当前课程知识点:微纳加工技术 > 第九章节 良率与封装技术 > 第二小节 封装和封装驱动力 > 封装和封装驱动力
同学们好
一节课中我们学习了
集成电路中良率的定义
良率的重要性
还有提高良率的办法
今天这节课中我们讲一下
集成电路制造工艺的
最后一步封装
半导体封装是指通过测试的
晶元,硅片
按照产品型号及功能需求加工
来得到独立芯片的过程
封装的过程简单的描述
就是先在来自晶元的
前道工艺的硅片上面
通过划片工艺后
被切分为很小很小的晶片叫Die
然后将切割好的小的Die
就是小的晶片
用胶水粘贴到相应的
基板架的小岛上
再利用超细的金属
比如金的锡 铜 铝这种导线
或者说导电性树脂
将晶片的结合焊盘
就是Bonding pad连接到基板
相应的引脚Lead上面
并构成了所要求的电路
然后再对独立的晶片
用塑料外壳加以封装保护
塑封之后还要进行一系列的操作
比如说要进行产品测试
还要进行入检 测试 包装等工序
最后我们就入库 出货
这是我们讲的封装的一个基本过程
本小节我们会学习一下为什么要封装
引线键合、还有IO管脚封装这几个方面
然后我们还学习一下封装的最新技术
这样子我们大家对于封装
一个较为系统的了解
先说什么是封装呢
简单地说 就是把Foundry
代工厂生产出来的集成电路的裸片
把它Die放在一块
起到承载作用的基板上
把管脚引出来
然后固定包装成为一个整体
从这个意义上来说
我们所用到的芯片
其实都是封装后的芯片
集成电路的裸片
要比最终的成品还要小
而且没有管脚只有pad
那我们为什么要进行封装
不封装可不可以呢 答案是不可以
因为封装不仅起到安装 固定 密封
保护芯片 以及增强电热性能
而且通过管脚的实现
内部电路与外部电路连接等
各种各样的作用
还起到了与外界隔绝
防止空气中杂质
对芯片电路板破坏导致性能下降
甚至失效
随着工艺节点不断缩小
封装的好坏已经成为
高性能计算中的一个限制性因素
因此封装越来越重要
半导体的封装一共包括以下几个步骤
一个是芯片减薄
第二个是硅圆片的切片
第三个芯片的键合
第四个是互连或者IO管脚的封装
第五个是包装
那么我们下面针对第二步
第三步和第四步
进行详细的介绍
硅原片经过CMOS标准工艺
做成的集成电路 那么
这种情况下众多的裸片
排列在一个硅片上
就一个八寸的片和十二寸片
很多个晶原片 或者很多个Die
想给其中的一个裸片进行封装的话
首先要把单个裸片
从整个大的硅片上面分离开来
那这就是硅片切片
这个过程要进行如下几步
第一步就是测试芯片
我们先对芯片进行测试
这时候我们在测试的过程中
发现有的芯片本身就坏了
那么我们用一些磁性的墨水
标记坏的芯片 就是Bad Die
第二步将晶片装到蓝膜上面
是一种蓝色的膜它是粘的
这时候第三步我们采用快速的齿轮
或激光的方式进行切割
第四步切割完之后 这个时候
每个单个的片还是连在这个蓝膜上面的
第四步我们均匀地拉伸这个蓝膜
这时候已经切割开来的单个芯片
就自然而然的跟着蓝膜这个拉伸就分开了
这是它分开的过程
这时候我们再加上芯片移除并分类
同时把坏的芯片去掉
然后我们就可以进行下面的
在上面的五步过程中
最复杂的的步骤其实是测试
因为如今的晶体管规模异常庞大
如何在短时间里面
要完成超过十亿个晶体管数目的
芯片上进行测试
是一个主要的难题
裸片切完后
接下来就到了芯片键合工艺
利用引线将裸片上的IO pad
引到外面
下面我们来讲几种实现技术
包括引线键合 焊球的倒装技术
和硅通孔的技术也叫TSV技术
对引线键合我们以金线为例
我们将25微米的金线加热
形成一个小球
然后将这个金线末端的小球
与裸片上的pad键合
之后将金线与衬底进行锲形焊接
这样我们这个引线键合就结束了
那么就形成了裸片上的pad
到封装衬底上的连接
在实际生产过程中
引线键合速度很快的
