柔性電子器件批量化制備技術(shù)

柔性電子制造技術(shù)基礎(chǔ)柔性電子器件批量化制備技術(shù)1本講課程內(nèi)容鍵合技術(shù)精密視覺(jué)技術(shù)卷到卷傳輸控制技術(shù)

高速高精運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)?小型化國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)?多樣性?

Moore’s

Law

and

More,

SIA,

2007?高密度2概述電子封裝始于IC晶片制成之

后，包括IC晶片的粘結(jié)固定、電

路連線、密封保護(hù)、與電路板之

接合、模組組裝到產(chǎn)品完成之間

的所有過(guò)程。電子封裝常見(jiàn)的連接方法有

引線鍵合(wire

bonding，WB)、載

帶自動(dòng)焊（tape

automated

bonding,

TAB）與倒裝芯片(flip

chip,

FC)等

三種，倒裝芯片也稱為反轉(zhuǎn)式晶

片接合或可控制塌陷晶片互連

(controlled

collapse

chipconnection

,C4

)

。封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)?封裝尺寸

?芯片尺寸?需要采用倒裝鍵合?≈1?可能＜1?可以實(shí)現(xiàn)更高密度的封裝3歷史和特點(diǎn)1957

年Bell實(shí)驗(yàn)室采用的器件封裝技術(shù)，目前特點(diǎn)如下：

?

已有適合批量生產(chǎn)的自動(dòng)化機(jī)器；?

鍵合參數(shù)可精密控制，導(dǎo)線機(jī)械性能重復(fù)性高；?

速度可達(dá)100ms互連（兩個(gè)焊接和一個(gè)導(dǎo)線循環(huán)過(guò)程）；

?

焊點(diǎn)直徑：100

μm↘

50

μm，↘

30

μm；?

節(jié)距：100

μm

↘

55

μm，

↘

35

μm

；?

劈刀(Wedge,楔頭)的改進(jìn)解決了大多數(shù)的可靠性問(wèn)題；

?

根據(jù)特定的要求，出現(xiàn)了各種工具和材料可供選擇；

?

已經(jīng)形成非常成熟的體系。什么是引線鍵合用金屬絲將芯片的I/O端（inner

lead

bonding

pad:

內(nèi)側(cè)引線端子）

與對(duì)應(yīng)的封裝引腳或者基板上布線焊區(qū)（outer

lead

bonding

pad:

外側(cè)引

線端子）互連，實(shí)現(xiàn)固相焊接過(guò)程，采用加熱、加壓和超聲能，破壞表面氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，

界面親密接觸產(chǎn)生電子共享和原子擴(kuò)散形成焊點(diǎn)，鍵合區(qū)的焊盤(pán)金屬一般為Al或者Au等，金屬細(xì)絲是直徑通常為20～50微米的Au、Al或者Si－Al絲。4應(yīng)用范圍低成本、高可靠、高產(chǎn)量等特點(diǎn)使得它成為芯片

互連的主要工藝方法，用于下列封裝：?

陶瓷和塑料BGA、單芯片或者多芯片?

陶瓷和塑料

(CerQuads

and

PQFPs)?

芯片尺寸封裝

(CSPs)?

板上芯片

(COB)芯片互連例子采用引線鍵合的芯片互連5芯片互連例子兩種鍵合焊盤(pán)球形鍵合楔形鍵合6三種鍵合（焊接、接合）方法引線鍵合為IC晶片與封裝結(jié)構(gòu)之間的電路連線中

最常使用的方法。主要的引線鍵合技術(shù)有超音波接合

（Ultrasonic

Bonding,

U/S

Bonding）、熱壓接合

(Thermocompression

Bonding,T/C

Bonding)、與熱超音

波接合(Thermosonic

Bonding,

T/S

Bonding)等三種。機(jī)理及特點(diǎn)超

聲

焊

接

：

超

音

波

接

合

以

接

合

楔

頭

(Wedge)引導(dǎo)金屬線使其

壓緊于

金屬焊

盤(pán)上，

再由楔

頭輸入

頻率2

0至6

0KHZ，振幅

2

0

至

200

μm，

平

行

于

接

墊

平

面

之

超

音

波

脈

沖

，

使

楔

頭

發(fā)

生

水

平

彈

性

振

動(dòng)

，

同

時(shí)

施

加

向

下

的

壓

力

。

使

得

劈

刀

在

這

兩

種

力

作

用

下

帶

動(dòng)

引

線

在

焊

區(qū)

金

屬

表

面

迅

速

摩

擦

，

引

線

受

能

量

作

用

發(fā)

