘附在承载台（即图中的载体）上的芯片（面朝上）随
34、承载台向上移动至载带下方并定位（此时芯片和载带靠近，但并未接触）热压头向下运动进行热压焊接焊头(即热压头)抬起，承载台下降（此时芯片离开承载台，芯片与载带靠焊点连接在一起）在传送孔的作用下，载带向右移动一格（压焊好的载带和芯片逐个卷绕至卷轴上，而下一个载带移至工作区域），同时承载台向左移动一格，使下一个待焊接芯片移至焊接区域承载台向上运动，待焊接芯片定位（载带始终是连续的整体）,压焊好的芯片和载带,待压焊的芯片和载带(注，载带引线图形指端是空的，但由于PI衬底的作用，载带仍是连续的),初始状态,TAB内引线焊接后的保护 TAB内引线焊接后需对焊点和芯片进行保护，方法是涂覆薄薄的一层环氧树脂，涂
35、覆后固化。固化的环氧树脂既保护了焊点，使载带引线受力时不损伤焊点，也保护了IC芯片的表面。,TAB的筛选与测试 TAB的筛选与测试可以提高组装的成品率，在此过程中将载带上的引线公共联接处冲制断开，使IC芯片电性能独立（仅将公共联接处冲断，载带仍是连续的，且芯片与载带也未断开。将公共联接处冲断之后才可以对单个IC芯片进行测试）,此处切断，但引线图形仍在PI载带上，而芯片与内引线连接。,TAB的外引线焊接 将载带外引线焊区与印刷电路板（或基板）的布线焊区进行焊接。焊接过程中，芯片可以面朝下也可以面朝上。,完成内引线焊接的载带和芯片,基板或PWB,基板或PWB上需要与载带Cu引线外焊区进行焊接的区域
36、,冲压和焊接时，热压头向下移动至基板处，顶住基板的同时对基板焊区进行加热；冲头向上运动，并在两块冲模的共同作用下，将载带以Cu箔引线外焊区为界线冲断，引线外焊区以外的部分包含PI框架的传送孔仍与未焊接的载带相连，引线外焊区及以内的部分（包含Cu引线、部分PI框架和芯片）脱离载带并在冲头的作用下向上运动，Cu箔引线外焊区与基板布线焊区焊接在一起。压焊结束后，热压头和冲头分别复位。基板和载带向右移动一格，进行下一轮焊接。,冲头只对外焊区施加压力，不会破坏芯片及内引线。冲头顶端为矩形，而非只有图示对称的两边。,(外焊区),3.4.9 TAB的可靠性,TAB能满足高I/O数的芯片互连需求，且具有理想的
37、可靠性。,3.4.10 凸点载带自动焊（BTAB）简介,TAB是在IC芯片焊区制作凸点，工艺技术复杂，成本较高；在TAB载带的Cu箔内引线键合区上制作凸点，然后直接与IC芯片的Al焊区进行内引线焊接，称为凸点载带自动焊。BTAB工艺简便易行，制作成本低廉。BTAB凸点的形成有两种方法：直接形成凸点法和移置凸点TAB法(从略)。,3.4.11 TAB的应用,TAB主要应用于低成本、大规模生产的电子产品，如液晶显示器、电子手表、笔记本电脑和汽车电子产品。TAB技术应用最广泛的国家是日本、美国和西欧。,3.5 倒装焊（FCB）技术,倒装焊是芯片与基板（或PWB）直接安装互连的技术（WB和TAB需要用
38、Au线或载带引线将芯片焊区与基板焊区相连）。WB和TAB通常是芯片面朝上安装互连（TAB的内外引线焊接过程中，芯片面朝上），而FCB则是芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的布线焊区互连。因此FCB的互连线非常短，互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感比WB和TAB小得多。,FCB互连占的基板面积小，因而芯片安装密度高，适用于高I/O数的LSI、VLSI芯片的使用。由于芯片的安装和互连是同时完成的，大大简化了工艺。FCB的不足：芯片面朝下安装互连，工艺操作有一定的难度，焊点检查困难。,基板(或PWB),芯片Al焊区,布线焊区,20世纪60年代初，美国IBM公司首先研制开发出在芯片上制作凸点的倒
