電子封裝技術(shù)介紹

1、電子封裝技術(shù)介紹電子封裝是一個富于挑戰(zhàn)、引人入勝的領(lǐng)域。它是集成電路芯片生產(chǎn)完成后不可缺少的一道工序，是器件到系統(tǒng)的橋梁。封裝這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)對微電子產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為，在微電子器件的總體成本中，設(shè)計占了三分之一，芯片生產(chǎn)占了三分之一，而封裝和測試也占了三分之一，真可謂三分天下有其一。封裝研究在全球范圍的發(fā)展是如此迅猛，而它所面臨的挑戰(zhàn)和機遇也是自電子產(chǎn)品問世以來所從未遇到過的；封裝所涉及的問題之多之廣，也是其它許多領(lǐng)域中少見的，它需要從材料到工藝、從無機到聚合物、從大型生產(chǎn)設(shè)備到計算力學(xué)等等許許多多似乎毫不關(guān)連的專家的協(xié)同努力，是一門綜合性非常強的新型高

2、科技學(xué)科。什么是電子封裝 (electronic packaging)? 封裝最初的定義是：保護電路芯片免受周圍環(huán)境的影響（包括物理、化學(xué)的影響）。所以，在最初的微電子封裝中，是用金屬罐 (metal can) 作為外殼，用與外界完全隔離的、氣密的方法，來保護脆弱的電子元件。但是，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，尤其是芯片鈍化層技術(shù)的不斷改進，封裝的功能也在慢慢異化。通常認為，封裝主要有四大功能，即功率分配、信號分配、散熱及包裝保護，它的作用是從集成電路器件到系統(tǒng)之間的連接，包括電學(xué)連接和物理連接。目前，集成電路芯片的I/O線越來越多，它們的電源供應(yīng)和信號傳送都是要通過封裝來實現(xiàn)與系統(tǒng)的連接；芯片的速

3、度越來越快，功率也越來越大，使得芯片的散熱問題日趨嚴(yán)重；由于芯片鈍化層質(zhì)量的提高，封裝用以保護電路功能的作用其重要性正在下降。電子封裝的類型也很復(fù)雜。從使用的包裝材料來分，我們可以將封裝劃分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝；從成型工藝來分，我們又可以將封裝劃分為預(yù)成型封裝(pre-mold)和后成型封裝（post-mold）；至于從封裝外型來講，則有SIP(single in-line package)、DIP(dual in-line package)、PLCC(plastic-leaded chip carrier)、PQFP(plastic quad flat pack)、SOP(smal

4、l-outline package)、TSOP(thin small-outline package)、PPGA(plastic pin grid array)、PBGA(plastic ball grid array)、CSP (chip scale package)等等；若按第一級連接到第二級連接的方式來分，則可以劃分為PTH(pin-through-hole)和SMT（surface-mount-technology）二大類，即通常所稱的插孔式（或通孔式）和表面貼裝式。金屬封裝是半導(dǎo)體器件封裝的最原始的形式，它將分立器件或集成電路置于一個金屬容器中，用鎳作封蓋并鍍上金。金屬圓形外殼采用由

5、可伐合金材料沖制成的金屬底座，借助封接玻璃，在氮氣保護氣氛下將可伐合金引線按照規(guī)定的布線方式熔裝在金屬底座上，經(jīng)過引線端頭的切平和磨光后，再鍍鎳、金等惰性金屬給與保護。在底座中心進行芯片安裝和在引線端頭用鋁硅絲進行鍵合。組裝完成后，用10號鋼帶所沖制成的鍍鎳封帽進行封裝，構(gòu)成氣密的、堅固的封裝結(jié)構(gòu)。金屬封裝的優(yōu)點是氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響。它的缺點是價格昂貴，外型靈活性小，不能滿足半導(dǎo)體器件日益快速發(fā)展的需要。現(xiàn)在，金屬封裝所占的市場份額已越來越小，幾乎已沒有商品化的產(chǎn)品。少量產(chǎn)品用于特殊性能要求的軍事或航空航天技術(shù)中。陶瓷封裝是繼金屬封裝后發(fā)展起來的一種封裝形式，它象金屬封裝一樣，也

6、是氣密性的，但價格低于金屬封裝，而且，經(jīng)過幾十年的不斷改進，陶瓷封裝的性能越來越好，尤其是陶瓷流延技術(shù)的發(fā)展，使得陶瓷封裝在外型、功能方面的靈活性有了較大的發(fā)展。目前，IBM的陶瓷基板技術(shù)已經(jīng)達到100多層布線，可以將無源器件如電阻、電容、電感等都集成在陶瓷基板上，實現(xiàn)高密度封裝。陶瓷封裝由于它的卓越性能，在航空航天、軍事及許多大型計算機方面都有廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了約10左右的封裝市場（從器件數(shù)量來計）。陶瓷封裝除了有氣密性好的優(yōu)點之外，還可實現(xiàn)多信號、地和電源層結(jié)構(gòu)，并具有對復(fù)雜的器件進行一體化封裝的能力。它的散熱性也很好。缺點是燒結(jié)裝配時尺寸精度差、介電系數(shù)高（不適用于高頻電路），價格昂貴，

7、一般主要應(yīng)用于一些高端產(chǎn)品中。相對而言，塑料封裝自七十年代以來發(fā)展更為迅猛，已占據(jù)了90（封裝數(shù)量）以上的封裝市場份額，而且，由于塑料封裝在材料和工藝方面的進一步改進，這個份額還在不斷上升。塑料封裝最大的優(yōu)點是價格便宜，其性能價格比十分優(yōu)越。隨著芯片鈍化層技術(shù)和塑料封裝技術(shù)的不斷進步，尤其是在八十年代以來，半導(dǎo)體技術(shù)有了革命性的改進，芯片鈍化層質(zhì)量有了根本的提高，使得塑料封裝盡管仍是非氣密性的，但其抵抗潮氣侵入而引起電子器件失效的能力已大大提高了，因此，一些以前使用金屬或陶瓷封裝的應(yīng)用，也已漸漸被塑料封裝所替代。SIP是從封裝體的一邊引出管腳。通常，它們是通孔式的，管腳插入印刷電路板的金屬孔內(nèi)

