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李彥林丑晨甘雨田

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院）

摘要：

電子封裝是將裸IC硅片用塑料包起來保護好并制作好外部引腳。外引線越來越多是微電子封裝的一大特點，當然也是難點，引腳間距越小，再流焊時焊料難以穩(wěn)定供給，故障率很高。多引腳封裝是今后的主流，所以在微電子封裝的技術要求上應盡量適應多引腳。但芯片的封裝都是有一定規(guī)范的，假如每家封裝廠都執(zhí)行各自的標準顯然芯片的通用性會大打折扣，也不可能造就半導體產業(yè)的繁榮。鑒于此，本文對不同電子封裝技術問題展開討論，分析電子封裝技術存在的問題，設計具體改進方案，提高產品的可靠性，降低制造成本和安全風險。以期為微電子封裝技術標準化生產提供借鑒和指導。

引 言

微電子封裝是將一個或多個集成電路和倒裝芯片鍵合連接，使之成為有實用功能的電子元器件或組件。本文探究對微電子封裝技術的安全可靠性，通過技術攻關，攻克高密度窄間距小焊盤銅線鍵合工藝關鍵技術難題，提升銅線替代金線在小焊盤、窄間距 IC 芯片封裝領域的工藝水平，促進企業(yè)技術創(chuàng)新和產品的自主開發(fā)能力，縮小與國外封裝技術的差距，提升產品質量和標準化水平。

1微電子封裝技術和現(xiàn)狀

電子封裝技術涉及眾多學科，涉及材料學、電磁學、熱管理、微納制造、電子器件等專業(yè)。隨著微電子封裝科學工作者對三維集成電路的研發(fā)逐步深入，電子封裝正在從傳統(tǒng)制造模式，向系統(tǒng)封裝 (SOP - System On Package /SiP - System in Package)、三維封裝 (3D Packaging) 模式轉變，系統(tǒng)封裝先進封裝技術已經開始走向市場。而電子技術發(fā)展迅速，更新?lián)Q代極快，三維封裝 (3D Packaging) 目前尚無具體的國家技術標準，電子封裝技術多采用國外研究的機構技術標準。封裝的形式多種多樣，以最普通的雙列直插（DIP，dual in-line package）舉例，DIP8 表示有8 個引腳，引腳的長度、間距、寬度等等都有嚴格的標準去執(zhí)行，封裝廠只會按照這個標準來執(zhí)行，假如現(xiàn)在裸片只有 7 個 PAD 怎么辦？當然還是要用 DIP8，只是一個引腳懸空，當然不可能隨意的設計引腳個數(shù)，半導體產業(yè)各個方面都有標準，“無規(guī)矩不成方圓”，微電子封裝技術從“原始生長”到“成熟發(fā)展”需要進行有機的規(guī)范。通過完善微電子封裝技術相關標準，消除不同品牌的微電子封裝技術硬件設備所采集的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)質量存在差異，推動信息的流動和共享，消除數(shù)據(jù)孤島成為新型微電子封裝技術發(fā)展創(chuàng)新的迫切需求。

1.1 新型微電子封裝技術

根據(jù)中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫標準的要求 , 《微電子技術用貴金屬漿料規(guī)范 (GB/T 17472-2008)》原標準適用范圍，由厚膜微電子技術用貴金屬漿料擴大至燒結型及固化型微電子技術用貴金屬漿料；更注重漿料可焊性、耐焊性。 一般說來，微電子封裝分為三級，包含組裝和封裝的多項內容。微電子封裝所包含的范圍應包括單芯片封裝 (SCP) 設計和制造、多芯片封裝 (MCM) 設計和制造、芯片后封裝工藝、各種封裝基板設計和制造、芯片互連與組裝、封裝總體電性能、機械性能、熱性能和可靠性設計、封裝材料、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項內容。

1.2 新型微電子封裝技術主要包括以下幾種

發(fā)展微電子封裝技術，旨在使系統(tǒng)向小型化、高性能、高可靠性和低成本目標努力，從技術發(fā)展觀點來看，作為微電子封裝的關鍵技術主要有：（1）3D 封裝，在 2D封裝的基礎上，把多個裸芯片、封裝芯片、多芯片組件甚至圓片進行疊層互連，構成立體封裝，這種結構稱作疊層型 3D 封裝（2） 焊球陣列封裝（BGA）：陣列封裝（BGA）以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，從而提高了組裝成品率。組裝可用共面焊接，可靠性高；（3） 芯片尺寸封裝（CSP）是芯片級封裝的意思。CSP 封裝可以讓芯片面積與封裝面積之比超過 1:1.14，已經相當接近 1:1的理想情況。與 BGA 封裝相比，同等空間下 CSP 封裝可以將存儲容量提高三倍；（4） 系統(tǒng)封裝（SIP）即通過封裝來實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。

2微電子三維 (3D) 封裝技術問題分析

2.1 應用范圍不夠廣泛

從微電子封裝技術的材料可以看出，IC 芯片將向小型化、高性能并滿足環(huán)保要求的方向發(fā)展。微電子封裝技術應用范圍不夠廣泛 , 在過去幾年中已通用的高于 208 個管腳、256 個管腳、304 個管腳，間距 0.5mm 款式、包括間距 0.4mm 款式 QFPs，其 QFPs 材料多為塑料和陶瓷殼體，通常各類塑料型器件適合于較高的引線數(shù)。

