封裝技術(shù)的研究講解課件

1、封裝與失效分析本章圍繞非氣密封裝技術(shù)、氣密封裝技術(shù)、常見封裝形式、混合電路常見失效模式與分析等方面進行介紹。當將有源器件和無源元件組裝到已完成膜層印燒/蒸發(fā)/濺射的基片上以后，這個混合微電路就可以進行封裝了。組裝和封裝作為產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界引起人們?nèi)找嬖龆嗟年P(guān)注。廣義的封裝是指將半導體和電子元器件所具有的電子的、物理的功能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于設(shè)備或系統(tǒng)的形式，并使之為人類社會服務(wù)的科學技術(shù)。狹義的封裝(Packaging,PKG)是指裸芯片與布線板實現(xiàn)微互連后，將其密封在塑料、玻璃、金屬或陶瓷外殼中，以確保半導體集成電路芯片在各種惡劣條件下正常工作。無論是單芯片封裝前的裸芯片，還是多個裸芯片

2、裝載在多層布線板上的多芯片組件(MCM),在不經(jīng)封裝的狀態(tài)下，由于空氣中濕氣和氧的影響，半導體集成電路元件表面及多層布線板表面的導體圖形及電極等，會隨時受到氧化的腐蝕，使其性能退化。因此，無論是單芯片封裝還是MCM制造，在整個工藝過程中，應(yīng)避免在空氣中放置，而應(yīng)在氮氣氣箱等非活性氣氛中加以保護。否則，會出現(xiàn)半導體元件的內(nèi)側(cè)引線凸點因氧化而難以鍵合，多層布線板的導體電極因氧化而不能釬焊等問題。即使已完成了微互連，不經(jīng)封裝而在含有濕氣的空氣中工作加之遷移現(xiàn)象，半導體元件及多層布線板上的導體電路會發(fā)生突然短路。因此，多層布線板及半導體元件表面露出的導體圖形必須與外界氣氛隔絕。無論對于單個使用的裸芯片

3、還是MCM，封裝都是必不可少的。封裝除對混合電路起機械支撐、防水和防磁、隔絕空氣等的作用外，還具有對芯片及電連接的物理保護、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格標準化等多種功能。非氣密性樹脂封裝技術(shù)一、單芯片封裝 單芯片封裝分氣密性封裝型和非氣密性封裝型兩大類：前者包括金屬外殼封接型、玻璃封接型(陶瓷蓋板或金屬蓋板)、釬焊(Au/Sn共晶焊料)封接型；后者包括傳遞模注塑封型、液態(tài)樹脂封裝型、樹脂塊封裝型等。其中傳遞模注塑封法價格便宜，便于大批量生產(chǎn)，目前采用最為普遍。傳遞模注塑封技術(shù)a.模注樹脂成分及特性 樹脂通常是指受熱后有軟化或熔融范圍，軟化時在外力作用下有流動傾向，常溫下是固態(tài)、半固態(tài)，有

4、時也可以是液態(tài)的有機聚合物。廣義地講，可以作為塑料制品加工原料的任何聚合物都稱為樹脂。 樹脂有天然樹脂和合成樹脂之分。天然樹脂是指由自然界中動植物分泌物所得的有機物質(zhì)，如松香、琥珀、蟲膠等。合成樹脂是指由簡單有機物經(jīng)化學合成或某些天然產(chǎn)物經(jīng)化學反應(yīng)而得到的樹脂產(chǎn)物。 按樹脂分子主鏈組成分類 :按此方法可將樹脂分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物。 碳鏈聚合物是指主鏈全由碳原子構(gòu)成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。 雜鏈聚合物是指主鏈由碳和氧、氮、硫等兩種以上元素的原子所構(gòu)成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。 元素有機聚合物是指主鏈上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、鋁、鈦、硼、硫、磷等元素

5、的原子構(gòu)成，如有機硅。ex:環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團為其特征，環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團，使它們可交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。 傳遞模注樹脂封裝的可靠性取決于模注樹脂的可靠性。標準模注樹脂的組成，按其配比質(zhì)量分數(shù)，從高到低依次為填充料(filler)(約70%),環(huán)氧樹脂(約18%以下)，固化劑(約9%以下)等。填充料的主要成分是二氧化硅。晶態(tài)二氧化硅 有利于提高模注樹脂的導熱性，熔凝態(tài)(非晶)二氧化硅有利于降低模注樹脂的熱膨脹系數(shù)