8、。這種形式的一種變化是鋸齒型單列式封裝(ZIP)，它的管腳仍是從封裝體的一邊伸出，但排列成鋸齒型。這樣，在一個給定的長度范圍內(nèi)，提高了管腳密度。SIP的吸引人之處在于它們占據(jù)最少的電路板空間，但在許多體系中，封閉式的電路板限制了SIP的高度和應(yīng)用。DIP封裝的管腳從封裝體的兩端直線式引出。DIP的外形通常是長方形的，管腳從長的一邊伸出。絕大部分的DIP是通孔式，但亦可是表面貼裝式。對DIP來說，其管腳數(shù)通常在8至64（8、14、16、18、20、22、24、28、40、48、52和64）之間，其中，24至40管腳數(shù)的器件最常用于邏輯器件和處理器，而14至20管腳的多用于記憶器件，主要取決于記憶

9、體的尺寸和外形。當(dāng)器件的管腳數(shù)超過48時，DIP結(jié)構(gòu)變得不實用并且浪費電路板空間。稱為芯片載體(chip carrier)或quad的封裝，四邊都有管腳，對高引腳數(shù)器件來說，是較好的選擇。之所以稱之為芯片載體，可能是由于早期為保護多引腳封裝的四邊引腳，絕大多數(shù)模塊是封裝在預(yù)成型載體中。而后成型技術(shù)的進步及塑料封裝可靠性的提高，已使高引腳數(shù)四邊封裝成為常規(guī)封裝技術(shù)。其它一些縮寫字可以區(qū)分是否有引腳或焊盤的互連，或是塑料封裝還是陶瓷封裝體。諸如LLC(lead chip carrier)，LLCC(leadless chip carrier)用于區(qū)分管腳類型。PLCC(plastic leaded

10、 chip carrier)是最常見的四邊封裝。PLCC的管腳間距是0.050英寸，與DIP相比，其優(yōu)勢是顯而易見的。PLCC的引腳數(shù)通常在20至84之間（20、28、32、44、52、68和84）。還有一種劃分封裝類型的參數(shù)是封裝體的緊湊程度。小外形封裝通常稱為SO，SOP或SOIC。它封裝的器件相對于它的芯片尺寸和所包含的引腳數(shù)來說，在電路板上的印跡(footprint)是出乎尋常的小。它們能達到如此的緊湊程度是由于其引腳間距非常小，框架特殊設(shè)計，以及模塊厚度極薄。在SO封裝結(jié)構(gòu)中，兩邊或四邊引腳設(shè)計都有。這些封裝的特征是在芯片周圍的模封料及其薄，因而，SO封裝發(fā)展和可靠性的關(guān)鍵是模封料在

11、防止開裂方面的性能。SOP的引腳數(shù)一般為8、14和16。四方扁平封裝（QFP）其實是微細間距、薄體LCC，在正方或長方形封裝的四周都有引腳。其管腳間距比PLCC的0.050英寸還要細，引腳呈歐翅型與PLCC的J型不同。QFP可以是塑料封裝，可以是陶瓷封裝，塑料QFP通常稱為PQFP。PQFP有二種主要的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電子工業(yè)協(xié)會(EIA)的連接電子器件委員會(Joint Electronic Device Committee, JEDEC)注冊的PQFP是角上有凸緣的封裝，以便在運輸和處理過程中保護引腳。在所有的引腳數(shù)和各種封裝體尺寸中，其引腳間距是相同的，都為0.025英寸。日本電子工業(yè)協(xié)會(E

12、IAJ)注冊的PQFP沒有凸緣，其引腳間距用米制單位，并有三種不同的間距：1.0mm，0.8mm和0.65mm，八種不同的封裝體尺寸，從10mm*10mm到40mm*40mm，不規(guī)則地分布到三種不同的引腳間距上，提供十五種不同的封裝形式，其引腳數(shù)可達232個。隨著引腳數(shù)的增加，還可以增加封裝的類型?同一模塊尺寸可以有不同的引腳數(shù)目，是封裝技術(shù)的一個重要進展，這意味著同一模具、同一切筋打彎工具可用于一系列引腳數(shù)的封裝。但是，EIAJ的PQFP沒有凸緣，這可能會引起麻煩，因為在運輸過程中，必須把這些已封裝好的器件放在一個特別設(shè)計的運輸盒中，而JEDEC的PQFP只要置于普通的管子里就可以運輸，因為

13、凸緣可以使它們避免互相碰撞。EIAJ的PQFP的長方形結(jié)構(gòu)還為將來高引腳數(shù)封裝的互連密度帶來好處。當(dāng)引腳數(shù)大于256時，在0.100英寸間距的電路板上，長方形外形可達到較高的互連密度，這是因為周邊的一些引腳可以通過模塊下的通孔轉(zhuǎn)換成平面引腳，達到PGA的互連密度。在正方形結(jié)構(gòu)中，并非所有模塊下的通孔均可以插入，必須有一些芯片的連接要轉(zhuǎn)換到模塊外形的外面，提高其有效互連面積。長方形結(jié)構(gòu)可以使短邊引腳數(shù)少于64個、引腳間距不大于0.025英寸(1mm)的所有引腳都插入模塊底下的通孔中。PQFP最常見的引腳數(shù)是84、100、132、164和196。當(dāng)引腳數(shù)目更高時，采用PQFP的封裝形式就不太合適了