生

塑

性

變

形

，

在

2

5ms

內(nèi)

與

鍵

合

區(qū)

緊

密

接

觸

而

完

成

焊

接

。

常用于Al絲的鍵合。鍵合點(diǎn)兩端都是楔形

。鋁

合

金

線

為

超

音

波

最

常

見(jiàn)

的

線

材

；

金

線

亦

可

用

于

超

音

波接合，它的應(yīng)用可以在微波元件的封裝中見(jiàn)到。7熱

聲

焊

：

為

熱

壓

結(jié)

合

與

超

音

波

結(jié)

合

的

混

合

方

法

。

熱

超

音

波

結(jié)

合

也

先

在

金

屬

線

末

端

成

球

，

再

使

用

超

聲

波

脈

沖

進(jìn)

行

導(dǎo)

線

材

與

金

屬

接

點(diǎn)

間

之

結(jié)

合

。

熱

超

音

波

結(jié)

合

的

過(guò)

程

中

結(jié)

合

工

具

不

被

加

熱

而

僅

僅

是

結(jié)

合

之

基

板

維

持

在

1

00

至

1

50

℃

的

溫

度

，

此

一

方

法

除

了

能

抑

制

結(jié)

合

界

面

介

金

屬

化

合

物

(Intermetallic

Compounds)

之

成

長(zhǎng)

之

外

，

并

可

降

低

基

板

的

高

分

子

材

料

因

溫

度

過(guò)

高

而

產(chǎn)

生

劣

化

變

形

的

機(jī)

會(huì)

，

因

此

熱

超

音

波

結(jié)

合

通

常

應(yīng)

用

于

結(jié)

合

困

難

度

較

高

的

封

裝

連

線

。

金

線為熱超音波結(jié)合最常被使用的材料。3熱壓焊：金屬線過(guò)預(yù)熱至約300至400℃的氧化鋁(Al2O)或碳

化

鎢

（

WC）

等

耐

火

材

料

所

制

成

的

毛

細(xì)

管

狀

鍵

合

頭

（Bonding

Tool/Capillary,

也稱為瓷嘴或焊針），再

以電火

花或氫焰將金屬線燒斷并利用熔融金屬的表面張力效應(yīng)使

線

之

末

端

成

球

狀

（

其

直

徑

約

金

屬

線

直

徑

之

2

倍

）

，

鍵

合

頭

再將金屬球下壓至已預(yù)熱至約150至250

℃的第一金屬焊盤(pán)

上進(jìn)行球形結(jié)合（Ball

Bond）。在結(jié)合時(shí)，球點(diǎn)將因受壓

力而略為變形，此一壓力變形之目的在于增加結(jié)合面積、

減低結(jié)合面粗糙度對(duì)結(jié)合的影響、穿破表面氧化層及其他

可能阻礙結(jié)合之因素，以形成緊密之結(jié)合。8楔形鍵合楔形,

手工鍵合機(jī)劈

刀

常

常

是

通

過(guò)

氧

化

鋁

或

者

碳

化

鎢

進(jìn)

行

粉

末

燒

結(jié)

而

成

。

對(duì)

于

一

些

單

一

用

途

的

工

具

，

也

可

以

用

玻

璃

、

紅

寶

石

和

碳

化

鈦來(lái)代替。楔形劈刀和毛細(xì)管劈刀用于球形鍵合的毛細(xì)管劈刀用于Al絲鍵合的楔形劈刀用于Au絲鍵合的楔形劈刀9鍵合材料引線

－

金絲?

廣泛用于熱壓和熱聲焊，?

絲線表面要光滑和清潔以保證強(qiáng)度和防止絲線堵塞，

?

純金具有很好的抗拉強(qiáng)度和延展率，?

高純金太軟，一般加入約

5-10

ppm

重量的

Be或者30-

100

ppm的

Cu，?

摻Be的引線強(qiáng)度一般要比摻Cu的高10-20%

。10鋁

絲?

純鋁太軟而難拉成絲，一般加入

1%

Si

或者1%

Mg以提

高強(qiáng)度。?

室溫下1%

的Si

超過(guò)了在鋁中的溶解度，導(dǎo)致Si的偏析，

偏析的尺寸和數(shù)量取決于冷卻數(shù)度，冷卻太慢導(dǎo)致更多

的Si顆粒結(jié)集。Si顆粒尺寸影響絲線的塑性，第二相是疲

勞開(kāi)裂的萌生潛在位置。?

摻1%鎂的鋁絲強(qiáng)度和摻1%

硅的強(qiáng)度相當(dāng)。?