6、及吸濕性。圖中可見隨熔凝二氧化硅含量的增加，封裝樹脂熱膨脹系數(shù)降低最多，從而對模注塑封中的熱應(yīng)力緩和更為有效。環(huán)氧樹脂的組成，一般都采用甲酚-酚醛系(C6H3OHCH2n)。環(huán)氧樹脂具有保護芯片、使其于外部氣體隔絕，確保成形時的流動性外，還對模注樹脂的機械、電氣、熱等基本特性起決定性作用。固化劑的主要成分為苯酚-酚醛系樹脂，其與環(huán)氧樹脂一起對成形時的流動性及樹脂特性起作用。此外，模注樹脂中還含有如下成分：促進固化反應(yīng)的固化促進劑(觸媒)；樹脂在注模內(nèi)固化后，為使其便于取出的脫模劑；為阻止燃燒，滿足阻燃特性規(guī)定的阻燃劑；以黑色炭粉及各種顏料進行著色的著色劑等。b.傳遞模注工藝過程先將模具預熱，將

7、經(jīng)過微互連的芯片框架插入上下模具中，上模具下降，將芯片框架固定。注塑壓頭按設(shè)定程序下降，樹脂料餅經(jīng)預加熱器加熱，粘度下降，在注塑壓頭壓力作用下，由料筒經(jīng)流道，通過澆口分配器進入澆口，最后注入到型腔中。注入中不加壓力，待封裝樹脂基本上填滿每個型腔之后再加壓力。在加壓狀態(tài)下保持數(shù)分鐘，樹脂聚合而硬化。上模具提升，取出模注好的封裝體。切除流道、澆口等不必要的樹脂部分。此時樹脂聚合仍不充分，特性也不穩(wěn)定，需要在160180攝氏度經(jīng)數(shù)小時的高溫加熱，使聚合反應(yīng)完結(jié)。由于模注時樹脂可能從模具的微細間隙流出，故最后還要利用高壓水及介質(zhì)(玻璃粉等)的沖擊力，使殘留在外引腳表面的樹脂溢料(又稱毛邊、飛邊等)剝離

8、。外引腳經(jīng)過電鍍焊料或電鍍Sn等處理，以改善引腳的耐蝕性及微互連時焊料與它的浸潤性。至此，傳遞模注封裝全部完成。 問題1：隨著芯片封裝規(guī)模及相應(yīng)模具的大型化，往往會發(fā)生樹脂注入型腔的不均勻化問題。從樹脂注入每個型腔的過程看，離注塑壓頭遠的型腔注入樹脂前，離注塑壓頭近的型腔中樹脂已開始硬化；離注塑壓頭遠的型腔填充完畢開始增加注入壓力時，離注塑壓頭近的型腔中的樹脂已經(jīng)硬化，殘留的氣體會產(chǎn)生氣孔或氣泡。 解決方法是采用多個注塑壓頭，以保證樹脂在每個型腔內(nèi)處于均衡的流入狀態(tài)。 問題2：一般的模注采用下澆口注入樹脂，這在芯片和封裝尺寸較小時沒有問題，但隨著芯片和封裝尺寸變大，離澆口遠的封裝上部，往往出現(xiàn)

9、樹脂未填充的部分。 解決方法是通過將澆口設(shè)置在封裝中部，保證注入樹脂在型腔內(nèi)芯片的上面、下面均衡流動，從而避免樹脂未填充問題。c.模注樹脂流速及粘度對Au絲偏移(沖絲)的影響 封裝樹脂在型腔內(nèi)流動會造成微互連Au絲的偏移(沖絲)。為了減小Au絲偏移，應(yīng)降低封裝樹脂的粘度，并控制封裝樹脂盡量緩慢的在型腔內(nèi)流動。二、多芯片封裝 MCM封裝也可按其氣密性等級，分為氣密封裝和非氣密封裝兩大類。非氣密封裝的代表是樹脂封裝法，依樹脂的加入方式不同，進一步還可分為注型(casting)法、浸漬(dipping)法、滴灌(potting)法及流動浸漬法(粉體涂裝法)等；氣密性封裝包括低熔點玻璃封接法、釬焊封接