14、，這時，BGA封裝應(yīng)該是比較好的選擇，其中PBGA也是近年來發(fā)展最快的封裝形式之一。BGA封裝技術(shù)是在模塊底部或上表面焊有許多球狀凸點，通過這些焊料凸點實現(xiàn)封裝體與基板之間互連的一種先進封裝技術(shù)。廣義的BGA封裝還包括矩柵陣列(LGA)和柱柵陣列(CGA)。矩柵陣列封裝是一種沒有焊球的重要封裝形式，它可直接安裝到印制線路板(PCB)上，比其它BGA封裝在與基板或襯底的互連形式要方便得多，被廣泛應(yīng)用于微處理器和其他高端芯片封裝上。BGA技術(shù)在二十世紀(jì)九十年代中期開始應(yīng)用，現(xiàn)在已成為高端器件的主要封裝技術(shù)，同時，它仍處于上升期，發(fā)展空間還相當(dāng)大。目前用于BGA封裝的基板有BT樹脂、柔性帶、陶瓷、F

15、R-5等等。在BGA封裝中，基板成本要占總成本的80左右。BT樹脂是BGA封裝中應(yīng)用最廣的基板，同時，隨著BGA封裝在整個IC封裝市場地位的不斷提高，也導(dǎo)致對基板材料數(shù)量和種類的需求不斷增長。綜上所述，電子封裝技術(shù)所涉及的范圍相當(dāng)廣泛，本培訓(xùn)課程不可能一一詳述。在本節(jié)中，將介紹最普遍的塑料封裝技術(shù)及相關(guān)的一些材料。一般所說的塑料封裝，如無特別的說明，都是指轉(zhuǎn)移成型封裝(transfer molding)，封裝工序一般可分成二部分：在用塑封料包封起來以前的工藝步驟稱為裝配(assembly)或前道操作(front end operation)，在成型之后的工藝步驟稱為后道操作(back end

16、operation)。在前道工序中，凈化室級別為100到1,000級。有些成型工序也在凈化室中進行，但是，機械水壓機和預(yù)成型品中的粉塵，很難使凈化室達到10,000級以上。一般來講，隨著硅芯片越來越復(fù)雜和日益趨向微型化，將使更多的裝配和成型工序在粉塵得到控制的環(huán)境下進行。轉(zhuǎn)移成型工藝一般包括晶圓減薄(wafer ground)、晶圓切割(wafer dicing or wafer saw)、芯片貼裝(die attach or chip bonding)、引線鍵合(wire bonding)、轉(zhuǎn)移成型(transfer molding)、后固化(post cure)、去飛邊毛刺(deflash

17、)、上焊錫(solder plating)、切筋打彎(trim and form)、打碼(marking)等多道工序。下面，將對各個工序作簡單的介紹。晶圓減薄是在專門的設(shè)備上，從晶圓背面進行研磨，將晶圓減薄到適合封裝的程度。由于晶圓的尺寸越來越大（從4英寸、5英寸、6英寸，發(fā)展到8英寸、甚至12英寸），為了增加晶圓的機械強度，防止晶圓在加工過程中發(fā)生變形、開裂，晶圓的厚度也一直在增加。但是，隨著系統(tǒng)朝輕薄短小的方向發(fā)展，芯片封裝后模塊的厚度變得越來越薄，因此，在封裝之前，一定要將晶圓的厚度減薄到可以接受的程度，以滿足芯片裝配的要求。如6英寸晶圓，厚度是675微米左右，減薄后一般為150微米。在

18、晶圓減薄的工序中，受力的均勻性將是關(guān)鍵，否則，晶圓很容易變形、開裂。晶圓減薄后，可以進行劃片(sawing or dicing)。較老式的劃片機是手動操作的，現(xiàn)在，一般的劃片機都已實現(xiàn)全自動化。劃片機同時配備脈沖激光束、鉆石尖的劃片工具或是包金剛石的鋸刀。無論是部分劃線還是完全分割硅片，鋸刀都是最好的，因為它劃出的邊緣整齊，很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。硅芯片常常稱為die，也是由于這個裝配工序（die的原意是骰子，即小塊的方形物，劃開后的芯片一般是很小的方形體，很象散落一地的骰子）。已切割下來的芯片要貼裝到框架的中間焊盤(die-paddle)上。焊盤的尺寸要和芯片大小相匹配，若焊盤尺寸太大，則會導(dǎo)

19、致引線跨度太大，在轉(zhuǎn)移成型過程中會由于流動產(chǎn)生的應(yīng)力而造成引線彎曲及芯片位移現(xiàn)象。貼裝的方式可以是用軟焊料（指Pb-Sn合金，尤其是含Sn的合金）、Au-Si低共熔合金等焊接到基板上，在塑料封裝中最常用的方法是使用聚合物粘結(jié)劑(polymer die adhesive)粘貼到金屬框架上。常用的聚合物是環(huán)氧(epoxy)或聚酰亞胺（polyimide），以Ag（顆?；虮∑┗駻l2O3 作為填充料（filler），填充量一般在75到80之間，其目的是改善粘結(jié)劑的導(dǎo)熱性，因為在塑料封裝中，電路運行過程中產(chǎn)生的絕大部分熱量將通過芯片粘結(jié)劑框架散發(fā)出去。用芯片粘結(jié)劑貼裝的工藝過程如下：用針筒或注射器將

