【正文】 2022/6/3 1 半導(dǎo)體集成電路封裝技術(shù) 天津工業(yè)大學(xué) 主講人：張建新 主樓 A415 2022/6/3 2 課程概況 ?第 1章 集成電路芯片封裝概述 ?第 2章 封裝工藝流程 ?第 3章 厚膜與薄膜技術(shù) ?第 4章 焊接材料 ?第 5章 印制電路板 ?第 6章 元器件與電路板的接合 ?第 7章 封膠材料與技術(shù) ?第 8章 陶瓷封裝 ?第 9章 塑料封裝 ?第 10章 氣密性封裝 ?第 11章 封裝可靠性工程 ?第 12章 封裝過程中的缺陷分析 ?第 13章 先進封裝技術(shù) 2022/6/3 3 簡介 ?技術(shù)特征： ? 厚膜（ Thick Film）技術(shù)： 網(wǎng)印、干燥與燒結(jié)等方法 ? 薄膜（ Thin Film）技術(shù)： 鍍膜、光刻與刻蝕等方法 ?用途： ? 制作 電阻、電容、電感 等集成電路中的 無源器件。 ? 在基板上制成 導(dǎo)線互連結(jié)構(gòu) 以組合各種電路元器件，而成為所謂的 混合集成電路封裝。 ?基板材料： ? 氧化鋁、玻璃陶瓷、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、石英等均可以作為這兩種技術(shù)的 陶瓷類 基板材料 ? 薄膜技術(shù) 也可以使用 硅 與 砷化鎵晶圓片 作基板材料 2022/6/3 4 厚膜技術(shù) ?厚膜混合電路的工藝簡述： ? 用 絲網(wǎng)印刷 方法把 導(dǎo)體漿料、電阻漿料和絕緣材料 (介質(zhì)或介電材料 )漿料等 轉(zhuǎn)移到 基板 上來制造的。印刷的膜經(jīng)過 烘干 以去除揮發(fā)性的成分，然后暴露在較高的溫度下 燒結(jié) 以活化粘接機構(gòu)，完成膜與基板的 粘接 。 汽車點火器用厚膜電路 2022/6/3 5 厚膜多層制作步驟 導(dǎo)體漿料 電阻漿料 絕緣材料漿料 ?厚膜漿料通常都有的兩個共性： ? 適于絲網(wǎng)印制的具有非 牛頓流變能力的粘性流體； ? 由兩種不同的多組分相組成： ? 一個是功能相，提供最終 膜的電學(xué)和力學(xué)性能； ? 另一個是載體相，提供合 適的流變能力。 2022/6/3 6 ?厚膜漿料的基本分類： ? 聚合物厚膜 ? 包含導(dǎo)體、電阻或 絕緣顆粒的聚合物 材料的混合物，在 85～ 300℃ 溫度區(qū) 間固化。較常用在 有機基板 材料上。 ? 難熔材料厚膜 ? 是一種特殊的金屬陶瓷厚膜材料，在 1500～ 1600℃ 還原氣氛下燒結(jié)，是唯一能適合 高溫共燒陶瓷互連基板 的基本金屬化材料 ? 金屬陶瓷厚膜（ 本章主要講解 ） ? 微晶玻璃（玻璃陶瓷）與金屬的混合物，通常在 850～ 1000℃燒結(jié)。是目前 陶瓷類基板 上最常用的基本厚膜材料 2022/6/3 7 ?金屬陶瓷厚膜漿料的四種主要成分及作用： ? 有效物質(zhì)： 決定燒結(jié)膜的電性能而確立膜的功能； ? 粘接成分： 提供與基板的粘接以及使有效物質(zhì)顆粒保持懸浮狀態(tài)的基體； ? 有機粘接劑： 使有效物質(zhì)和粘貼成分保持懸浮態(tài)直到膜燒成，并提供絲網(wǎng)印制的合適流動性能； ? 溶劑或稀釋劑： 決定運載劑的粘度。 ? 有效物質(zhì) ? 質(zhì)量要求： 有效物質(zhì)通常制成粉末形狀，其顆粒結(jié)構(gòu)形狀和顆粒的形貌對達到所需要的電性能是非常關(guān)鍵的，必須嚴格控制顆粒的形狀、尺寸和粒徑分布以及保證燒結(jié)膜性能的一致性。 運載劑 2022/6/3 8 ? 粘貼成分 ? 主要有兩類物質(zhì)： 玻璃 和 金屬氧化物 ，它們可以單獨使用或者 一起使用 。 （ 1）燒結(jié)玻璃材料： 使用玻璃或釉料 (非晶玻璃 )的膜 ? 粘接機理： 化學(xué)鍵合和物理鍵合。總的粘接結(jié)果是這兩種因素的疊加，物理鍵合比化學(xué)鍵合在承受熱循環(huán)或熱儲存時更易退化，通常在應(yīng)力作用下首先發(fā)生斷裂。 ? 