6封裝可靠性教程課件(23頁P(yáng)PT)

1、封裝的可靠性問題北京大學(xué)微電子學(xué)系Department of microelectronics Peking University第1頁，共23頁。內(nèi)容提綱 集成電路后工序簡介 封裝形式封裝可靠性問題 封裝的可靠性問題第2頁，共23頁。封裝工藝過程劃片分離芯片鏡檢及分選裝架檢驗(yàn)引線鍵合檢驗(yàn)封蓋外引線整形打印標(biāo)簽包裝入庫組裝工藝流程后工序主要是將硅片分割成單個(gè)芯片，并封裝到管殼內(nèi)。大體分為：劃片鍵合封裝成品檢測老化篩選鍵合和封裝工藝最為關(guān)鍵，在很大程度上決定了集成電路的可靠性和成本簡 介第3頁，共23頁。封裝工藝過程引線鍵合芯片粘結(jié)芯片和管座的機(jī)械結(jié)合，不僅芯片要牢靠固定，而且具有電學(xué)上的歐姆接

2、觸，并改善散熱條件引線鍵合芯片上的壓焊點(diǎn)與管殼基座邊上的引線壓焊區(qū)，采用金屬細(xì)線連接金絲球焊法、熱壓鍵合法、超聲鍵合法等面朝下鍵合芯片正面朝下，將芯片上的壓焊點(diǎn)與管殼基座上的壓焊區(qū)進(jìn)行鍵合省略金屬引線，鍵合速度快，可靠性和成品率都高，對(duì)自動(dòng)化有利典型方式有：到裝方式、樑式引線、珠網(wǎng)方式等第4頁，共23頁。封裝工藝過程封裝形式封裝的主要目的：阻止來自外界的沖擊和潮氣等，以保護(hù)內(nèi)部的芯片和鍵合部位；其次是為了易于安裝在印刷電路板上。封裝類型主要應(yīng)用金屬管殼封裝晶體管、SSI塑料封裝晶體管、SSI陶瓷平行縫焊雙列直插封裝SSILSI陶瓷模塑雙列直插封裝SSILSI陶瓷扁平封裝SSIMSI塑料雙列直插

3、封裝SSILSI芯片載體LSIVLSI第5頁，共23頁。先進(jìn)的封裝技術(shù)目前的集成電路封裝技術(shù)：四列扁平封裝(QFP)；球焊陣列封裝(BGA)芯片尺寸封裝(CSP)；多芯片組裝(MCM)載帶自動(dòng)鍵合(TAB)；倒裝焊(FC)發(fā)展過程： 20世紀(jì)60、70年代中小規(guī)模IC曾大量采用I/O數(shù)十個(gè)引腳的TO封裝，后來發(fā)展成為這個(gè)時(shí)期的主導(dǎo)封裝產(chǎn)品DIP(雙列直插封裝 Dual In-line Package) 80年代出現(xiàn)了表面安裝技術(shù)(SMT)，IC封裝形式發(fā)展成為適合表面貼裝的短引線或無引線(SMC/SMD)結(jié)構(gòu)，用以封裝I/O數(shù)十個(gè)引腳的中規(guī)模集成電路(MSIC)或較少I/O的LSI第6頁，共2

4、3頁。發(fā)展過程(續(xù))： 90年代開發(fā)出QFP、塑料四列扁平封裝(PQFP)，不但解決了較多I/O LSI的封裝問題，而且適于SMT在印刷電路板(PCB)或其他基板上進(jìn)行表面貼裝QFP、PQFP成為SMT的主導(dǎo)微電子封裝形式。90年代出現(xiàn)了BGA(球格陣列 Ball Grid Array)，以面陣排列、球形凸點(diǎn)為I/O，克服QFP在VLSI中遇到的困難近幾年又發(fā)展出BGA，封裝達(dá)到不超過芯片尺寸20%的所謂芯片尺寸封裝(CSP)，這促使MCM得以迅速發(fā)展WB絲焊DCA直接晶片接合(Direct Chip Attachment)SLIM單級(jí)集成模塊(Single level integrated