20、粘結(jié)劑涂布到芯片焊盤上（要有合適的厚度和輪廓，對較小芯片來講，內(nèi)圓角形可提供足夠的強度，但不能太靠近芯片表面，否則會引起銀遷移現(xiàn)象），然后用自動拾片機（機械手）將芯片精確地放置到芯片焊盤的粘結(jié)劑上面。對于大芯片，誤差<25微米（1 mil），角誤差<0.3°。對15到30微米厚的粘結(jié)劑，壓力在5N/cm2。芯片放置不當(dāng)，會產(chǎn)生一系列問題：如空洞造成高應(yīng)力；環(huán)氧粘結(jié)劑在引腳上造成搭橋現(xiàn)象，引起內(nèi)連接問題；在引線鍵合時造成框架翹曲，使得一邊引線應(yīng)力大，一邊引線應(yīng)力小，而且為了找準(zhǔn)芯片位置，還會使引線鍵合的生產(chǎn)力降低，成品率下降。聚合物粘結(jié)劑通常需要進行固化處理，環(huán)氧基質(zhì)粘結(jié)劑

21、的固化條件一般是150°C，1小時（也有用186°C，0.5小時固化條件的）。聚酰亞胺的固化溫度要更高一些，時間也更長。具體的工藝參數(shù)可通過差分量熱儀（Differential Scanning Calorimetry, DSC）實驗來確定。在塑料封裝中，引線鍵合是主要的互連技術(shù)，盡管現(xiàn)在已發(fā)展了TAB(tape automated bonding)、FC(flip chip)等其它互連技術(shù)，但占主導(dǎo)地位的技術(shù)仍然是引線鍵合技術(shù)。在塑料封裝中使用的引線主要是金線，其直徑一般在0.025mm到0.032mm(1.00mil到1.25mil)。引線的長度常在1.5mm到3mm

22、(60mil到120mil) 之間，而弧圈的高度可比芯片所在平面到0.75mm(30mil)。鍵合技術(shù)有熱壓焊(thermocompression)，熱超聲焊(thermosonic)等。這些技術(shù)的優(yōu)點是容易形成球形（所謂的球焊技術(shù)，ball bonding），并且可以防止金線氧化。為了降低成本，也在研究用其它金屬絲，如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是二種金屬表面緊緊接觸，控制時間、溫度、壓力，使得二種金屬發(fā)生連接。表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學(xué)沾污、吸潮等都會影響到鍵合效果，降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在300°C到400°C，時間一般為40毫秒（

23、通常，加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優(yōu)點是可避免高溫，因為它用20到60 KHz的超聲振動提供焊接所需的能量，所以，焊接溫度可以降低一些。超聲焊是所謂的楔焊（wedge bonding）而不是球焊（ball bonding），在引線與焊盤連接后，再用夾具或利刃切斷引線（clamp tear or table tear）。楔焊的缺點是必須旋轉(zhuǎn)芯片和基座，以使它們始終處于楔焊方向上，所以，楔焊的速度就必須放慢。它的優(yōu)點是焊接面積與引線面積相差不大，可以用于微細間距(fine pitch)的鍵合。將熱和超聲能量同時用于鍵合，就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優(yōu)點

24、是將鍵合溫度從350 降到250 左右（也有人認為可以用100 到150 的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成Au-Al金屬間化合物的可能性，延長器件壽命，同時降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進主要是因為需要越來越薄的封裝，有些超薄封裝的厚度僅有0.4毫米左右。所以，引線環(huán)（loop）從一般的8至12密爾（200到300微米）減小到4至5密爾（100到125微米），這樣，引線的張力就很大，引線繃得很緊。楔焊的優(yōu)點是可以用于微細間距焊盤上，適合于高密度封裝，它甚至可用于焊盤間距小于75微米的鍵合，而若采用球焊，則1密爾（25微米）的金絲，其球焊的直徑在2.5到4密爾（63至102微米）

25、之間，要比楔焊大得多。塑料封裝的成型技術(shù)也有許多種，包括轉(zhuǎn)移成型技術(shù)、噴射成型技術(shù)（inject molding）、預(yù)成型技術(shù)（pre-molding）等，但最主要的成型技術(shù)是轉(zhuǎn)移成型技術(shù)(transfer molding)。轉(zhuǎn)移成型使用的材料一般為熱固性聚合物(thermosetting polymer)。所謂的熱固性聚合物是指在低溫時，聚合物是塑性的或流動的，但當(dāng)將其加熱到一定溫度時，即發(fā)生所謂的交聯(lián)反應(yīng)(cross-linking)，形成剛性固體。再將其加熱時，只能變軟而不可能熔化、流動。在塑料封裝中使用的典型成型技術(shù)的工藝過程如下：將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封

26、料的預(yù)成型塊在預(yù)熱爐中加熱（預(yù)熱溫度在90到95之間），然后放進轉(zhuǎn)移成型機的轉(zhuǎn)移罐中。在轉(zhuǎn)移成型活塞的壓力之下，塑封料被擠壓到澆道中，并經(jīng)過澆口注入模腔（在整個過程中，模具溫度保持在170到175左右）。塑封料在模具中快速固化，經(jīng)過一段時間的保壓，使得模塊達到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過程就完成了。用轉(zhuǎn)移成型法密封微電子器件，有許多優(yōu)點。它的技術(shù)和設(shè)備都比較成熟，工藝周期短，成本低，幾乎沒有后整理（finish）方面的問題，適合于大批量生產(chǎn)。當(dāng)然，它也有一些明顯的缺點：塑封料的利用率不高（在轉(zhuǎn)移罐、壁和澆道中的材料均無法重復(fù)使用，約有20到40的塑封料被浪費）；使用標(biāo)準(zhǔn)的框架材料，對

