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1、第十章 封装,第一节 封装概述 封装技术是一种将芯片的焊区与封装的外引脚互连起来，并用绝缘的材料外壳打包起来的技术。一、封装的作用1物理保护2互连3标准规格化4其他作用,二、封装的分类 根据所用的材料来划分半导体器件封装形式有金属封装、陶瓷封装和塑料封装。金属封装是半导体器件封装的最原始的形式，它的优点是气密性好，不受外界环境因素的影响；缺点是价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件日益快速发展的需要。陶瓷是硬脆性材料，作为一种封装材料，陶瓷有良好的可靠性、可塑性，且密封性好。塑料封装由于其成本低廉、性能价格比优越、工艺简单，并适于大批量生产，因而具有极强的生命力，自诞生起发展得越来越快，在
2、封装中所占的份额越来越大。,三、常见封装的形式1DIP双列直插式封装,2PGA针栅阵列封装,3SOP小外形封装,4QFP方型扁平式封装,5BGA球栅阵列封装,第二节 封装工艺一、封装工艺流程1.减薄 减薄是将晶圆的背面研磨使晶圆达到一个合适的厚度。2.晶圆贴膜切割 晶圆贴膜切割主要作用是将晶圆上做好的晶粒切割分开成单个，以便后续的工作。,3.粘片固化 粘片固化主要作用是将单个晶粒通过粘结剂固定在引线框架上指定位置，便于后续的互连。4.互连 互连的作用是将芯片的焊区与封装的外引脚连接起来，电子封装常见的连接方法有引线键合（Wire Bonding，WB）、载带自动焊（Tape Automated
3、 Bonding，TAB）与倒装芯片（Flip Chip，FC）等。5.塑封固化 塑封固化工序主要是通过环氧树脂等塑封料将互连好的芯片包封起来。,6.切筋打弯 切筋工艺是指切除框架外引脚之间连在一起的地方；打弯工艺则是将引脚弯成一定的形状，以适合装配的需要。7.引线电镀 引线电镀工序是在框架引脚上作保护性镀层，以增加其抗蚀性和可焊性。,8.打码 打码就是在封装模块的顶表面印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识。9.测试 这些测试包括一般的目检、电气性能测试和老化试验等。10.包装 对于连续的生产流程，元件的包装形式应该方便表面组装工艺中贴片机的拾取，而且不需要作调整就能够应用到自动贴片机上。,二、
4、封装材料 封装材料主要包括金属封装材料、高分子封装材料和其他封装材料。1金属封装材料 在封装过程中，将会用到许多的金属材料，主要包括键合金属线和焊接材料等。（1）键合金属线材料 集成电路引线键合是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接中最通用，引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝。,金丝 纯金键合丝有很好的抗拉强度和延展率。采用键合金丝主要的问题是原材料价格昂贵，制造成本高。铜丝 铜丝的导电性能好、成本低、最大允许电流高、高温下的稳定性高等特点，其优势逐步体现出来。但铜丝也有缺点，比如铜丝在高温下容易氧化，要在保护气氛下键合；铜丝相对其他线材的硬度比较高。铝丝 纯铝太软而难拉成丝，一般
5、加入百分之一的硅或者百分之一的镁以提高强度，掺百分之一镁的铝丝强度和掺百分之一硅的铝丝强度相当。,（2）焊接材料 封装中常用的焊接材料是指低熔点的合金，焊接过程中在被焊表面之间形成冶金结合，起到机械支撑、热传导及电气连接等作用。锡铅焊料 目前使用最广泛的是锡铅（Sn-Pb）焊料。63Sn37Pb 为共晶合金，其熔点为183的。无铅焊料 锡银铜系无铅焊料是新一代代表性焊料，并正在世界范围内推广使用。这种合金具有优良的物理性能和高温稳定性，因此也成为各种无铅焊接工艺中的首选焊料。,2高分子封装材料 封装用高分子材料包括合成胶粘剂、塑料封装材料及导电胶等。（1）合成胶粘剂 合成胶粘剂通常是多组分体系
6、，除了主要起粘接作用的材料外，为了满足特定的化学和物理特性，尚需加入各种添加剂，合成胶粘剂一般包括以下组成。粘料固化剂和固化促进剂稀释剂填料,（2）塑料封装材料 目前采用的半导体塑封材料，绝大多数均采用邻甲酚酚醛环氧树脂。随着集成电路线宽越来越小，集成度越来越高，对塑料封装材料的性能要求越来越高，要求塑料封装材料具有以下性能：具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性。电绝缘性能好。吸水性、透湿率低。与器件及引线框架的粘接性能好、机械强度高。热膨胀系数小，热导率高。成形、硬化时间短，脱模性好。流动性及充填性好。,（3）导电胶 导电胶是由高分子材料和导电粒子组成的复合材料，具有与金属相近的导电性能。导电胶分
