新型微電子封裝技術標準化問題及改進方案研究
李彥林， 周晨， 甘玉田.
甘肅林業職業技術學院）。
摘要：電子封裝是用塑料包裹裸露的IC矽片，以保護和製作外部引腳。 引腳間距越小，回流焊時越難以穩定供應焊料，故障率非常高。 多引腳封裝是未來的主流，因此微電子封裝的技術要求應盡可能適應多引腳封裝。 但是，晶元的封裝有一定的規格，如果每個封裝廠都執行自己的標準，很明顯晶元的通用性會大大降低，不可能在半導體行業創造繁榮。 鑑於此，本文討論了不同電子封裝技術存在的問題，分析了電子封裝技術中存在的問題，並設計了具體的改進方案，以提高產品可靠性，降低製造成本和安全風險。 以期為微電子封裝技術的標準化生產提供參考和指導。
介紹。 微電子封裝是將乙個或多個積體電路與倒裝晶元粘接在一起，使它們成為電子元件或具有實用功能的元件。 本文圍繞微電子封裝技術的安全性和可靠性，通過技術攻關，攻克了高密度窄間距小焊盤銅線鍵合工藝的關鍵技術難題，提高了小焊盤和窄間距IC晶元封裝領域銅線代替金線的工藝水平，促進了企業技術創新和產品自主開發能力， 縮小了與國外包裝技術的差距，提高了產品質量和標準化水平。
1 微電子封裝技術及現狀。
電子封裝技術涉及多個學科，包括材料科學、電磁學、熱管理、微納製造、電子器件等專業。 隨著微電子封裝科學家對三維積體電路研發的逐步深入，電子封裝正在從傳統的製造模式向系統封裝（SOP-系統上封裝SIP-系統級封裝）和三維封裝（3D封裝）模式轉變，系統封裝的先進封裝技術開始進入市場。 電子技術的飛速發展，日新月異，三維封裝（3D封裝）目前尚無具體的國家技術標準，電子封裝技術大多採用國外研究機構的技術標準。 封裝形式多種多樣，以最常見的雙列直插式封裝（DIP，雙列直插式封裝）為例，DIP8表示有8個引腳，引腳的長度、間距、寬度等都有嚴格的標準來執行，封裝廠只會按照這個標準來執行，如果現在模具上只有7個焊盤呢？當然，還是要用到dip8，只是掛了乙個引腳，當然不可能隨意設計引腳數，半導體產業各個方面都有標準，“沒有規則就沒有乙個圓圈”，微電子封裝技術從“原始成長”到“成熟發展”需要有機規範。 通過提高微電子封裝技術的相關標準，消除不同品牌微電子封裝技術硬體裝置採集的資料格式和資料質量的差異，促進資訊的流動和共享，消除資料孤島已成為新型微電子封裝技術發展和創新的迫切需要。
1.1.新型微電子封裝技術。
根據中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫標準的要求，原標準《微電子技術第一漿料》（GB T 17472-2008）的適用範圍已從厚膜微電子技術用第一漿料擴大到燒結固化微電子技術最佳漿料更注重漿料的可焊性和可焊性。 一般來說，微電子封裝分為**，其中包含一些組裝和包裝的內容。 微電子封裝的範圍應包括單晶元封裝（SCP）設計與製造、多晶元封裝（MCM）設計與製造、晶元後封裝工藝、各種封裝基板設計與製造、晶元互連與組裝、封裝的整體電氣、機械、熱和可靠性設計、封裝材料、封裝模具夾具和綠色包裝。
1.2、新型微電子封裝技術主要包括以下幾種。
從技術發展來看，微電子封裝的關鍵技術主要包括：（1）3D封裝，在2D封裝的基礎上，將多個裸晶元、封裝晶元、多晶元組件甚至圓盤堆疊互連，形成三維封裝，稱為層壓3D封裝 （2）焊球陣列封裝（BGA）： 陣列封裝 （BGA） 以圓形或圓柱形焊點陣列的形式分布在封裝下方，從而提高了裝配良率。裝配可共面焊接，可靠性高;（3）晶元級封裝（CSP）是指晶元級封裝。 CSP 封裝允許晶元面積和封裝面積之間的比例超過 1：114，已經相當接近1：1的理想情況了。 與 BGA 封裝相比，CSP 封裝可以在相同空間內將儲存容量增加多達 3 倍（4）系統封裝（SIP）是指通過封裝實現整個系統的功能。
2 微電子三維（3D）封裝技術分析。
2.1 應用範圍不夠廣。
從微電子封裝技術的材料可以看出，IC晶元將向小型化、高效能、環保要求方向發展。 微電子封裝技術的應用範圍不夠廣，過去幾年已經超過208引腳、256引腳、304引腳，間距為05mm樣式，包括間距04mm型的QFPS主要由塑料和陶瓷外殼製成，通常適用於各種型別的塑料器件的高鉛數。