27、于擴展轉(zhuǎn)移成型技術(shù)至較先進的封裝技術(shù)（如TAB等）不利；對于高密度封裝有限制。對于大多數(shù)塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達到允許頂出，但是，聚合物的固化（聚合）并未全部完成。由于材料的聚合度（固化程度）強烈影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱應(yīng)力，所以，促使材料全部固化以達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，對于提高器件可靠性是十分重要的，后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必須的工藝步驟，一般后固化條件為170 到175，2至4小時。目前，也發(fā)展了一些快速固化（fastcure molding compound）的塑封料，在使用這些材料時，就可以省去后固化工序，提高生產(chǎn)效率。在封裝成型過程中，塑封料可

28、能會從二塊模具的合縫處滲出來，流到模塊外的框架材料上。若是塑封料只在模塊外的框架上形成薄薄的一層，面積也很小，通常稱為樹脂溢出（resin bleed）。若滲出部分較多、較厚，則稱為毛刺（flash）或是飛邊毛刺（flash and strain）。造成溢料或毛刺的原因很復(fù)雜，一般認為是與模具設(shè)計、注模條件及塑封料本身有關(guān)。毛刺的厚度一般要薄于10微米，它對于后續(xù)工序如切筋打彎等工藝帶來麻煩，甚至?xí)p壞機器。因此，在切筋打彎工序之前，要進行去飛邊毛刺工序（deflash）。隨著模具設(shè)計的改進，以及嚴(yán)格控制注模條件，毛刺問題越來越不嚴(yán)重了，在一些比較先進的封裝工藝中，已不再進行去飛邊毛刺的工序了

29、。去飛邊毛刺工序工藝主要有：介質(zhì)去飛邊毛刺(media deflash)、溶劑去飛邊毛刺(solvent deflash)、水去飛邊毛刺(water deflash)。另外，當(dāng)溢料發(fā)生在框架堤壩(dam bar)背后時，可用所謂的dejunk工藝。其中，介質(zhì)和水去飛邊毛刺的方法用得最多。用介質(zhì)去飛邊毛刺時，是將研磨料，如粒狀的塑料球和高壓空氣一起沖洗模塊。在去飛邊毛刺過程中，介質(zhì)會將框架引腳的表面輕微擦毛，這將有助于焊料和金屬框架的粘連。在以前曾有用天然的介質(zhì)，如粉碎的胡桃殼和杏仁核，但由于它們會在框架表面殘留油性物質(zhì)而被放棄。用水去飛邊毛刺工藝是利用高壓的水流來沖擊模塊，有時也會將研磨料和高

30、壓水流一起使用。用溶劑來去飛邊毛刺通常只適用于很薄的毛刺。溶劑包括N甲基吡咯烷酮（NMP）或雙甲基呋喃（DMF）。對封裝后框架外引腳的后處理可以是電鍍(solder plating)或是浸錫(solder dipping)工藝，該工序是在框架引腳上作保護性鍍層，以增加其抗蝕性，并增加其可焊性。電鍍目前都是在流水線式的電鍍槽中進行，包括首先進行清洗，然后在不同濃度的電鍍槽中進行電鍍，最后沖淋、吹干，然后放入烘箱中烘干。浸錫也包括清洗工序，然后放到助焊劑（flux）中進行浸泡，再放入熔融的焊錫中浸泡，最后用熱水沖淋。焊錫的成分一般是63Sn/37Pb。這是一種低共融合金，其熔點在183184之間。

31、也有用成分為85Sn/15Pb、90Sn/10Pb、95Sn/5Pb的，有的日本公司甚至用98Sn/2Pb的焊料。減少鉛的用量，主要是出于環(huán)境的考慮，因為鉛對環(huán)境的影響正日益引起人們的高度重視。而鍍鈀工藝，則可以避免鉛的環(huán)境污染問題。但是，由于通常鈀的粘結(jié)性并不太好，需要先鍍一層較厚的、致密的、富鎳的阻擋層。鈀層的厚度僅為76微米（3密爾）。由于鈀層可以承受成型溫度，所以，可以在成型之前完成框架的上焊錫工藝。并且，鈀層對于芯片粘結(jié)和引線鍵合都適用，可以避免在芯片粘結(jié)和引線鍵合之前必須對芯片焊盤和框架內(nèi)引腳進行選擇性鍍銀（以增加其粘結(jié)性），因為鍍銀時所用的電鍍液中含有氰化物，給安全生產(chǎn)和廢棄物處

32、理帶來麻煩。切筋打彎其實是二道工序，但通常同時完成。所謂的切筋工藝，是指切除框架外引腳之間的堤壩（dam bar）以及在框架帶上連在一起的地方；所謂的打彎工藝則是將引腳彎成一定的形狀，以適合裝配（assembly）的需要。對于打彎工藝，最主要的問題是引腳的變形。對于PTH裝配要求來講，由于引腳數(shù)較少，引腳又比較粗，基本上沒有問題。而對SMT裝配來講，尤其是高引腳數(shù)目框架和微細間距框架器件，一個突出的問題是引腳的非共面性（lead non coplanarity）。造成非共面性的原因主要有二個：一是在工藝過程中的不恰當(dāng)處理，但隨著生產(chǎn)自動化程度的提高，人為因素大大減少，使得這方面的問題幾乎不復(fù)存

33、在；另一個原因是由于成型過程中產(chǎn)生的熱收縮應(yīng)力。在成型后的降溫過程中，一方面由于塑封料在繼續(xù)固化收縮，另一方面由于塑封料和框架材料之間熱膨脹系數(shù)失配引起的塑封料收縮程度要大于框架材料的收縮，有可能造成框架帶的翹曲，引起非共面問題。所以，針對封裝模塊越來越薄、框架引腳越來越細的趨勢，需要對框架帶重新設(shè)計，包括材料的選擇、框架帶長度及框架形狀等，以克服這一困難。打碼就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標(biāo)識，包括制造商的信息、國家、器件代碼等，主要是為了識別并可跟蹤。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼（print）方法。它又包括油墨印碼(ink marking)和激光印碼(lase