10、法、縫焊封接法及激光熔焊法等。 封裝可靠性與其價格具有明顯的關(guān)系，可靠性越高則封裝價格越貴。樹脂封裝價格低，但從可靠性角度，特別是耐濕性存在問題，對于可靠性要求高的大型電子計算機等領(lǐng)域，必須采用氣密性封裝。采用釬焊密封法，可以做到完全的氣密性封接，金屬性腔體內(nèi)還可封入氦氣、氮氣等非活性氣體。但這種方法存在焊料與多層布線板上導體層之間的擴散問題，若在高溫環(huán)境下使用，則耐熱性及長期使用的可靠性都不能保證。對可靠性有更高要求的應(yīng)用，需采用熔焊法。其中之一是縫焊封接(seamweld),但現(xiàn)有縫焊焊機的功率有限，只能焊比較薄(厚度約0.15mm)的金屬蓋板，不能用于大型MCM。為了能對大型MCM中采用

11、比較厚(0.250.5mm)的金屬蓋板進行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。采用縫焊封接時，先用環(huán)氧樹脂及焊料等粘結(jié)劑，將陶瓷布線板支持固定在金屬外殼中，而粘結(jié)劑在散熱性及耐機械沖擊性等方面都存在問題。為解決這些問題，可以在陶瓷布線板上，通過銀漿料，粘結(jié)固定與布線板熱膨脹系數(shù)基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封環(huán)，并作為激光熔焊時的金屬基體。耐濕性試驗： 為了比較各種封裝方法的可靠性，一般以耐濕性為代表，耐濕性試驗最常使用壓力鍋試驗。 近30年前的DIP封裝(傳遞模注塑封法)，由于塑封材料耐濕性差，在121攝氏度，202kPa的壓力鍋中，只能維持70h左右；隨著塑封材料耐濕性的逐步改善，目前的

12、可靠性已達200h.對MCM封裝，大多數(shù)塑封MCM，例如滴灌法COB(chip on board)、流動浸漬法的SMT模塊、浸漬法、注型法等制作的HIC，僅能維持小于70h的可靠性；而氣密性MCM封裝，幾乎能維持無限長時間，顯示出高可靠性。 無論是非氣密樹脂封裝，還是其他幾種氣密性封裝，都具有各自優(yōu)勢，但從可靠性比較，氣密封裝明顯優(yōu)于非氣密封裝。a.非氣密多芯片樹脂封裝技術(shù) 常用于MCM的非氣密性樹脂封裝法，一般是采用環(huán)氧樹脂、塑料、硅樹脂等有機樹脂，覆蓋在微互連于多層布線板之上的半導體芯片上，使其與外界隔絕。覆蓋樹脂的方法有以下五種。涂布(coating)法用筆或毛刷等蘸取環(huán)氧樹脂或硅樹脂，

13、直接在半導體芯片及片式元件上涂布，經(jīng)加熱固化完成封裝。用于這種方法的涂布樹脂粘度要適中略低。滴灌(potting)法又稱滴下法。用注射器及布液器將粘度比較低的環(huán)氧樹脂、硅樹脂等液態(tài)樹脂滴灌在微互連于多層布線板之上的半導體芯片上，經(jīng)加熱固化完成封裝。浸漬(dipping)法將完成微互連的MCM浸入裝滿環(huán)氧樹脂或酚樹脂液體的浴槽中，浸漬一定時間后向上提拉，經(jīng)加熱固化完成封裝。此方法要搭配掩模等方法避免樹脂在不需要的部位上附著。注型(casting)法 又稱模注法。將完成微互連的MCM置入比其尺寸略大的模具或樹脂盒中，在它們的間隙中注入環(huán)氧樹脂或酚樹脂等液體樹脂，經(jīng)加熱固化完成封裝。流動浸漬法 又稱

14、粉體涂裝法。將完成微互連的多層布線板在預加熱的狀態(tài)，浸入裝滿環(huán)氧樹脂與氧化硅粉末的混合粉體中，并處于流動狀態(tài)的流動浴槽中，浸漬一段時間，待粉體附著達一定厚度后，經(jīng)加熱固化完成封裝。 在對樹脂封裝進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)重點考慮耐濕性和減小內(nèi)應(yīng)力這兩個問題。對于前者應(yīng)減少可能漏氣的環(huán)節(jié)，加強從外氣到半導體元件的密封措施；對于后者應(yīng)正確把握封裝樹脂熱膨脹系數(shù)、填充量等的關(guān)系，減少容易發(fā)生應(yīng)力集中的環(huán)節(jié)等。在有些情況下，可以采用從里到外三層樹脂封裝的結(jié)構(gòu)，靠近芯片為一層柔軟層，中間為一層緩沖層，外部為一層致密層。這樣既可提高耐濕性，又可減小內(nèi)應(yīng)力。 以上幾種方法都屬于樹脂封裝，不可避免都會浸入一定程度的濕

