芯片封装工艺及设备

《微电子封装技术》复习提纲

第一章 绪论

 微电子封装技术的发展特点是什么？发展趋势怎样？（P8、P9）

特点：微电子封装向高密度和高I/O引脚数发展，引脚由四边引出向面阵排列发展

微电子封装向表面安装式封装（SMP）发展，以适合表面安装技术（SMT）

从陶瓷封装向塑料封装发展

从注重发展IC芯片向先发展后道封装再发展芯片转移

发展趋势：微电子封装具有的I/O引脚数更多

微电子封装应具有更高的电性能和热性能

微电子封装将更轻，更薄，更小

微电子封装将便于安装、使用和返修

微电子安装的可靠性会更高

微电子封装的性能价格比会更高，而成本却更低，达到物美价廉

 微电子封装可以分为哪三个层次（级别）？并简单说明其内容。（P7）

用封装外壳将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件的一级封装，将一级封装和其他元器

件一同组装到印刷电路板上的二级封装以及再将二级封装插装到母版上的三级封装

硅圆片和芯片虽然不作为一个封装层次，但却是微电子封装的出发点和核心。在IC芯

片与各级封装之间，必须通过互连技术将IC芯片焊区与各级封装的焊区连接起来形成功能，

也有的将这种芯片互连级称为芯片的零级封装

 微电子封装有哪些功能？（P19）

电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑、环境保护

 芯片粘接方法分为哪几类？粘接的介质有何不同（成分）？（P12）

Au-Si合金共熔法(共晶型)

Pb-Sn合金片焊接法(点锡型)