34、r marking)二種。使用油墨來打碼，工藝過程有點象敲橡皮圖章，因為一般確實是用橡膠來刻制打碼所用的標(biāo)識。油墨通常是高分子化合物，常常是基于環(huán)氧或酚醛的聚合物，需要進行熱固化，或使用紫外光固化。使用油墨打碼，主要是對模塊表面要求比較高，若模塊表面有沾污現(xiàn)象，油墨就不易印上去。另外，油墨比較容易被擦去。有時，為了節(jié)省生產(chǎn)時間和操作步驟，在模塊成型之后首先進行打碼，然后將模塊進行后固化，這樣，塑封料和油墨可以同時固化。此時，特別要注意在后續(xù)工序中不要接觸模塊表面，以免損壞模塊表面的印碼。粗糙表面有助于加強油墨的粘結(jié)性。激光印碼是利用激光技術(shù)在模塊表面刻寫標(biāo)識。激光源常常是CO2或Nd:YAG。

35、與油墨印碼相比，激光印碼最大的優(yōu)點是不易被擦去，而且，它也不涉及油墨的質(zhì)量問題，對模塊表面的要求相對較低，不需要后固化工序。激光印碼的缺點是它的字跡較淡，即，與沒有打碼的背底之間襯度差別不如油墨打碼那樣明顯。當(dāng)然，可以通過對塑封料著色劑的改進來解決這個問題?？偟膩碇v，在目前的封裝工藝中，越來越多的制造商選擇使用激光打碼技術(shù)，尤其是在高性能產(chǎn)品中。器件裝配的方式有二種，一種是所謂的波峰焊（wave soldering），另一種是所謂的回流焊（reflow soldering）。波峰焊主要用在插孔式PTH封裝類型器件的裝配，而表面貼裝式SMT及混合型器件裝配則大多使用回流焊。波峰焊是早期發(fā)展起來的

36、一種PCB板上元器件裝配工藝，現(xiàn)在已經(jīng)較少使用。波峰焊的工藝過程包括上助焊劑、預(yù)熱及將PCB板在一個焊料峰（solder wave）上通過，依靠表面張力和毛細管現(xiàn)象的共同作用將焊料帶到PCB板和器件引腳上，形成焊接點。在波峰焊工藝中，熔融的焊料被一股股噴射出來，形成焊料峰，故有此名。目前，元器件裝配最普遍的方法是回流焊工藝（reflow soldering），因為它適合表面貼裝的元器件，同時，也可以用于插孔式器件與表面貼裝器件混合電路的裝配。由于現(xiàn)在的元器件裝配大部分是混合式裝配，所以，回流焊工藝的應(yīng)用更為廣泛?；亓鞴に嚳此坪唵?，其實包含了多個工藝階段：將焊膏（solder paste）中的溶

37、劑蒸發(fā)掉；激活助焊劑（flux），并使助焊作用得以發(fā)揮；小心地將要裝配的元器件和PCB板進行預(yù)熱；讓焊料熔化并潤濕所有的焊接點；以可控的降溫速率將整個裝配系統(tǒng)冷卻到一定的溫度?；亓鞴に囍?，器件和PCB板要經(jīng)受高達210到230的高溫，同時，助焊劑等化學(xué)物質(zhì)對器件都有腐蝕性，所以，裝配工藝條件處置不當(dāng)，也會造成一系列的可靠性問題。封裝質(zhì)量必須是封裝設(shè)計和制造中壓倒一切的考慮因素。質(zhì)量低劣的封裝可危害集成電路器件性能的其它優(yōu)點，如速度、價格低廉、尺寸小等等。封裝的質(zhì)量低劣是由于從價格上考慮比從達到高封裝質(zhì)量更多而造成的。事實上，塑料封裝的質(zhì)量與器件的性能和可靠性有很大的關(guān)系，但封裝性能更多取決于封

38、裝設(shè)計和材料選擇而不是封裝生產(chǎn)，可靠性問題卻與封裝生產(chǎn)密切相關(guān)。在完成封裝模塊的打碼（marking）工序后，所有的器件都要100進行測試，在完成模塊在PCB板上的裝配之后，還要進行整塊板的功能測試。這些測試包括一般的目檢、老化試驗（burn-in）和最終的產(chǎn)品測試（final testing）。老化試驗是對封裝好的電路進行可靠性測試（reliability test），它的主要目的是為了檢出早期失效的器件，稱為infant mortality。在該時期失效的器件一般是在硅制造工藝中引起的缺陷（即，它屬于壞芯片，但在片上測試時并未發(fā)現(xiàn)）。在老化試驗中，電路插在電路板上，加上偏壓，并放置在高溫爐

39、中。老化試驗的溫度、電壓負載和時間都因器件的不同而不同，同一種器件，不同的供應(yīng)商也可能使用不同的條件。但比較通用的條件是在125到150 溫度下，通電電壓在6.2到7.0伏（一般高出器件工作電壓20到40）通電測試24到48小時。為了了解集成電路器件的使用壽命和可靠性，除了上述的老化試驗外，常用加速試驗使器件在較短的時間里失效，并進行失效機理分析，以便盡快找到失效原因，改進設(shè)計或工藝條件，提高器件的壽命和可靠性。加速試驗（accelerated test）是可靠性測試中的一種，一般選擇一個或幾個可能引起器件失效的加速因子，如潮氣、溫度、溶劑、潤滑劑、沾污、一般的環(huán)境應(yīng)力和剩余應(yīng)力等，模擬器件在