39、装焊FCB工艺技术，大大减少了引线的长度,基板(或PWB),芯片Al焊区,布线焊区,凸点,WB键合,FCB键合,3.5.1 芯片凸点下多层金属化和凸点类别,各种IC芯片的焊区金属均为Al，在Al焊区上制作各类凸点，除Al凸点外制作其余凸点均需在Al焊区和它周围的钝化层或氧化层上形成一层粘附性好的粘附金属，一般为数十纳米厚度的r、Ti、Ni层；接着在粘附金属层上形成一层数十至数百纳米厚度的阻挡层金属，如Pt(铂)、Pd(钯)、Mo、u、Ni等，以防止上面的凸点金属(如Au等)越过薄薄的粘附层与Al焊区形成脆性的中间金属化合物；最上层是导电的凸点金属，如Au、u、Ni、Pb(铅)-Sn、In等。这
40、就构成了粘附层-阻挡层-导电层的多层金属化系统。（注：在芯片焊区上形成凸点）,粘附层Ti,阻挡层W,Al层,凸点Au,按凸点材料和结构、形状将其进行如下分类：(1)按凸点材料分类 按凸点材料分类，Au凸点、Pb-Sn凸点、Au-Sn凸点、Cu凸点、Cu-Pb-Sn凸点、In凸点、NiAu凸点和聚合物凸点等，其中应用最广的是Au凸点和Pb-Sn凸点。(2)按凸点结构和形状分类 按凸点形状分类，有蘑菇状、柱状(方形、圆柱形)、球形和叠层几种。按凸点结构分类，有周边分布凸点和面阵分布凸点等。其中，应用最多的是柱状凸点、球形凸点、周边分布凸点和面阵分布凸点。,Au凸点适用于热压FCB；Pb-Sn凸点适
41、用于再流FCB。,形成凸点的工艺主要有蒸发/溅射法、电镀法、化学渡法、机械打球法、激光法、置球和模板印刷法、移置法、叠层制作法和柔性凸点制作法等。,从略,3.5.2 芯片凸点的制作工艺,制作的凸点芯片在基板上进行FCB，常用的基板有厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷基板、Si基板或PWB（印刷电路板，也是一种基板），基板可以是单层的，也可以是多层的。凸点芯片倒装焊在基板上层的金属化焊区上。因此，需要在基板上制作金属化焊区。,3.5.3 FCB互连基板的金属焊区制作,互连FCB芯片的基板顶层金属焊区要与芯片凸点一一对应，与凸点金属具有良好的压焊或焊料浸润特性。基板上的金属化层多为Pd-Ag、Pb-Sn、Au
42、或Cu、Ni等。,3.5.4 凸点芯片的倒装焊接工艺,倒装焊接主要有以下几种：热压FCB法、再流FCB法（C4）、环氧树脂光固化FCB法和各向异性导电胶粘接FCB法。,1.热压FCB法,这种方法是使用倒装焊接机完成对准各种凸点（一般是Au凸点），倒装焊接机是由光学成像对位系统、捡拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示系统等组成。,将欲FCB的基板放在承片台上。用捡拾焊头捡拾带有凸点的芯片，面朝下对着基板，利用光学摄像头进行调准对位。落下压焊头进行压焊，压焊头可加热，并带有超声，同时承片台也对基板加热，在加热、加压、超声到设定的时间后就完成所有凸点与基板焊区的焊接。,热压FCB过程,FCB时芯片与
43、基板的平行度非常重要，如果不平行、焊接后的凸点形变将有大有小致使拉力强度也有高有低，有的焊点可能达不到使用要求。所以调平芯片与基板的平行度对焊接质量至关重要，调平系统的原理如下图所示,不平行时，光标不重叠。,2.再流FCB法 此种焊接方法专对各类Pb-Sn凸点进行再流焊接，称为再流焊接法，又称C4技术或可控塌陷芯片连接，是最为流行且最有发展潜力的FCB技术，可以采用表面安装技术（SMT）在PWB上直接进行芯片贴装并倒装焊。（注，在PWB上直接芯片倒装焊时，未进行一级封装，直接进行二级封装；而将芯片在陶瓷基板上倒装焊时，是先进行一级封装，然后再将一级封装体在PWB上进行二级封装）,再流焊也叫回流
44、焊，主要应用于各类表面组装元器件的焊接。C4这种焊接技术的焊料是Pb(铅)-Sn。预先在印刷电路板的焊盘上涂上适量低熔点的焊锡膏（Pb-Sn焊料，37%Pb-63%Sn，PWB不耐高温，只能使用低熔点的焊料），再在芯片上制作高熔点的Pb-Sn 凸点（90%Pb-10%Sn）。芯片凸点与电路板焊盘定位粘贴（Pb-Sn具有一定粘性）之后，让贴装好芯片的电路板进入再流焊设备。传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，Pb-Sn经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制板上。再流焊的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润，完成电路板的焊接过程。,C4的凸点可以在整个芯片呈