15、氣，導致可靠性也短，一般只有23年的保質(zhì)時間；封裝之后，當發(fā)現(xiàn)不合格或出現(xiàn)故障，需要剝離樹脂，找出不合格芯片，但剝離液對正常芯片會產(chǎn)生影響，因此，出現(xiàn)故障的塑封元件一般以廢品處理。這些方法適合于規(guī)模較小，價格比較低的一般民用器件。b.樹脂封裝中濕氣侵入路徑及防止措施 樹脂材料作為有機物，都或多或少存在耐濕性較差的問題。樹脂封裝中濕氣的來源主要有三條：一是樹脂自身的吸濕性；二是樹脂自身的透水性；三是通過樹脂與多層布線板之間的間隙，以及通過封裝與MCM引腳之間的間隙發(fā)生滲漏。液態(tài)樹脂的固化條件(溫度和時間)對吸水性、透水性有決定性的影響，必須嚴格保證。還要注意樹脂的保質(zhì)期及冷藏保管，使用前要進行脫

16、泡處理，嚴禁粉塵和氣泡混入。經(jīng)生產(chǎn)廠家多年努力，樹脂的吸水性和透水性已明顯改善。關(guān)于密封性，不單單取決于樹脂材料，還取決于引腳的表面狀態(tài)，以及樹脂材料同氧化鋁陶瓷多層布線板等基體材料的匹配情況。對于耐濕性良好而密封性不太理想的樹脂，可以通過增加基體材料表面粗糙度的方法，增加整體的密封性。樹脂封裝法中，芯片周圍包圍的樹脂材料越多、有效隔離長度越長、耐濕性越好。但另一方面，隨著封裝樹脂量的增加及樹脂中內(nèi)應(yīng)力的增加，會造成陶瓷布線板發(fā)生翹曲，致使芯片布線板上搭載的芯片部件剝離、引起WB電氣連接破壞、造成布線板上膜電阻出現(xiàn)裂紋等。故應(yīng)正確把握樹脂填充量、有效絕緣長度、內(nèi)應(yīng)力等因素的關(guān)系。熱膨脹系數(shù)是否

17、匹配為內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的重要起因之一。應(yīng)通過改進樹脂添加成分，使樹脂與電路材料熱膨脹系數(shù)盡量匹配。c.樹脂未填充起因及解決辦法由于模具溫度過高，預熱后的塑封料在高溫下反應(yīng)加快，會造成型腔還未充滿時，塑封料粘度急劇上升，流動阻力增大，注塑壓力無法傳遞，形成有趨向性的未填充。這種現(xiàn)象在大體積電路中容易出現(xiàn)，因為其每模塑封料用量較多，為使塑封料在短時間內(nèi)受熱均勻，設(shè)定的模溫一般較高。 有趨向性未填充主要是塑封料流動不充分引起的，可采用提高塑封料預熱溫度和增加注塑速度使塑封料流動加快，同時降低模具溫度，減緩反應(yīng)速度，可以使流動時間延長，填充更充分。由于模具的澆口堵塞，使塑封料無法注入，以及排氣口堵塞造成型腔

18、氣體殘留，從而阻礙了型腔的填充。這種未填充在型腔位置分布上無規(guī)律性，小體積電路出現(xiàn)的幾率較高，因為小型封裝的澆口、排氣口相對較小而容易引起堵塞。 對于澆口和排氣口的堵塞，可用工具刮去堵塞物并涂上脫模劑，每模封裝后，用氣槍和刷子清掃模具。d.沖絲 塑封料在注塑成形時是有粘度的運動流體，因此具有一定的沖力。沖力作用在金絲上，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況下金絲沖斷，這就是所謂的沖絲。 沖絲是塑封產(chǎn)品的一個通病，無法完全消除，它必須借助專用的X射線儀才能觀察到，在生產(chǎn)中無法做到全檢，一般只做少量的抽檢。如何通過抽檢來判斷沖絲程度就非常重要了。a/b越大，沖絲程度越嚴重；當a/b20%時可判為不良品；a/b