5、module)第7頁，共23頁。年份19701980199020002005芯片互連WBWBWBFC低成本高I/0的FC封裝形式DIPQFPBGACSP裸芯片組裝方式PIHSMTBGA/SMTBGA/SMTDCA無源元件分立分立分立分立/組合集成基板有機(jī)有機(jī)有機(jī)DCA板SLIM封裝層次333311元件類型5105105105101Si效率（芯片/基板）2%7%10%25%75%微電子封裝發(fā)展的歷程及趨勢第8頁，共23頁。從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減

6、小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等。先進(jìn)的封裝技術(shù)簡介一、DIP封裝 封裝結(jié)構(gòu)形式：多層陶瓷雙列直插式DIP，單層陶瓷雙列直插式DIP，引線框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封結(jié)構(gòu)式，陶瓷低熔玻璃封裝式)。 Intel公司這期間的CPU如8086、80286都采用PDIP封裝。第9頁，共23頁。二、芯片載體封裝 封裝形式有：陶瓷無引線芯片載體LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引線芯片載體PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封裝SOP(Small Outline Package)、塑料四邊引出扁平封裝P

7、QFP(Plastic Quad Flat Package)，QFP比DIP的封裝尺寸大大減小。Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP。 三、BGA封裝 成為CPU、南北橋等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引腳封裝的最佳選擇。Intel公司對(duì)這種集成度很高(單芯片里達(dá)300萬只以上晶體管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium采用陶瓷針柵陣列封裝CPGA和陶瓷球柵陣列封裝CBGA，并在外殼上安裝微型排風(fēng)扇散熱，從而達(dá)到電路的穩(wěn)定可靠工作。第10頁，共23頁。最新的封裝發(fā)展趨勢第11頁，共23頁。

8、封裝的可靠性問題集成電路封裝的可靠性要求：保持器件管芯與外界環(huán)境隔絕，排除外界干擾，即集成電路工作期間維持比較干燥的惰性的內(nèi)部環(huán)境。從封裝的材料方面，封裝可分為：氣密封裝：金屬封裝、陶瓷封裝、低熔點(diǎn)玻璃封裝塑料封裝一般塑料封裝的可靠性比氣密封裝的差。通常在工作環(huán)境苛刻、整機(jī)可靠性要求高或使用較長時(shí)，采用氣密封裝；工作環(huán)境良好條件下采用塑料封裝。在美國大量的器件采用塑料封裝，氣密封裝大都用于軍用器件。第12頁，共23頁。封裝的可靠性問題封裝造成器件失效的原因：由于氣密性差，水及周圍各種污染物滲透到管芯，令芯片及電極系統(tǒng)發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，而造成器件不穩(wěn)定和失效。如某些研究表明：管殼氣密密封結(jié)構(gòu)

9、的缺陷，致使水汽在長時(shí)間微漏中浸入，造成電路失效，是主要失效因素。引起引線開路和鋁線腐蝕斷開。另外，在封裝殼內(nèi)采用有機(jī)硅樹脂等作為內(nèi)涂料，成為“實(shí)封”；而不用內(nèi)涂料的稱為“空封”(可充保護(hù)氣體)。實(shí)封存在問題：涂料與管芯引線的熱膨脹系數(shù)不同，多次溫度變化后，會(huì)拉斷引線，造成開路而導(dǎo)致器件失效。因此，高可靠性器件封裝均采用氣密性空封。第13頁，共23頁。塑料封裝的可靠性問題封裝優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單、成本低、節(jié)省大量貴重金屬、適合大量生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量容易滿足整機(jī)的需要等。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在生成的半導(dǎo)體器件中90%是采用塑料封裝可靠性要求：樹脂滲透性小：水份滲透過程中，水、鈉離子、氯離子或具有極性基的有機(jī)物沾污會(huì)