导电胶粘接法(点浆型)；环氧树脂

有机树脂基粘接法(点胶型)；高分子化合物

 简述共晶型芯片固晶机（粘片机）主要组成部分及其功能 。

1 机械传动系统

2 运动控制系统

3 图像识别（PR）系统

4 气动/真空系统

5 温控系统

机械系统

• 目标：芯片+框架

• 组成部分：

• 1 框架供送部分 进料（框架分离）、送料、出料

• 2 芯片供送部分

• 目标：

晶粒--〉焊头吸嘴--〉框架 （ 送晶----取晶------固晶）

组成部分：

1 送晶装置：晶粒供送

2 焊头装置

3 顶针装置

4 其他：温控、 气动/真空等

• 3 点锡/点浆/点胶部分

引线框架

供送

晶粒供送

装 置

银浆供送

装 置

机器视觉

装 置

电气控制

系 统

分

片

进

料

装

置

送

料

装

置

收

料

装

置

焊

头

装

置

顶

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圆

工

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台

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制

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浆

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控

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晶

圆

芯

片

图

像

识

别

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置

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线

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图

像

识

别

装

置

系

统

控

制

软

件

运

动

控

制

硬

件

 和共晶型相比，点浆型芯片固晶机（粘片机）在各组成部分及其功能的主要不同在

哪里？

点浆工序，进烤箱

 名词解释：取晶、固晶、焊线、塑封、冲筋、点胶

取晶：以化学腐蚀的方法将晶粒从封装中取出，以利下一步拍照评估，层次去除或其他分析

的进行

固晶：将芯片固定在外壳底座中心，常用Au-Sb合金（对PNP管）共熔或者导电胶粘接固

化法使晶体管的接地极与底座间形成良好的欧姆接触；对IC芯片，还可以采用环氧

树脂粘接固化法；（引脚与金属壳的隔离：玻璃）

焊线：在芯片的焊区与接线柱间用热压焊机或超声焊机用Au丝或Al丝连接起来；接着将

焊好内引线的底座移至干燥箱中操作，并通以惰性气体或N2保护芯片；

封装：最后将管帽套在底座周围的凸缘上，利用电阻熔焊法或环形平行缝焊法将管帽与底座

边缘焊牢，达到密封要求。

第二章 芯片互连技术

 芯片互连的方法主要分为哪几类？各有什么特点？（P13、P27）

分类：WB引线键合；TAB载带自动焊；FCB倒装焊

特点：最传统，最常用的，也是最成熟的芯片互连技术，焊接灵活方便，焊点强度高，通常

能满足70um以上芯片焊区尺寸和结局的要求

载带焊：封装薄，节距小，引脚多，电性好，可测性，导热好，机械强度高，成本高，耗时

多，修理要求苛刻

(1)封装薄:结构轻、薄、短、小，封装高度不足1mm。

(2)节距小:电极尺寸、电极与焊区节距均比WB大为减小。电极宽度通常为50um，可达到

20∽30um，节距常为80um，根据要求可做得更小。

(3)引脚多:可容纳更高的I/O引脚数。如10mm见方的芯片，WB最多容纳300个I/O引脚，

而TAB可达500个以上。

(4)电性好：引线电阻、电容和电感均比WB的小得多。WB这几项的值分别为：100mΩ、

25pF和3nH，而TAB分别为：20mΩ、10pF和2nH。因此具有更优良的高速、高频电性

能。

(5)可测试：对芯片进行筛选和测试,确保器件是优质芯片。

(6)采用Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高。

(7)键合牢：拉力可提高3∽10倍，达到0.3∽0.5N/点，提高芯片互连的可靠性。

(8)使用标准化卷轴长带（长100m），便于自动化生产。

倒装焊：连线短，安装密度高，适用于大批量生产，但检测困难，成本高，材料之间的应力

问题。

1）芯片面朝下，连线短，互连产生的杂散电容、互连电阻和电感均比WB和TAB小得多，

因此适于高频、高速的电子产品应用。

2）FCB芯片安装互连占的基板面积小，因而芯片安装密度高。FCB的芯片焊区可面阵布

局,更适于高I/O数的芯片使用

3）芯片的安装、互连同时完成，大各各简化了安装互连工艺,快速、省时，适于使用先进的

SMT进行工业化大批量生产。

不足之处：芯片面朝下安装，给工艺操作带来一定的难度，焊点检查困难（只能使用红外

线和X光检查）。芯片焊区一般要制作凸点，增加了芯片的制作工艺流程和成本。

倒装焊同各种材料间的匹配所产生的应力问题也需要解决等。

 WB的分类及特点如何？（P23）

按焊接方式:

1、热压焊：易氧化，易压伤，键合力小

2、超声键合(压）焊：与热压焊相比，可提高焊接质量，接头强度也较高；无加热，所以对

芯片无影响；可根据不同需求调节能量，焊不同粗细的Al丝；不产生

任何化合物。

3、金丝球焊：压点面积大，又无方向性,可实现微机控制下的高速自动化焊接，往往带

超声功能,具有超声焊优点

按键合点形状：1、楔形键合；2、球形键合

 说明金丝球焊的主要工艺过程及其工作原理。（P24、PPT）

工艺步骤：1、打火烧球（EFO负电子烧球 ）；2、一焊（热压超声球焊）

3、拉弧（焊头XYZ协调动作）；4、二焊（热压超声焊）

5、留尾丝；6、回打火位、送丝等，开始下一个循环

工艺过程：劈刀下降，焊球被固定在焊盘中央

在压力，超声，温度的作用下形成连接

劈刀上升到弧形最高度

劈刀高速运动到第二键合点，形成弧形

在压力，超声，温度的作用下形成第二点连接

劈刀上升至一定位置，送出尾丝

夹住引线，拉断尾丝

引燃电弧，形成焊球，进入下一键合循环

将键合引线垂直插入毛细管劈刀的工具中，引线在电火花作用下受热成液态，由于表面张力

作用而形成球状,在摄像和精密控制下,劈刀下降使球接触晶片键合区,对球加压,使球和焊盘

金属形成冶金结合完成第一点焊接过程,然后劈刀提起,沿着预定的轨道移动，称作弧形走线,

到达第二个键合点时，利用压力和超声能量形成月牙式第二个焊点,劈刀垂直运动截断丝尾

部。这样完成两次焊接和一个弧线循环。

 说明铝丝焊的主要工艺过程及其工作原理。

1、一焊（热压超声球焊）2、拉弧（焊头XYZ协调动作）

3、二焊（热压超声焊）4、留尾丝5、回打火位、送丝等，开始下一个循环

其穿丝是通过楔形劈刀背面的一个小孔来实现的，金属丝与晶片键合区平面呈30~60的角

度，当楔形劈刀下降到焊盘键合区时，劈刀将金属丝按在其表面，采用超声或者热声焊而完

成键合。

 TAB技术的关键材料包括哪三部分材料？（P29）

基带材料、TAB的金属材料、芯片凸点的金属材料

 TAB的关键技术包括哪三部分技术？（P30）

芯片凸点的制作技术、TAB载带的制作技术、

载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术

 ILB或OLB的方法主要有哪两种？

热压焊法或热压再流焊法

 说明倒装焊的特点和优点（P44）

特点：芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连

优点：1、FCB的互联线非常短，互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TA

小得多，从而更适于高频、高速的电子产品应用。2、FCB芯片安装互连占得基板面

积小，因而芯片安装密度高。3、FCB的芯片焊区可面阵布局，更适于高I/O数的LSI、

VLSI芯片使用。4、芯片的安装互连是同时完成的，因而大大简化了安装互连工艺，

快速省时，适于使用现金的SMT进行工业化大批量生产。

连线短，安装密度高，适用于大批量生产，但检测困难，成本高，材料之间的应力问题。

 芯片凸点的多层金属化系统有哪三层，各层的主要作用是什么？（P46、P30）

1、粘附层：使Al膜和芯片钝化层粘附牢固

2、阻挡层：防止上面的凸点金属越过薄薄的粘附层与Al焊区形成脆性的中间金属化合物

3、导电层：具有一定高度要求以使导电

防止短路，提高导电和导热的性能

 芯片凸点的制作方法主要有哪些？（P46、P59）

蒸发/溅射法、电镀法、化学镀法、打球法、置球/模板印刷法、激光凸点法、移置凸点法、

柔性凸点法、叠层法、喷射法

 说明各向异性导电胶的焊区互连原理，并画图示意。（P64）

玻璃上芯片（COG）技术的原理为：先在基板上涂覆各向异性导电胶薄膜（ACAF），将带

有凸点的IC芯片与基板上的金属焊区对位后，在芯片上加压并进行ACA固化，导电粒子

挤压在凸点与焊区之间，上下接触而导电。

 解释C4的含义及主要优点。（P61）

含义：专对各类Pb—Sn喊叫凸点进行再流焊接，俗称再流焊接法，又称C4，即可控塌陷芯

片连接

C4：专对各类Pb-Sn焊料凸点进行再流焊接

①C4除具有一般凸点芯片FCB的优点外，它的凸点还可整个面阵分布，再流时能够弥补基

板的凹凸不平或扭曲等

②C4的芯片凸点使用高熔点的焊料（如90%Pb-10Sn），而PWB上的焊区使用低熔点的常

规37%Pb-65Sn焊料，倒装再流时，C4凸点不变形，只有低熔点的焊料熔化，这就可以弥

补PWB基板上的缺陷（如凹凸、扭曲等）产生的焊接不均匀问题。

③倒装焊时Pb-Sn焊料熔化再流时较高的表面张力会产生“自对准”效果，这就使对C4芯片

倒焊时的对准精度大为宽松。

第三章 插装元器件的封装技术

 插装元器件按封装材料分为哪些类？（P80）

金属封装、陶瓷封装、塑料封装等

 插装元器件按外形结构分为哪些类？（P80）

圆柱形外壳封装（TO）、矩形单列直插式封装（SIP）、双列直插式封装（DIP）和针栅阵列

封装（PGA）等

 画框图表示PDIP的制造和封装工艺流程（P85）

 说明陶瓷熔封CDIP的主要工艺过程（P83）

 比较PGA和BGA的关键不同点（P86）

PGA的引脚是针状的，而BGA是球状的。

 金属外壳封装的常用封帽工艺有哪两种？（P92）

熔焊封接法：平行焊缝、激光焊、点焊；焊料封接法

 画框图表示LED的制造和封装工艺流程，并说明所采用的主要设备

划片－扩晶—粘片－焊线－塑封－测试—上锡－冲筋成型－成品分选

主要设备：光刻机，固晶机，焊线机。

第四章 表面安装元器件的封装技术

 与通孔安装（THT）元器件相比，表面安装元器件（SMD）有何优缺点？（P97）

优点：SMD的体积小，重量轻，所占基板的面积小，因而组装密度高

SOP、PLCC与DIP相比，具有优异的电性能

适合自动化生产；

降低生产成本；

能提高可靠性；

更有利于环境保护

缺点：元器件安装密度高，PWB上功率密度高，散热问题显得重要

引起的裂纹和开裂问题

塑料件的吸潮问题

 比较SOT、SOP、QFP、PLCC的引脚布局的差别？（P102）

SOT:翼型引脚，是用厚、薄膜的方法制作连接的

SOP将DIP的直插式引脚向外弯曲成90度，有“L”的翼型引脚（SOP）和“J”形的引脚

(SOJ)

QFP封装体引脚四边引出，有翼型引脚和“J”形引脚（QFJ）

PLCC四边引脚呈“J”形，向封装体下面弯曲。引脚具有弹性能缓解焊接时造成的应力。

 和表面安装元器件相比，为什么塑封插装件的封装过程没有开裂问题？（P116）

湿汽压很低，产生的机械应力不足以破坏外壳;

稍热的水汽所产生的压力对这类封装本已较厚的壳体不会造成任何破坏性的后果;