19、12%15%時，必須引起重視并進行調(diào)整；a/b10%時，情況較好。一般來說，塑封料粘度越大，速度越快，對鍵合絲的沖擊角度越接近于90度，沖力越大。氣密性封裝技術(shù)a.釬焊氣密封接技術(shù) 釬焊氣密封接是通過釬焊將金屬外殼固定在多層布線板上，將IC芯片與外氣絕緣。為了利用釬焊實現(xiàn)氣密封接的目的，要求焊料與被釬焊材料之間具有良好的浸潤性。通常采用Sn63/Pb37焊料。 為了釬焊金屬封裝外殼，需要在多層布線板表面的四周，形成與外殼相匹配、用于釬焊連接的導體圖形。該導體圖形與焊料間應(yīng)有良好的浸潤性，且與焊料的互擴散盡量小。一般是通過厚膜法，采用Cu漿料印刷。對于氧化鋁陶瓷多層共燒基板來說，一般在W導體層上

20、電鍍Ni/Au層，以達到良好的浸潤性。 金屬外殼與多層布線板的熱膨脹系數(shù)一般是不同的，因此對氧化鋁布線板來說，最好選用可伐合金外殼。但可伐合金與焊料間的浸潤性不好，通常金屬外殼也需要電鍍Ni/Au或Sn，以改善其浸潤性?？煞ズ辖穑↘ovar）:本合金含鎳29%，鈷17%的鐵基封接合金。該合金在20450范圍內(nèi)具有與陶瓷相近的熱膨脹系數(shù)，和相應(yīng)的陶瓷能進行有效封接匹配，此容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，廣泛用于制作電真空元件，發(fā)射管，顯像管，開關(guān)管，晶體管以及密封插頭和繼電器外殼等。用可伐合金對工件進行封接 時，一般工件表面要求鍍金。 釬焊封接時，將金屬外殼扣在預釬焊的封接圖形上，在大

21、約240攝氏度下進行回流焊，此時外殼內(nèi)的空氣會膨脹，因此需要在金屬外殼上制作空氣向外逃逸用的小孔，而后，在氦氣或氮氣等非活性氣氛中，用共晶焊料對小孔進行封接。 釬焊封接的金屬外殼封裝便于分解、重裝，一般可保證在10次以上。因此，這種封接可用做通常氣密性封裝后半導體元件的初期不良品篩選。 釬焊封接中采用助焊劑，焊接過程中產(chǎn)生殘渣，清洗助焊劑的三氯乙烷等有機清洗劑破壞臭氧層，不利于環(huán)保。b.激光熔焊封接技術(shù) 激光熔焊適用于大型MCM及外形復雜的MCM，并能保證高可靠性。 其工藝過程如下：先在多層布線板的設(shè)定位置上，由Ag焊料固定作為熔焊金屬基體的焊接環(huán)，將金屬外殼扣在焊接環(huán)上，使兩者處于緊密接觸狀

22、態(tài)，用激光束照射密接部位，焊接環(huán)及與其密接部位的外殼金屬同時熔化，經(jīng)冷卻完成氣密封接。由于相同金屬間便于熔焊，一般情況下焊接環(huán)與外殼都采用可伐合金。 激光熔焊封接法僅使焊接環(huán)與金屬外殼間需要密封連接的部位瞬時達到高溫再冷卻。不像焊料封接那樣，需要使多層布線板達到高溫，因此，不必考慮金屬外殼內(nèi)部空氣的膨脹問題，不需要在金屬外殼上設(shè)置氣孔。激光熔焊法可以在非活性氣氛封接箱內(nèi)完成氣密性封接。 對熔焊封接外殼進行拆卸、重裝是比較困難的，一般采取的是拆卸、重裝焊接環(huán)的方式。因此，焊接環(huán)的高度一般保持在0.75mm以上，在每一次拆卸、重裝過程中，焊接環(huán)需要研磨掉約100200 的高度，總共可進行23次返修