一秒钟可以键合几十条引线
但是随着裸片的IO数目的增加
单凭引线键合既费时间
有时候你还不能够它大量IO的需求
这时候焊球倒装技术的发明
就为解决上述的问题提供了一个方案
焊球倒装技术是由IBM公司发明的
我们从右图可以看到
清晰的看到这个焊球的阵列
一个一个的小球
是不是很有气势 对不对
那焊球倒装技术是将芯片倒装
注意这个芯片上面它没有键合垫
只有焊球的阵列
在陶瓷衬底上布满了
铜的pad阵列相吻合
然后加热让铜的pad
与焊球阵列相互连接
通过利用这个技术能够很好的解决
我们每一个裸片
就是每一个Die面多个IO口的
这个引线的问题
最后我们再介绍一下硅通孔技术
硅通孔技术英文的全称叫
Through Silicon Via 也就是TSV
就是穿透过硅片的这个通孔
如果多个芯片需要互连
显然通过引线
并不是一个很理想的选择
为什么呢
一方面引线连接比较长
基本上都是几个厘米
会限制其高频性能
第二也会占据比较大的面积
因为它引线过来都有面积
所以对于很多很多芯片互连
你都用这个引线的话
你是很难满足的
在这种情况下TSV
是一个非常不错的技术
这个技术只要把互连的芯片叠在一起
在需要芯片间互连的地方打穿硅衬底
有下层或者上层的芯片互连
由于这个工艺它不需要向外引出引线
所以互连线的长度大大缩短了
因为一个硅片才几百个微米
所以它的引线只有几百个微米
跟刚才几个厘米来讲差了好多好多倍
那采用重叠放置的方式
使得多芯片面积大大减小
比如这张图所演示的三星
做的一个TSV技术
在2007年发表的
这种情况下它是把32个芯片
全部叠加在一起
就它有一个TSV一点一点
从最底层连到上一层
可以看到TSV的技术
还是非常非常的吸引人的
因为它密度很高 而且面积很小
而且引线因为很短
所以说可以实现一个很好的芯片的功能
介绍完这一块之后
我们下面来介绍一下
IO管脚的封装技术
这里面又分三种技术
一个叫引线框架lead frame
第二个叫引线引脚的网格叫 Pin grid
第三个叫焊球的网格叫Ball grid
引线框架其实我们是比较熟悉的一种方法了
想必同学们在很多场合
见过类似于像我们这张图的这个例子
有很多管脚伸出来 管脚挺硬
这个管脚插到你的PCB板上面去
这种封装形式
就是引线框架的一种典型方式
引线框架封装是在封装玻璃
利用铅向外做成引出的管脚
在内做成能够与裸片键合的pad
大家可以看到这张示意图
可以看到里面是它的一个芯片
我们这个管脚一方面是通过引线键合
跟我这个芯片的pad相连
外面的管脚就直接伸出来了
leads 这个图上显示leads
通过这个引线的管脚
把我的芯片跟我外面就连在一起了
所以这样这种双列直插式的引线框架制造
是非常高效的
该技术在管脚不多
速度要求不高的封装中较为常用
如果说管脚很多的情况下
这种情况可以将引脚
排布做成一个网络的形式
这样子可以节约我们的面积和成本
这就是我们这边看到的这一种方式
这张图显示的方式
比如说英特尔的奔腾系列处理器
采用四行外围引脚网络阵列
四行外围引脚网络阵列
来满足封装的需求
当我们线性封装
因为这个都是线性一种一维吧
线性封装达到极限的时候
工艺界便转向二维的网格阵列
它们可以是引线键合
但更长的是焊球
针对于很多很多IO口它的封装的话
引脚网络阵列和焊球网络阵列
就进入了我们的视野
也成为非常常用的一种技术
下面我们着重介绍焊球网络阵列
叫Ball Grid Array叫BGA技术
比如这个图我们可以看到
BGA技术是叫芯片与PCB板
下面我们这个绿色的是PCB板
上面这个灰色的是芯片
通过胶进行粘合
它粘合在一起之后
这里有一个模胶把它粘合在一起
这个时候通过引线键合
将膜片上的IO pad与焊球相互连接
然后用密封胶的保护方式
保护这个芯片和键合线
那PCB下面就是焊球
可以采用丝网印刷的技术