40、實際使用過程中可能遇到的使用環(huán)境。對絕大多數(shù)集成電路產(chǎn)品來講，最短的工作時間也有好幾年，但是，制造的時間卻很短，因此，在常規(guī)操作條件下做資質(zhì)試驗（qualification test）是不太實際的，也是不經(jīng)濟的。對于使用壽命很長、可靠性很高的產(chǎn)品來講，在60的置信度（confidence level）條件下，以每千小時0.1的失效速率（即103FIT，failure unit）測試產(chǎn)品，則無失效時間長達915,000小時，即若器件樣本數(shù)為915，則要測試1,000小時才會有一個器件失效；若器件的樣本數(shù)為92，則要測試10,000小時才會有一個器件失效，這樣的測試即不經(jīng)濟又費時，因此，必須在加速

41、使用條件下進行測試。由于失效是隨時間分布的，所以，在分析失效速度時要用到許多統(tǒng)計的方法，包括根據(jù)輔助可靠性要求設(shè)計的置信度和樣本數(shù)。加速試驗包括以下步驟：選擇加速力；確定加速力的強度；設(shè)計測試程序，確定單重加速還是多重加速；將測試數(shù)據(jù)外推到實際操作條件。在選擇加速力時尤其要特別小心，因為加速試驗的目的是在于讓確實存在的缺陷提前暴露出來，而不是為了誘導(dǎo)產(chǎn)生新的缺陷或讓存在的缺陷逃脫。加速力選擇要與器件可靠性要求緊密關(guān)聯(lián)，否則可能對改進設(shè)計、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。不同的器件，其使用條件和可靠性要求不同，需要設(shè)計不同的加速試驗，以便實驗數(shù)據(jù)能真正反映器件的正常壽命，為改進設(shè)計或工

42、藝提供可靠的實驗依據(jù)。在加速試驗進行過程中，通常會在不同的時間里對試驗樣品進行電學(xué)性能測試，測試通過的樣品繼續(xù)進行試驗，測試沒有通過的樣品，則要進行失效分析。器件電學(xué)性能測試異常，通常有三種情況：開路、短路、電參數(shù)漂移。器件失效常常有二種情況，一種是所謂的過載（overstress），另一種是破損（wearout）。前一種的失效是瞬時的、災(zāi)難性的，后一種是累積的，漫長的，首先表現(xiàn)在器件性能的衰退，然后才是器件失效。引起器件失效的機理有多種，但常與金屬部件的銹蝕聯(lián)系在一起，造成銹蝕的原因包括機械、熱、電學(xué)、輻射、化學(xué)（mechanical、thermal、electrical、radiation

43、、chemical）等誘導(dǎo)因素。在機械方面，包括一般的沖擊、振動（如汽車發(fā)動機罩下面的電子裝置）、填充料顆粒在硅芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力、慣性力（如加農(nóng)炮外殼在發(fā)射時引信受到的力）等，這些負荷對材料和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有彈性形變、塑性形變、彎曲（buckle）、脆性或柔性斷裂（fracture）、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生及增殖、蠕變（creep）及蠕變開裂等；在熱學(xué)方面，包括芯片粘結(jié)劑固化時的放熱、引線鍵合前的預(yù)加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的重新加工（rework）、浸錫、波峰焊、回流焊等，熱負荷造成的影響在于材料的熱膨脹，由于材料之間的CTE失配，引起局部應(yīng)力，導(dǎo)致失效；在電學(xué)方面，突然的電沖擊（如汽車

44、發(fā)動時的點火）、由于電壓不穩(wěn)和電傳輸過程中突然的振蕩（如接地不良）而引起的電流波動、靜電電荷、電過載或輸入電壓過高、電流過大，電負荷造成介電擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗、電遷移，還會引起電銹蝕、由于枝蔓晶生長而引起的漏電流、電熱降解等；在輻射方面，封裝材料中微量的放射性元素（如鈾、釷等放射性元素）引起的a粒子輻射，尤其對存儲器有影響，會引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆蓋聚酰亞胺涂層或用人工合成的填充料都是解決的途徑；在化學(xué)方面，環(huán)境造成的銹蝕、氧化、離子表面枝蔓生長等都會引起失效，而潮濕環(huán)境下的潮氣進入則是最主要的問題，進入塑封料中的潮氣，會將材料中的催化劑等其它添加劑中的

45、離子萃取出來，生成副產(chǎn)品，進入芯片上的金屬焊盤、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、材料的界面等，激活失效機理。另外，特殊的機械失效也會影響器件性能，如雙極型器件中的小信號電流增益和MOS器件中的互導(dǎo)主要受較大機械應(yīng)力的影響。減小應(yīng)力誘導(dǎo)參數(shù)變化和失效的方法之一是積極從封裝設(shè)計、材料選擇和工藝參數(shù)中來分配熱收縮應(yīng)力。失效機理分析對于理解和改進塑料封裝工藝方面的價值是無法估量的，對失效的器件進行徹底的、正規(guī)的分析，并采取適當(dāng)?shù)母倪M措施，可以大大提高生產(chǎn)力、成品率和封裝質(zhì)量。同時，為了保證器件的電學(xué)和力學(xué)方面的可靠性，在封裝設(shè)計中失效分析也是關(guān)鍵的因素，而為了使失效分析達到最佳效果，一定要按部就班地進行分析，以保證不遺漏

46、相關(guān)的信息。發(fā)現(xiàn)器件失效后，要找到真正引起失效的原因或機理，并不太容易。除了封裝模塊的開裂之外，其它失效都發(fā)生在模塊之內(nèi)。所以，要了解器件失效的真正原因，必須有相應(yīng)的分析手段。失效分析方法一般可分為無損檢測和開封檢測二種。無損檢測就是借助于光、電、聲等方法，在不破壞器件結(jié)構(gòu)的條件下，尋找器件失效的原因。開封檢測則是首先打開器件的封裝部分，再借助儀器設(shè)備對失效原因進行檢測。是否要打開包封體是在進行失效分析時要作的第一個重要的決定，一些非破壞性的分析技術(shù)，如光學(xué)顯微鏡、X射線顯微術(shù)和掃描聲顯微鏡在失效分析中已被廣泛應(yīng)用，因為它們可以觀察器件的外部形貌或可以"穿透"包封體而&qu