23、、重裝操作。 與釬焊封接法相比，激光熔焊法允許的拆卸、返修次數(shù)少，故在正式封裝前，需要對半導體元件進行老化篩選，以去除初期不良的器件。 將無Pb的激光熔焊封接技術(shù)和無鉛的芯片微互連技術(shù)相結(jié)合，就可以在完全不必采用Sn-Pb系焊料，實現(xiàn)封裝的真正無無鉛化。常見封裝形式及性能 表面貼裝元器件的發(fā)展導致了安裝方式從通孔插裝到表面貼裝的變化。相應(yīng)的元器件封裝形式也發(fā)生了變化。To封裝 To封裝是混合微電路最早的封裝形式之一。有罐形、碟形、兩面形、平臺形等外殼。To封裝最初被用作上面有厚膜電阻、電容、芯片-線焊半導體器件的多層陶瓷基板的封裝外殼。To99是低矮款式的To5封裝，其常用于封裝中等復雜程度的

24、單層基片電路。 To形式的封裝成本最低，且封裝合格率較好，在半導體工業(yè)界曾廣泛使用。DIP封裝(dual in-line package,雙列直插封裝) 上世紀70年代開始流行DIP，其針腳分布于兩側(cè)，且呈直線平行布置，直插入印制線路板，以實現(xiàn)機械固定和電氣連接。a.DIP封裝比To封裝易于對基板布線，操作方便b.DIP引腳數(shù)一般不超過100個c.DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：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等。d.以采用40根I/O引腳塑料包封雙列直插式(PDIP)的CPU為例，芯片面積/封裝面積=1:86。所以，這種封裝效率很低，占去了很多有效安裝面積。e. 很

25、多中小規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，現(xiàn)在一些主板的BIOS芯片還采取這種封裝形式。Intel公司在這段時間推出的CPU如8086，80286都采用PDIP封裝。衡量芯片封裝技術(shù)先進與否的一個重要指標是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近1越好。PGA(Pin grid array package,針柵陣列插入式封裝) 此封裝形式是在DIP的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)高速度、多針腳化(提高端子密度)而出現(xiàn)的。針腳不是單排或雙排，而是在整個平面呈柵陣排布。a. 與DIP相比，在不增加針腳間距的情況下，可以按近似平方的關(guān)系提高針腳數(shù)。若采用導熱性良好的陶瓷基板，還可以適應(yīng)高速度、大功率器件的要求。 b. 這種

26、封裝具有向外伸出的針腳，一般采用插入式實裝而不宜采用表面實裝，采用陶瓷基板，價格相對較高。芯片載體封裝 上世紀80年代出現(xiàn)了芯片載體封裝，其中有陶瓷無引線芯片載體LCCC(Leadless ceramic chip carrier),塑料無引線芯片載體PLCC(Plastic Leadless Chip Carrier),小尺寸封裝SOP(Small Outline Package),塑料四邊扁平封裝PQFP(Plastic Quad Flat Package)等。a. 芯片載體封裝適合用表面安裝技術(shù)在基板上安裝布線。b. 封裝外形尺寸小，寄生參數(shù)小，可靠性進一步提高，適合高頻應(yīng)用。c.以20

27、8根I/O引腳的QFP封裝的CPU為例，外形尺寸28mm*28mm,芯片尺寸10mm*10mm，則芯片面積/封裝面積=1：7.8。d. 在此期間，Intel公司的CPU如80386就采用塑料四邊引出扁平封裝PQFP QFP由SOP發(fā)展而來，其外形呈扁平狀，鳥翼形引線端子的一端由PKG的四個側(cè)面引出，另一端沿四邊布置在同一平面上。由QFP派生出LCCC、PLCC以及TCP等。e.QFP實裝在基板上不是靠針腳插入通孔中，而是采用SMT方式，即通過焊料等粘附在基板表面相應(yīng)的電路圖形上。因此，基板兩面可以形成不同的電路，采用整體回流焊等方式使兩面上搭載的全部元器件一次鍵合完成，便于自動化操作，可靠性也

28、有保證，是目前最常采用的PKG形式。f. 由于QFP的引線端子四周邊布置，且伸出PKG之外，若引線間距過窄，引線過細，則端子更為柔嫩，難免制造及實裝過程中造成變形。當端子數(shù)超過幾百個，端子間距等于或小于0.3mm時，要精確的搭載在電路圖形上并與其它元件一起采用再流焊一次完成，難度極大，需采用專用搭載機，致使封裝價格劇增。BGA(ball grid array,球柵陣列封裝) 上世紀90年代，隨著集成技術(shù)的進步，LSI、VLSI、ULSI相繼出現(xiàn)，硅單芯片集成度不斷提高，I/O引腳數(shù)急劇增大，功耗隨之增大，對集成電路封裝要求更加嚴格。 BGA最早由摩托羅拉公司開發(fā)，曾稱為bump grid ar