塑料封装器件应用时，对PDIP和PGA有引脚塑封插装器件来说，焊接时使用波峰焊，高

温Pb-Sn只与器件的引脚接触，且焊接时间很短（几秒钟），传到壳体的热量不致使塑料温

度升高许多，稍热的水汽产生的压力不会造成任何破坏性的后果。

 塑料封装吸潮的危害及解决办法？（P118）

危害：吸潮失效，吸湿量越多,水汽压就会越高,器件寿命就越短。

吸潮容易导致塑封器件的开裂

办法：1、从封装结构的改进上增强抗开裂能力

厚封：塑封料越厚，抵御开裂的能力越强，因此，增加芯片四周和底部塑封料厚

度，可防止开裂。

粗脚：引线框架与塑封料有一定的结合强度，但光滑的引脚表面会减小与塑封料

的结合力，可通过增加引脚上芯片键合区的表面粗糙度来提高与塑封料的

结合力，从而尽可能减少开裂

2、对塑料器件进行适宜的烘烤时防止焊接时开裂的有效措施：高温烘烤发，低温烘

烤法

3、合适的包装和良好的贮存条件是控制塑封器件吸潮的必要手段

第五章 BGA和CSP的封装技术

 什么是BGA？BGA有何特点？（P121）

概念：BGA即“焊球阵列”。它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚，在基板的上面封

配LSI芯片，是LSI芯片用的一种表面安装型封装

特点：

(1)失效少：使用BGA，可将窄节距QFP的焊点失效率减小两个数量级，且无需对安装

工艺作大的改动。

(2)节距大：BGA焊点节距一般为1.27mm和0.8mm，可以利用现有的SMT工艺设备。

(3)封装密：提高了封装密度，改进了器件引脚和本体尺寸的比率。

(4)共面性好: 由于引脚是焊球，可明显改善共面性，大大地减少了共面失效。

(5)引脚牢: BGA引脚牢固，不像QFP那样存在引脚易变形问题。

(6)电性好:BGA引脚很短，使信号路径短，减小了引脚电感和电容，改善了电性能。

(7)自对准:焊球熔化时的表面张力具有明显的“自对准”效应，从而可大为减少安装、焊

接的失效率。

(8)散热好:BGA有利于散热。

(9)BGA也适合MCM的封装,有利于实现MCM的高密度、高性能。

失效率低；可利用现有的SMT工艺设备；提高封装密度，改进器件引脚数和本体尺寸的比

率；改善共面性，减少共面失效；引脚牢固；改善电性能；减少安装、焊接的失效率；有利

于散热；适合MICM的封装，有利于实现MCM的高密度，高性能

 按照基板可将BGA分为哪几类？其中裸芯片与基板之间各采用什么主要的微互连

方法？（P121）

PBGA（塑封BGA）、CBGA（陶瓷BGA）、CCGA（陶瓷焊柱阵列）、TBGA（载带BGA）、

MBGA（金属BGA）、FCBGA（倒装芯片BGA）、EBGA（带散热器BGA）等

全阵列和部分阵列

 CSP有何特点？（P131）

体积小，可容纳的引脚最多，电性能良好，散热性能优良；总之，既具有普通封装的优点，

又具有裸芯片的长处。

 BGA、CSP与PWB进行焊球连接的主要缺陷有哪些？（P146）

1. 桥连：焊料过量，邻近焊球之间形成桥连。这种缺陷很少，但很严重。

2. 连接不充分：焊料太少，不能在焊球和基板之间形成牢固的连接，导致早期失效。

3. 空洞：沾污及焊膏问题造成空洞。比例较大时，焊球连接强度弱化。

4. 断开：基板过分翘曲，又没有足够的焊料使断开的空隙连接起来。

5. 浸润性差：焊区或焊球的浸润性差，造成连接断开。焊区浸润性差使焊料向焊球周边流

动，而焊球的浸润性差使焊料聚集于焊区上面积很小的区域。

6. 形成焊料小球：小的焊料球由再流焊时溅出的焊料形成，是潜在短路缺陷的隐患。

7. 误对准：焊球重心不在焊区中心。BGA虽有极强的自对准能力,但是，在安放时焊球和焊

区之间的误对准（对准偏差超标时）会造成这种缺陷。

实验部分

 了解金丝球焊机的工作原理、组成部分、主要操作步骤

 理解名词：烧球、超声焊接，一焊和二焊、一线和二线、焊接准备位、焊接位、线夹、

劈刀、焊接压力、超声时间和功率、换能器、送丝、过片。