47、ot;看到"封裝內(nèi)部的一些失效情況。但是，當(dāng)封裝內(nèi)部缺陷尺度小于1微米時，就達到了這些技術(shù)的分辨率極限。在許多情況下，需要打開包封體以檢測封裝內(nèi)部的缺陷。開封方法包括化學(xué)、機械和等離子體刻蝕等。器件失效的分析方法有許多，包括各種價格昂貴的專門設(shè)備，下面，將介紹一些常用的分析設(shè)備。X射線成象術(shù)：X射線可以穿過塑封料并對包封內(nèi)部的金屬部件成像，因此，它特別適用于評價由流動誘導(dǎo)應(yīng)力引起的引線變形和/或芯片焊盤的位移。在電路測試中，引線斷裂的結(jié)果是開路，而引線交叉或引線壓在芯片焊盤的邊緣上或芯片的金屬布線上，則表現(xiàn)為短路。X射線分析還可用于評估氣泡的產(chǎn)生和位置，塑封料中那些直徑大于1毫米的大

48、空洞，很容易探測到，而微束（fine focus）X射線分析儀可探測到尺寸更小的氣泡。X射線分析儀都有一個可以三維移動的平臺，并且還可以在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在Z軸方向上，要有足夠的位移，以方便在不同位置上聚焦。在XY方向，平臺要足夠大，以方便對整條框架帶進行檢測而不用將模塊切割下來，因為引線扭曲是朝著與轉(zhuǎn)移罐同方向或遠離轉(zhuǎn)移罐方向發(fā)展，常常暗示著在封裝材料選擇、封裝設(shè)計、模具設(shè)計和工藝參數(shù)確定中的不足，所以，需要在一次檢測中同時完成一條框架帶上的模塊，而不是將模塊從框架代上切割下來檢測。用X射線檢測芯片焊盤的位移較為困難，因為焊盤位移相對于原來的位置來說更多的是傾斜而不是平移，所以，在用X射線分

49、析時必須從側(cè)面穿過較厚的塑封料來檢測。檢測芯片焊盤位移更好的方法是用剖面法，這已是破壞性分析了。CSAM：C模式掃描超聲顯微鏡的工作原理與普通醫(yī)學(xué)上所用的B超很相似，只是它使用的是C模式。聲波顯微鏡很快被集成電路封裝研究和失效分析實驗室接受是因為它可提供封裝電路內(nèi)部損壞的非破壞性圖像，例如封裝開裂、空洞、分層等。用于檢測集成電路封裝的聲波成像技術(shù)有好幾種，但最廣泛應(yīng)用的模式是反射式。在該種模式中，聚集聲波脈沖穿過封裝模塊，返回的聲波（回聲）用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，這種技術(shù)就是通常所說的CSAM，因為它將七十年代在斯坦福大學(xué)發(fā)展起來的掃描聲顯微術(shù)與五十年代起就用于非破壞性測試的C掃描檢測深度分布結(jié)合

50、起來，充分發(fā)揮了精確分析和顯示能力。因為聲波是物質(zhì)波（matter wave），CSAM技術(shù)能夠反映X射線成像術(shù)無法探測到的封裝裂痕。CSAM的初級聲波脈沖頻率在15到100兆赫茲，現(xiàn)在，一些用于探測倒扣芯片封裝缺陷的CSAM的頻率更高達250兆赫茲以上。CSAM的空間分辨率在50到400微米之間，取決于許多因素，包括聲波顯微鏡的頻率、封裝模塊的厚度及塑封料對聲波的吸收等。顯微鏡：顯微鏡在封裝失效分析中十分有用，許多電路中的特征和缺陷度是通過顯微鏡確定的。顯微鏡包括一般的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡。光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)從低倍、中倍到高倍都很有用，可以用于觀測開封后的封裝模塊芯片表面缺陷，如球焊的浮

51、起，鈍化層開裂等。光學(xué)顯微鏡最好可以同時從目鏡和顯示屏中觀察，若帶有成像技術(shù)（拍照、錄象）就更加理想。掃描電子顯微鏡（SEM）也是十分有用的失效分析工具，它可以用于觀察光學(xué)顯微鏡無法清楚反映的問題，并可以把缺陷放大。大部分SEM都附帶EDX（energy dispersion X-ray），可用于探測所選區(qū)域的材料成分（元素），對于表面沾污、界面分層等的分析很有幫助。透射電子顯微鏡（TEM）在封裝失效分析中也有使用，但并不普遍。其它分析方法：由于封裝工藝中大量使用高分子材料，所以，一些高分子表征手段使用也十分廣泛，如DSC（differential scanning calorimetry，差

52、分掃描量熱儀）、TMA（thermomechanical analysis，熱機械分析）、TGA（thermogravimetric analysis，熱重分析）、DMA（dynamic mechanical analysis，動態(tài)機械分析）及流變分析等，這些設(shè)備可以幫助了解和掌握高分子材料的熱性能、機械（力學(xué)）性能和流變性能，對于工藝條件的改進是很有幫助的。另外，一些表面分析儀器如SIMS、TOFSIMS、AES、XPS、FTIR等在封裝失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了專門介紹，在這里就不再重復(fù)了。在器件失效分析中，另一種十分有用的分析方法是剖面分析（cross-section）方法，即將封裝模塊進行切割，觀察其截面情況。為了使剖面分析能