29、ray.它實際是在PGA和QFP的基礎(chǔ)上發(fā)展而來：取前者端子平面陣列布置，將插入式的針腳改換成鍵合用的微球；取后者可采用SMT等由一次回流焊完成實裝等優(yōu)點。目前，從形式上看BGA主要有下面幾種類型：PBGA(Plastic ball grid array),以印制線路板為封裝基板的BGA；CBGA(Ceramic ball grid array),以陶瓷基板為封裝基板的BGA；TBGA(Tape ball grid array),帶載BGA；SBGA(Super ball grid array),以覆銅基板為封裝基板的BGA。 最早開發(fā)并推廣應(yīng)用的BGA形式為PBGA。所謂PBGA是把PGA的

30、針腳端子變成便于表面實裝的球形端子，封裝基板不采用高價的陶瓷，而采用價格便宜、跟印制電路板相同的、加入玻璃纖維的環(huán)氧樹脂基板，芯片電極與封裝基板布線的連接一般采用WB方式，BGA與實裝基板的連接采用回流焊的方式。 按封裝基板的層數(shù)，PBGA又有單層和多層之分，后者有EBGA(enhanced BGA)、ABGA(advanced BGA)等之分，但結(jié)構(gòu)大同小異，芯片采用電極面朝下方式，芯片背面粘附散熱板，有利于高頻信號的傳輸，熱阻小，基板及封裝設(shè)計的自由度大。 第二種BGA形式為TBGA，它可以進一步的實現(xiàn)多端子化和小型化。它采用便于封裝基板布線圖形微細化及半導體芯片鍵合焊盤微細化的TCP(T

31、AB)技術(shù)。TBGA具有薄型，低熱阻，有利于高頻信號傳輸，便于更精細布線，適合多端子封裝等優(yōu)點。 還有一種BGA形式為FCBGA(flip chip BGA)，即倒裝芯片BGA，主要適應(yīng)1000引腳以上的多端子封裝。a. BGA的I/O引腳雖然繼續(xù)增多(400引腳以上并不困難)，但引腳間距大于QFP，提高了組裝成品率；b. BGA厚度比QFP減少1/2以上，重量輕3/4以上；c. 寄生參數(shù)小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；d. 現(xiàn)在的BGA，從技術(shù)上看正向兩級化領(lǐng)域發(fā)展，一極以滿足多功能、高性能的電子設(shè)備為主要目標，以多引腳、高速化為其主要特征；另一極以滿足多功能、小型化、便攜式的電子設(shè)備

32、為主要目標，以小型化為其主要特征。e. 仍與QFP一樣，BGA占用基板面積還是較大；Tessera公司在BGA基礎(chǔ)上做了改進，研制出一種 封裝技術(shù)，芯片面積/封裝面積=1：4。 BGA一經(jīng)出現(xiàn)，便成為CPU，南北橋芯片封裝的最佳選擇。典型的如Pentium采用陶瓷球柵陣列封裝CBGA,并在外殼上安裝微型排風扇散熱，從而達到電路的可靠穩(wěn)定工作。 開發(fā)BGA最早，最積極的是美國的公司。日本一些大公司曾想依靠其高超的操作技能固守QFP不放，但由于BGA具有與電路圖形自對準功能、所占實裝面積小、對端子間距要求不苛刻、便于實現(xiàn)高密度封裝等優(yōu)點，日本各大電子公司后起直追，投入相當大力量開發(fā)各種類型的BGA

33、。由于CSP的開發(fā)成功，日本在超小型封裝方面后來居上。 雖然BGA封裝價格比QFP高，但由于實裝可靠(日本微機廠商主板中采用的200端子PBGA，實裝不合格率僅為百萬分之六)，因?qū)嵮b不良造成的返修價格幾乎為零，按總的封裝價格相比，BGA占優(yōu)勢。CSP(chip size package,芯片尺寸封裝) 1996年可以稱為CSP封裝元年，當年CSP技術(shù)的公開發(fā)表在電子封裝工程的發(fā)展史上具有劃時代的意義。這種封裝與半導體芯片尺寸幾乎同樣大小。如三菱電氣研制的CSP芯片面積/封裝面積=1：1.1。 CSP具有各種各樣的結(jié)構(gòu)，并不是一種新的封裝類型。但CSP應(yīng)具有下述特征：1) CSP就是與芯片尺寸等