10、引起金屬引線部分?jǐn)嗔眩蛟黾悠骷砻媛╇娝芰现械碾x子濃度小。熱穩(wěn)定性好加工性能好，尺寸穩(wěn)定，成型后有較好的機(jī)械強(qiáng)度。第14頁，共23頁。常用的封裝材料：聚酯、聚氨酯、環(huán)氧化物、有機(jī)硅樹脂(硅酮樹脂)和熱固性塑料(聚酰亞胺、聚苯二甲酸二丙烯脂)。目前，主要有環(huán)氧化物和硅酮樹脂兩大類。環(huán)氧樹脂優(yōu)點(diǎn)：抗潮性能好。粘結(jié)強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能、抗化學(xué)藥品等性能均優(yōu)良，并有固化收縮率小，容易固化等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：耐熱性能稍差，以1500C為限，目前使用最普遍地塑封材料硅酮樹脂優(yōu)點(diǎn)：耐熱性能好(1752000C)，絕緣性能優(yōu)越。 缺點(diǎn)：抗潮性能差；粘結(jié)力、機(jī)械強(qiáng)度和抗化學(xué)藥品的性能不如環(huán)氧化物。硅酮樹脂適用于

11、功率器件的封裝。改性環(huán)氧樹脂優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)一步改善環(huán)氧樹脂的性能，具有高強(qiáng)度的粘結(jié)性和優(yōu)良的電絕緣性能，抗潮性能好。塑料封裝的可靠性問題第15頁，共23頁。塑料封裝的可靠性問題主要失效模式：分為短期失效模式和長期失效模式短期失效模式：壓焊系統(tǒng)出現(xiàn)斷線。原因硅片、壓焊引線、引線框和塑料等的熱膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)不同，溫度變化時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)引線承受不住應(yīng)力，出現(xiàn)斷線現(xiàn)象長期失效模式：金屬化系統(tǒng)和鋁電極出現(xiàn)腐蝕而斷裂原因水份和離子的污染，來源有：塑料本身水份的滲入；水份從塑料和引線交界處滲入；塑料析出的微量雜質(zhì)、管芯加工工藝中引入的雜質(zhì)以及環(huán)境氣氛引入的雜質(zhì)離子第16頁，共23頁。塑料封裝的可靠性問題金

12、屬化的腐蝕封裝樹脂的吸潮性樹脂吸潮有兩種機(jī)制快速吸潮，潮氣借助于氫鍵穿過有機(jī)環(huán)氧基體遷移；慢速吸潮，潮氣通過二氧化硅填料基體遷移，硅酮環(huán)氧樹脂吸潮。水份滲透的速率與溫度有關(guān)；潮氣容易從樹脂與金屬結(jié)合處浸入。封裝樹脂的雜質(zhì)塑封材料中含有鹵化物、堿金屬、堿金屬的化合物以及酚醛類雜質(zhì)等。如果固化劑中殘存有未反應(yīng)完的高分子合成樹脂，不僅塑料材料的熱性能下降，而且易于發(fā)生水解生成有害的Cl、(OH)-、Na-等離子(引起漏電流增大)高溫下(2000C)，聚合物交鏈會(huì)發(fā)生斷裂，通過縮和作用生成水，與Cl-生成鹽酸，腐蝕金屬。第17頁，共23頁。塑料封裝的可靠性問題對(duì)器件性能的影響形成電荷樹脂中存在的雜質(zhì)離

13、子，在一定的溫度、濕度、偏壓作用下，正、負(fù)離子分離，產(chǎn)生極化現(xiàn)象。在半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷，導(dǎo)致器件異常開關(guān)。粘接處出現(xiàn)裂紋由于熱膨脹系數(shù)不同，塑封材料與金屬框架、芯片與金屬框架之間的粘接處出現(xiàn)裂紋，器件熱特性下降，熱阻增大。輻射效應(yīng)塑封材料中存在微量的鈾和釷，輻射出的Alfa粒子會(huì)產(chǎn)生軟誤差。第18頁，共23頁。塑料封裝的可靠性問題改進(jìn)方法提高塑封材料的純度提高樹脂與金屬框架的粘結(jié)性降低塑封材料的熱膨脹系數(shù)芯片表面進(jìn)行鈍化鍵合工藝采用金絲球焊第19頁，共23頁。金屬封裝的可靠性問題金屬管殼的氣密性好，熱傳導(dǎo)性能好，可屏蔽電磁波，可靠性高。金屬冷壓焊的密封性問題大功率器件的金屬管殼采用金屬冷壓焊，利用被焊件的變形形成牢固的