来高效的实现这个焊球
这样BGA就封装完了
我们可以看一下右下图
这是一个封装完了的效果
可以看到最里面的小片是真正的芯片
芯片是IO pad通过这个引线
连到我们这个球上来
这个球在PCB板上面
PCB板的另外一端
那它就可以实现高密度的一个封装
所以说当IO口数量很大
网络阵列规模较大的时候
正装芯片的这个引线键合
就具有很大的局限性
这是我们可以采用倒装的BGA结构
比如我们刚才提到的这个倒装技术
将芯片倒装焊掉的凸点与衬底
上方的焊球接入点直接相连
这就可以解决这个IO口越来越多的问题
这张图就显示这技术
我们的芯片是倒装的
倒装有很多很多凸点
它跟我们机体这个PCB板上直接相连
然后PCB板下面又有焊球
成为一个倒装的BGA的封装结构
讲完这个IO管脚封装之后
我们来看一看几种比较新的封装技术
第一个叫多芯片封装叫MCP
叫Multible Chip Package
多芯片封装是将两片或者两片以上的芯片
裸片利用芯片堆叠 stack
和压焊引出管脚的方式
来实现多芯片的封装技术
比如说我们看这张图
将Flash芯片存储性芯片
与SRAM芯片进行封装
在封装之前先将芯片减薄
做得薄一点
再利用模胶将芯片按层数固定
把外围一些pad露出来
芯片与芯片之间
芯片与外部焊球之间
采用一些键合的方式进行连接
其它也有我们刚才所介绍的封装过程
没有其它的变化
这个MCP多芯片封装技术的核心技术
是芯片减薄和压焊引线路径的精确控制
它这个过程
那么 再往下看
这张图显示了六个芯片的封装
就是六个芯片的MCP的封装技术
多芯片封装
这个芯片它里面含了传感器
处理器 存储器等
芯片与芯片之间采用了很多引线键合
把最终引出与衬底的pad键合在一起
通过这个图我们也可以看到
用做MCP的封装技术
它最后总体的芯片面积小
而且方便系统集成
我们再下面介绍堆叠装配技术
这个叫 Package on Package
这个技术在移动通讯产品中用得比较多
通过示意图
我们也能够比较清晰地了解这个技术
其实就是将两个芯片
封装完的芯片堆叠在一起
通过柔性电路将两个芯片进行连接装配
元器件内部的芯片堆叠
大部分都是采用金线键合的方式
堆叠层数可以从现在的两层到八层
这是一种较方便的方式
最后我们再介绍一下系统级封装
叫 System-in-Package SIP
这是目前特别热的研究方向
系统级封装是将多种功能芯片
包括处理器 存储器等
各种各样功能的芯片
集成在一个封装里面
才会实现一个基本完整的功能
刚才所讲的POP MCP 硅穿孔技术
都可以算是系统封装的例子
除了这个之外还有其它技术
比如说将多个裸芯片
和其他的元器件组装在同一块
多层互连的基板上进行封装的这种技术
还有其他的比如东芝KGD封装技术等等
当然实现这个SIP技术需要一些工艺要求
比如说在POP封装和MCM封装
需要衬底的它的成本比较低
最后我们看下我们常用的SIM卡
其实SIM就是很好的
系统级封装的例子
它采用的就是COB的系统级封装
它将CPU程序的存储器
38KB工作的存储器等等
还有数据的存储器
还有串行的通信单元
这些裸芯片
都有导电或者非导电
都要粘在互连基板上
然后进行引线键合实现它的这个连接
同时用户数据的加密
通讯数据传输等一系列的功能
那么好的同学们
在这节课我们讲了关于封装的定义
还有封装的分类
还有封装的实现步骤
以及一系列的系统级封装的方法
希望同学通过学习这节课
对封装技术有一个初步的了解
今天课就到这里 谢谢大家
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-第二章节 微纳工艺综述和超净环境--微纳工艺综述和超净环境
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