34、同或略大的封裝的總稱。2) 就封裝形式而論，屬于已有封裝形式的派生品，因此可 以按現(xiàn)有封裝形式來分類，如BGA型，LGA型，SON型等。3) 從1996年起，CSP逐漸向便攜式信息電子設(shè)備推廣，其標準化、一次回流焊特性及價格等與QFP不相上下。4) 目前的CSP，不僅從外觀，而且從內(nèi)部連接方式上都有多種不同結(jié)構(gòu)。各大電子公司為了在包括低檔產(chǎn)品在內(nèi)的一般便攜式信息設(shè)備中實現(xiàn)超高密度化，都在積極開發(fā)極限超小型封裝，CSP發(fā)展極為迅速，各種新型的CSP結(jié)構(gòu)會不斷出現(xiàn)。 關(guān)于CSP的類型，日本電子機械工業(yè)協(xié)會(EIAJ)打算按CSP外形分為平面陣列端子型和周邊布置端子型兩大類。 在平面陣列端子型CSP

35、中，目前世界上開發(fā)、應(yīng)用最廣泛的是FBGA或稱FLGA。EIAJ正在對端子間距小于0.8mm,外形尺寸421mm的這種超小型封裝進行標準化。 CSP封裝現(xiàn)已用于內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品，如數(shù)字電視、手機芯片、藍牙等新型產(chǎn)品中。HIC失效類型及原因 為了生產(chǎn)可靠的混合微電路且具有高的成品率，對發(fā)生的任何失效都必須進行分析，找出原因，進行工藝改進，防止失效再次發(fā)生。 混合微電路中的失效可以歸結(jié)為以下六類原因中的一個或多個：器件、線焊、芯片貼裝、基片、封裝、玷污。 由美國羅姆航空發(fā)展中心搜集的數(shù)據(jù)表明，有缺陷的有源器件、邊緣質(zhì)量的線焊和玷污是造成失效的主要原因。專題：金屬互連電遷移可靠性問題研究 電遷移

36、現(xiàn)象是由于在電流作用下金屬中的原子定向遷移所致，是金屬互連中的原子受到運動電子作用引起的物質(zhì)輸運現(xiàn)象。圖1 電遷移作用下金屬原子受力圖SEM下Al電遷移損傷形貌 產(chǎn)生電遷移失效的內(nèi)因，是薄膜導體內(nèi)結(jié)構(gòu)的非均勻性，外因是電流密度。(b)晶界三相點由電遷移而引起的鋁導體的平均失效時間由black方程預測： MTTF=A* A為比例常數(shù)，J是電流密度，n是電流密度指數(shù)， 是電遷移失效活化能。電遷移傳統(tǒng)表征參量：1）1968年，Rosenberg和Berenbau首次提出通過電阻測量研究電遷移過程 。 優(yōu)點：方法簡單，直觀明了。 缺點：需要較強的應(yīng)力與較長的應(yīng)力作 用時間；實驗對樣品具有不可逆的破壞性

37、；電阻測量對溫度控制要求較高。2）1976年，Celasce等人提出可通過噪聲測量來研究電遷移 。Simoen等人通過老化試驗得出經(jīng)驗公式： 其中， 為樣品失效時間； 為與電遷移相關(guān)的 噪聲電壓的均方值。Feng等人指出 噪聲與互連的普適電導波動（universal conductance fluctuation）密切相關(guān) 。Satoshi等人認為 噪聲對溫度的反應(yīng)比電阻更加敏感，他們測得鋁互連中 噪聲與溫度的關(guān)系,最低已可測至11k的溫度 。Cottle等人指出 噪聲與電遷移關(guān)系密切,激活能值的不同反映了不同的電遷移機制 。老化實驗結(jié)果分析及機理探討電遷移空位聚集階段的電阻變化 （a） （b）圖1 電遷移過程中的電阻突變 （a）Doan實驗結(jié)果 引自Ref.13