7、为各向同性导电胶和各向异性导电胶两大类。各向同性导电胶在各个方向有相同的导电性能；各向异性导电胶在XY方向是绝缘的，而在Z方向上是导电的。通过选择不同形状和添加量的导电粒子，可以分别做成各向同性导电胶或各向异性导电胶。,第三节 互连方法 在集成电路封装互连中，芯片和引线框架（基板）的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。有三种方式实现内部连接：引线键合、载带自动焊和倒装焊。,一、引线键合1引线键合概述 集成电路封装中采用引线键合过程如下，芯片先固定于金属导线架上，再以引线键合工艺将细金属线依序与芯片及导线架完成接合。引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝。引线键合焊的原理是采用加热、加
8、压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层和污染，产生塑性变形，使得引线与被焊面亲密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。,常用的引线键合方式有三种：热压键合、超声键合和热声键合。（1）热压键合焊 热压键合焊是利用加压和加热，使得金属丝与焊区接触面的原子间达到原子的引力范围，从而达到键合目的，常用于金丝的键合。,（2）超声键合焊 超声键合是利用超声波（60120KHz）发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下的压力。使得劈刀在这两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线受能量作用发生塑性变形，与键合区紧密接触而完成焊接，常用于铝丝的键合。,（3）热声键合焊 热声键合焊主要
9、用于金和铜丝的键合。它也采用超声波能量，但是与超声焊不同点的是键合时要提供外加热源、键合丝线无需磨蚀掉表面氧化层。外加热量的目的是激活材料的能级，促进两种金属的有效连接以及金属间化合物的扩散和生长。,2引线键合工艺 引线键合工艺有球形键合与楔形键合两种工艺。（1）球形键合工艺（2）楔形键合工艺,二、载带自动键合1载带自动焊技术特点 载带自动焊技术是一种基于将芯片组装在金属化柔性高分子载带上的集成电路封装技术。它的工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的键合在一起，然后对芯片进行密封保护。载带既作为芯片的支撑体，又作为芯片同周围电路的连接引线，这种载带是一种
10、金属化膜片。,三、倒装芯片倒装芯片技术就是把面朝下的硅芯片用焊料和基板互连在一起，形成稳定可靠的机械、电气连接。由于凸点芯片倒装焊的芯片焊盘可采用阵列排布，因而芯片安装密度高，适用于高I/O数的芯片使用。倒装焊接采用芯片与基板直接安装的互连方法，具有更优越的高频、低延迟、低串扰的电路特性，更适用于高频、高速的电子产品应用。,第四节 先进封装方法一、多芯片组件 多芯片组件（Multi-Chip Module，简称MCM）是微组装技术的代表产品，它将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在同一壳体内，是电路组件功能实现系统级的基础。,二、三维封装 由于电子整机和系
11、统在航空、航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高，在MCM的基础上，对于有限的面积，电子组装必然在二维组装的基础上向z方向发展，这就是所谓的三维（3D）封装技术，是实现系统组装的有效手段。实现3D封装主要有三种方法。（1）埋置型（2）有源基板型（3）叠层型,三、芯片尺寸封装 芯片尺寸封装（Chip Scale Package，简称CSP），大规模集成电路（LSI）芯片封装面积小于或等于LSI芯片面积120%的封装称为CSP。芯片尺寸封装是整机小型化、便携化的结果。由于许多CSP采用BGA的形式，所以通常认为，焊球节距大于等于lmm的为BGA，小于lmm的为CSP。CSP实际上是在BGA封装小型化过程中形成的，所以有人也将CSP称之为BGA（微型球栅阵列）。CSP封装有许多优势：（1）封装尺寸小（2）可容纳引脚的数最多（3）电性能优良（4）散热性能优良,四、系统级封装 系统级封装（System In Package，简称SIP）是一种新型的封装技术，在IC封装领域，SIP是最高级别的封装。通常对SIP的定义是：“系统级封装是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源元件，以及诸如微机电系统（MEMS）或者光学器件等其他器件，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统”。,