45、面阵分布，再流时能够弥补基板的凹凸不平或扭曲等，可以与光滑平整的陶瓷/Si基板金属焊区互连，还能与PWB上的金属焊区互连。,倒装焊时，Pb-Sn焊料熔化再流时较高的表面张力会产生“自对准”效果，可以降低倒装焊时对芯片对准精度的要求。,C4的芯片凸点使用高熔点的焊料，而PWB上的焊区使用低熔点的焊料，倒装焊再流时，C4凸点不变形，只有低熔点的焊料熔化，可以弥补PWB基板的凹凸、扭曲等缺陷产生的焊接不均匀问题。,C4凸点具有上述优点，可以用常规的SMT安装设备在PWB上安装C4芯片，从而达到工业化规模生产的目的。,陶瓷基板耐高温，C4高温焊料凸点可以直接在金属焊区上再流焊接（陶瓷基板焊区不需焊料）
46、，焊区外围有焊料“堤”，为倒装焊时凸点限位，同时阻止焊料熔化再流时沿布线金属表面流淌；PWB上再流倒装焊时，需在基板焊区上制作低温Pb-Sn焊料，再流后，C4芯片上的高温焊料凸点不熔化，只有低温焊料熔化并再流，包裹高温焊料凸点。,陶瓷基板再流焊接,有机基板（PWB）再流焊接,陶瓷基板再流焊接时，加热温度高，凸点部分熔化，而PWB再流焊接时，加热温度低，只有PWB基板上的低温焊料熔化，凸点未熔化(仍是球形)。,3.5.5 倒装焊接后的芯片下填充,在芯片与基板间填充环氧树脂，目的：缓冲焊点受机械振动和CTE失配导致基板对芯片拉力作用引起的焊点裂纹和失效，提高可靠性。可靠性可提高10100倍。,3.
47、5.6 C4技术与DCA技术的重要性,热压FCB时，要做450500的温度下加压，容易损伤Si3N4钝化层和多层金属化层。C4技术的焊料凸点是在较低温度下，利用芯片自身的重力或施加很小的压力就可达到良好的再流焊接，降低了损伤钝化层、多层金属化的可能。（再流焊温度在350 以下，在PWB上FCB时，温度不超过230）,利用C4技术可在PWB上进行芯片直接安装（DCA），且与表面安装技术（SMT）相兼容，因此，可利用常规的SMT贴装、再流焊接进行工业化规模生产。在要求轻、薄、短、小的高密度封装的电子整机上，都已经采用了C4技术和PWB-DCA技术。,将裸芯片直接安装在PWB或其他基板上，称为直接芯
48、片安装（DCA）技术，又称无封装组装（无一级封装）。DCA可以使用TAB、WB和FCB互连技术。C4技术是FCB中的一种。,零级和一级封装称为电子封装，把二级和三级封装称为电子组装。,不少类BGA（球栅阵列封装）和CSP（芯片尺寸封装）实际上是基于C4技术的应用。C4技术与BGA的结合是单芯片LSI、VLSI最佳封装形式之一。,与封装器件相比，DCA的显著优点是：占用的PWB面积最小（与芯片面积相当），可以提供最高的I/O互连，大大提高组装密度；缩短了IC芯片的I/O引线，有利于达到高频、高速性能，且成本降低。,3.6 埋置芯片互连后布线技术,以上互连技术均是在各类基板上的金属化布线焊区上焊接
49、各类IC芯片，即先布线而后焊接，称为先布线焊接互连技术。埋置芯片互连技术，是先将IC芯片（有Al焊区，无金属布线，即芯片上的元器件和焊区未连通）埋置到基板或PI介质层中，然后统一进行金属布线（包含芯片焊区与芯片元器件的金属布线和芯片焊区与基板焊区的金属布线），将IC芯片的焊区-布线金属-基板焊区自然相连。此时，芯片焊区与基板焊区间的互连(不需要焊接，而是用金属化布线连接)属于金属布线的一部分，互连无任何“焊接”痕迹，称为后布线技术。,埋置芯片互连可以进一步提高电子封装密度，是进一步实现立体封装的一种有效形式，可以消除传统的芯片与基板金属焊区的各类焊点，不存在热膨胀失配应力引起焊点互连处的疲劳失效，提高电子产品的可靠性。,3.7 芯片互连方法的比较,当前的芯片互连仍以WB技术为主，但在高I/O数的LSI和VLSI芯片的互连中，TAB和FCB互连正逐步取代WB互连。特别是FCB的C4技术，将在各类高密度封装互连中成为首选的互连技术。,