基體作用： 使有效物質(zhì)懸浮，并保持彼此接觸，有利于燒結(jié)并為膜的一端到另一端提供了一連串的三維連續(xù)通路。主要的厚膜玻璃是基于 B2O3SiO2網(wǎng)絡(luò)形成體。 ? 原料形式： 預(yù)反應(yīng)顆粒形式、玻璃形成體形式 ? 特點： 具有較低的熔點（ 500～ 600℃ ），但在制作導(dǎo)體厚膜時，導(dǎo)體材料在其表面上呈玻璃相，使得后續(xù)元器件組裝工藝更為困難。 2022/6/3 9 （ 2）金屬氧化物材料： 一種純金屬例如 Cu、 Cd與漿料的混合物 ? 粘貼機理： 純金屬在基板表面與氧原子反應(yīng)形成氧化物，金屬與其氧化物粘接并通過燒結(jié)而結(jié)合在一起。屬于氧化物鍵合或分子鍵合。 ? 特點： 與玻璃料相比，這一類漿料改善了粘接性。但燒結(jié)溫度較高，一般在 950～ 1000℃ 下燒結(jié)，加速了厚膜燒結(jié)爐的損耗，爐體維護頻率高。 （ 3）混合粘接系統(tǒng)： 利用反應(yīng)的氧化物和玻璃材料。 ? 粘接機理： 氧化物一般為 ZnO或 CaO，在低溫下發(fā)生反應(yīng)，但是不如銅那樣強烈。再加入比在玻璃料中濃度要低些的玻璃以增加附著力。 ? 特點： 結(jié)合了前兩種技術(shù)的優(yōu)點，并可在較低的溫度下燒結(jié)。 2022/6/3 10 ? 有機粘貼劑 ? 有機粘接劑 通常是一種觸變的流體，不具備揮發(fā)能力 ? 空氣氣氛中的燒結(jié)： 粘接劑在燒結(jié)過程中必須完全氧化（約 350℃ 開始燒盡），而不能有任何污染膜的殘留碳存在。典型材料是乙基纖維素和各種丙稀酸樹脂 ? 惰性氣氛中的燒結(jié)： 燒結(jié)的氣氛只含有百萬分之幾的氧，有機粘貼劑必須發(fā)生分解和熱解聚，產(chǎn)生具有高度揮發(fā)性的小分子有機物，再以蒸汽形式被惰性氣體帶離系統(tǒng)。主要用于制備易受氧化危害的導(dǎo)體膜層的制備，如 Cu、 Mo膜。 2022/6/3 11 ? 溶劑或稀釋劑 ? 性能要求： ? 能夠均勻溶解難揮發(fā)的有機粘貼劑和添加劑 ? 在室溫下有較低的蒸氣壓以避免漿料干燥，維持印刷過程中的恒定粘度 ? 在大約 100℃ 以上能迅速蒸發(fā)。 ? 典型材料： 萜品醇、丁醇和某些絡(luò)合的乙醇 ? 添加劑： 在溶劑中加入能夠改變漿料觸變性能的增塑劑、表面活性劑和某些試劑，以改善漿料的有益特性和印刷性能。 2022/6/3 12 ? 厚膜漿料的制備 ? 制備的總體要求： 要以 合適的比例 將厚膜漿料的各種成分混合在一起，然后在三錕軋機中軋制足夠的時間以確保它們 徹底地混合 ，而 沒有任何結(jié)塊 存在。 ? 制備的主要步驟： 粉體原料加工、漿料配制、漿料軋制 ? 粉體原料加工 ? 金粉體：通過從化學(xué)溶劑中沉淀出來 ? 玻璃粉體：通過熔融的玻璃淬火，然后球磨得到 ? 球磨機可減小玻璃料和其它脆性材料的顆粒尺寸 ? 一般裝載量為整個容積的 50％ ,其余為球磨介質(zhì) ? 球磨機以大約 60％的臨界速率旋轉(zhuǎn) 5 7 .8 (r / m i n )R?臨 界 速 率2022/6/3 13 ? 漿料配制 一般綜合考慮顆粒的 比表面積 、 混合比例 和 純度 ? 大的表面與體積比可以提供大的表面自由能，以促進燒結(jié)反應(yīng)（熔化時有較高的放熱反應(yīng)）和降低燒結(jié)溫度 ? 選擇適當(dāng)比例的玻璃 /金混合物，以確保在整個燒結(jié)溫度和冷卻周期中，其化學(xué)和熱膨脹性能與所用基板相兼容 ? 用少量的其它金屬或氧化物與玻璃 /金混合以改善力學(xué)或電性能 ? 漿料軋制 ? 目的：利用三錕軋膜機 最大限度地將漿料組分 彌散和去除夾帶的氣體 ? 三錕軋膜機的原理：基于處在反向旋轉(zhuǎn)的軋錕間隙的流體所受到的很高的剪切力，使微小顆粒彌散得更充分 2022/6/3 14 ? 厚膜漿料的參數(shù) 可以用三個主要的參數(shù)表征厚膜漿料： 粒度 、 固體粉末百分比含量 、 粘度 。 ? 粒度 ? 參數(shù)意義： 漿料內(nèi)顆粒尺寸分布和彌