2.2 傳統銅線鍵合工藝存在的問題。
由於傳統銅線鍵合工藝的極限容量是50 m的晶元焊盤尺寸和60 m的焊盤間距，因此此尺寸以下的晶元只能採用金線工藝，而在研究過程中，為了實現這種金線工藝的合理替代，必須解決以下小焊點和窄間距銅線鍵合面臨的問題
第一：銅線鍵合氣球抗氧化技術;
二：防止銅線鍵合焊盤損壞，控制“鋁飛濺”的鍵合技術;
第三：第二焊點粘接強度的研究;
第四：銅線鍵合防裂和縮孔技術。
隨著QFP封裝引線數量的增加，外殼尺寸急劇增加，引線間距可以進一步減小，以代替封裝尺寸的增加。 因此，有必要開展高密度窄間距封裝技術的研發和技術改進。
3、具體的改進方案。
為了解決微電子三維（3D）封裝技術的問題，我們開發了以下解決方案：焊盤尺寸為38公尺，焊點間距為43公尺的晶元引線鍵合材料：普通銅線，直徑07mil。對球囊尺寸在不同保護氣體中的穩定性進行了研究。
3.1、技術路線方案論證。
3.1.1 技術路線。
前期調研、規劃、工藝流程確定、關鍵技術攻關、工程批量試驗、可靠性評估、風險批生產、小批量生產、轉為量產。
3.1.2 技術方案。
為了解決上述問題，我們制定了以下兩種解決方案：
a.選項 1.
1）銅線鍵合氣球抗氧化研究。
氫氮混合保護氣體（流量：04 ～0.7L min），隨機抽取1000個氣球，比較如下：在N2+H2保護氣體條件下，07mil普通銅線燒球有20個03%的氣球表面有氧化和桃形球，不對稱球、凹凸球、孔球等球形缺陷比例達到40%左右。
2）首次焊點研究實驗。
第一次焊點研究實驗的結果如下：在焊板尺寸為38 m、焊點間距為43 m的晶元上進行銅線鍵合測試，球形缺陷（高爾夫球）佔57%，粘接強度（不粘和鋁損）不符合質量要求佔677%；圖 1 隨機選擇 1000 個氣球進行質量分析球形差 （01%）合格（99.）。9%）。
b.備選方案二.
晶元焊盤尺寸為 38 m、38 m，焊點間距為 43 m;
引線鍵合材料：鍍鈀銅線（PD塗層銅線），線徑為07mil
1）銅線鍵合氣球抗氧化研究。
通過研究球囊尺寸在不同保護氣體中的穩定性、球囊形狀在不同保護裝置（套件）中的穩定性以及保護氣體（來自氣體）的流速對球囊的影響，已達到銅線鍵合工藝標準。
2）首次焊點研究實驗。
選用配套裝置和配套的毛細管模型，研究粘接工藝引數，通過功率、衝擊力、x-y方向摩擦、旋轉摩擦等引數的優化試驗，最終確定一套理想的工藝引數。 此外，聯合晶元廠商對晶元鋁焊盤進行了改進，建立了銅線工藝能力評估規範，使焊盤的“鋁飛濺”和鋁損（剝落）得到有效控制，最終達到銅線鍵合工藝標準，首次焊點研究的實驗資料合格（100%）， 如圖 2 所示。
3）第二次焊點研究實驗。
通過優化毛細管設計，選擇合適的囊狀結構模型，增加了第二點接觸的面積和魚尾的厚度通過優化線弧引數，魚尾和鉛擬合效果更好;〔2〕通過優化焊接引數，提高第二焊點的功率和壓力，必要時利用打磨引數增強第二焊點的張力，穩定焊尾長度通過對二次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、防裂及周錐研究。
通過銅線的抗氧化措施，對焊盤鋁層厚度和成分的控制，以及對鋁焊盤殘餘厚度的研究，快速確認銅線鍵合，銅線鍵合裂紋和凹坑得到了有效控制。
結論通過以上研究，鍍鈀銅線的粘接能力滿足工藝要求，滿足高密度窄間距（43 m）小焊盤（38 m 38 m）IC晶元的封裝要求。 實現了SEMI（國際半導體裝置與材料協會）等國際標準化組織在電子封裝領域的標準化要求。
結論。 該解決方案使用焊盤尺寸為 38 m 38 m、焊盤間距為 43 m、鋁焊盤厚度為 0研究了具有FSG（氟矽酸鹽玻璃）介電結構的9 m晶元的銅線鍵合技術，其線徑為07mil高可靠性鍍鈀銅線鍵合工藝的工藝能力，有效保證了小焊盤（38 m、38 m）、窄間距（43 m）銅線鍵合封裝技術在LQFP、TQFP、ELQFP、多匝QFN系列產品中的推廣應用。 因此，設計方案可以實現專案的技術指標，達到研究的目的和意義，為標準化生產提供技術支援。