2.2 傳統(tǒng)銅線鍵合工藝問題

由于傳統(tǒng)銅線鍵合工藝的極限能力為芯片焊盤尺寸≥ 50μm×50μm、焊盤間距≥ 60μm，對此尺寸以下的芯片只能采用金線工藝，而在研究過程中，要實現(xiàn)此金線工藝被合理替代，必須解決小焊點、窄間距銅線鍵合所面臨的以下問題：

第一：銅線鍵合空氣球防氧化技術；

第二：防止銅線鍵合焊盤損傷和對“鋁飛濺”控制鍵合技術；

第三：第二焊點鍵合強度的研究；

第四：銅線鍵合防裂紋和彈坑技術。

隨著 QFP 封裝引線數(shù)的增加，其殼體尺寸急劇地增加，可以替代封裝尺寸增加的是更進一步縮減引線間距。因此，要對高密度窄間距封裝技術進行研發(fā)與技術改進。

3具體改進方案

為了解決微電子三維 (3D) 封裝技術方面的問題，我們制定了以下方案：芯片焊盤尺寸為 38μm×38μm，焊點間距為 43μm 的芯片；焊線材料：普通銅線，直徑為0.7mil。開展不同保護氣體中空氣球尺寸的穩(wěn)定性研究。

3.1 技術路線方案論證

3.1.1 技術路線

前期調研、規(guī)劃→確定工藝流程→關鍵技術攻關→工程批試驗→可靠性考核→風險批試生產→小批量生產→轉入量產。

3.1.2 技術方案

為了解決以上問題，我們制定了以下二種方案：

A. 方案一

（1）銅線鍵合空氣球防氧化研究

在氫氮混合保護氣體（流量：0.4 ～0.7L/min）下，隨機抽取 1000 個空氣球對比結果如下：在 N2+H2 保護氣體條件下，0.7mil 普通銅線燒球有 20.03% 的空氣球表面有氧化和桃形球，非對稱球、凹凸球、孔洞球等球形不良比例達到 40% 左右。

（2）第一焊點研究實驗

第 一 焊 點 研 究 實 驗 結 果 為 ： 在 焊 盤 尺 寸 為38μm×38μm、焊點間距為 43μm 的芯片上進行銅線鍵合試驗，球形不良（高爾夫球）占 57%，鍵合強度（不粘和失鋁）不滿足質量要求占 6.77%；圖 1 隨機抽取 1000個空氣球質量分析 . 球形不良（0.1%）合格（99.9%）。

B. 方案二

芯片焊盤尺寸為 38μm×38μm，焊點間距為 43μm的芯片；

焊線材料：鍍鈀銅線（Pd coat Cu Wire），線徑為0.7mil

（1）銅線鍵合空氣球防氧化研究

通過對不同保護氣體中空氣球尺寸的穩(wěn)定性、不同保護裝置（Kit）中空氣球形狀的穩(wěn)定性、保護氣體流量（Froming Gas）對空氣球影響的研究，達到了銅線鍵合工藝標準。

（2）第一焊點研究實驗

選擇配套設備和匹配的劈刀型號，對鍵合工藝參數(shù)進行研究，通過對功率、沖擊力、X/Y 方向摩擦力、旋轉摩擦力等參數(shù)進行優(yōu)化試驗，最終確定了一組較為理想的工藝參數(shù)。另外，聯(lián)合芯片商對芯片鋁墊進行了改善，并建立了銅線制程能力評估規(guī)范，使焊盤“鋁飛濺”、失鋁（Peeling）得到有效的控制，最終符合銅線鍵合工藝標準，第一焊點研究實驗數(shù)據(jù)合格（100%）圖 2 所示。

（3）第二焊點研究實驗

通過優(yōu)化劈刀的設計，選擇合適的劈刀型號，增大了第二點接觸的面積和魚尾厚度；通過優(yōu)化線弧參數(shù)，使魚尾和 Lead 更貼合； [2] 通過優(yōu)化焊接參數(shù)，增大了第二焊點功率、壓力，必要時使用研磨參數(shù)，可增強第二焊點拉力并穩(wěn)定線尾（Wire Tail Length）；通過以上第二焊點鍵合質量的深入研究，達到了銅線鍵合質量標準。

（4）銅線鍵合防裂紋和彈坑研究

通過銅線材防氧化措施，焊盤鋁層厚度、成分的控制，銅線鍵合快速確認焊盤鋁殘留厚度的研究，最終使銅線鍵合裂紋和彈坑得到了有效控制。

結論通過以上研究，使鍍鈀銅線鍵合能力滿足工藝要求，達到了高密度窄節(jié)距（43μm）小焊盤（38μm×38μm）IC 芯片的封裝要求。實現(xiàn)了 SEMI( 國際半導體設備與材料協(xié)會 ) 等國際標準化組織在電子封裝領域內電鍍技術的標準化要求。

4 結論

該方案采用焊盤尺寸為 38μm×38μm、焊盤間距為43μm、鋁墊厚度為 0.9μm、介質結構為 FSG（氟硅酸鹽玻璃）的芯片研究了銅線鍵合技術，建立了線徑為 0.7mil高可靠性鍍鈀銅線鍵合工藝的制程能力，有效保障了小焊盤（38μm×38μm）窄間距（43μm）的銅線鍵合封裝技術在 LQFP、TQFP 、eLQFP、多圈 QFN 系列產品中的推廣應用。因此，本設計方案能實現(xiàn)該項目的技術指標，達到研究的目的和意義，為標準化生產提供了技術保障。

審核編輯 黃宇