抗疲勞強(qiáng)度更好，因?yàn)殒V在鋁中的均衡溶解度為2%,于

是沒(méi)有第二相析出。銅絲?

最近人們開(kāi)始注意銅絲在IC鍵合中的應(yīng)用；?

便宜，資源充足；?

在塑封中抗波動(dòng)（在垂直長(zhǎng)度方向平面內(nèi)晃動(dòng)）能力

強(qiáng)；?

主要問(wèn)題是鍵合性問(wèn)題；?

比金和鋁硬導(dǎo)致出現(xiàn)彈坑和將金屬焊區(qū)破壞；?

由于易氧化，要在保護(hù)氣氛下鍵合。11???????未來(lái)的鍵合技術(shù)鍵合間距進(jìn)一步減小，未來(lái)10年內(nèi)，40微米的高可靠性

鍵合。鍵合弧度低于150mm以適應(yīng)微型化的發(fā)展。高可靠的Cu鍵合?？焖俚逆I合周期和低溫鍵合技術(shù)以適應(yīng)BGA的嚴(yán)格要求。

高精度的攝像和位置反饋系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。多旋轉(zhuǎn)頭的鍵合設(shè)備。面臨極大的鍵合數(shù)量將導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備的大量占地面積。什么是TAB?是芯片引腳框架的一種互連工藝，首先在高聚物上做

好元件引腳的導(dǎo)體圖樣，

然后將晶片按其鍵合區(qū)對(duì)應(yīng)放在

上面，然后通過(guò)熱電極一次將所有的引線進(jìn)行鍵合。TAB鍵合的晶片，裸芯片放在帶上并和內(nèi)部導(dǎo)體圖樣互連12電鍍金凸點(diǎn)TAB工藝步驟關(guān)鍵部分有：?芯片凸點(diǎn)制作?

TAB載帶制作?內(nèi)、外引線焊接13TAB薄膜載帶的制作普通TAB三層帶的起始材料是聚酰亞胺。用于操作的鏈輪齒洞，與

照相底片相類似，在底片的周邊打洞，作為Si芯片的窗口。銅箔被壓實(shí)

在聚酰亞胺的上面，中間是一層粘結(jié)劑。銅箔上的導(dǎo)電圖案是用光刻膠

技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光透過(guò)一層有所需圖案的光掩膜照射到光刻膠上，從而

得到所需圖樣。然后對(duì)銅箔進(jìn)行腐蝕。導(dǎo)電層圖案是鍍錫或者鍍金的。TAB技術(shù)所使用的載帶可區(qū)分為單層、雙層及三層等三種。載帶一般制成長(zhǎng)帶狀再繞于一卷軸（Reel）上，其形狀與電影膠片十分相

似。標(biāo)準(zhǔn)的載帶寬度規(guī)格有35mm，48mm,及70mm三種，厚度有75um，

125um三種。例

子?

沖孔?

Cu

箔疊層?

照相

+

腐蝕形成

Cu圖樣?

導(dǎo)電圖樣Cu鍍錫帶有Cu圖樣的TAB膜，

薄膜中的孔便于電路的

刻蝕，齒輪孔則便于帶的傳送。14TAB的缺點(diǎn)1.

它要求非標(biāo)準(zhǔn)的的Si芯片工藝（沉積金凸點(diǎn)）。2.

它要求特殊的載帶與導(dǎo)體圖案之間的裝配，這很昂貴而

且費(fèi)時(shí)。3.

PCB

上

的

組

裝

要

求

專

門(mén)

的

設(shè)

備

，

每

個(gè)

不

同

幾

何

圖

案

的

組

件

要

有

專

門(mén)

的

工

具

。

對(duì)

每

個(gè)

組

件

進(jìn)

行

單

獨(dú)

組

裝

/

焊

接

不

僅浪費(fèi)時(shí)間而且昂貴。4.

對(duì)印刷電路板進(jìn)行修理(替換一個(gè)缺陷元件)要求很苛刻

。5.

很

少

標(biāo)

準(zhǔn)

電

路

可

用

于

TAB

形

式

。

很

少

有

公

司

在

中

間

商

的

基礎(chǔ)上提供產(chǎn)品。6.

有關(guān)尺寸與加工的標(biāo)準(zhǔn)很少，這就增加了成本。1.2.3.4.TAB的優(yōu)點(diǎn)半導(dǎo)體上芯片的鍵合只需較少的鍵合區(qū)域，比絲焊更小的焊區(qū)間距。

這

就

在

節(jié)

約

了

芯

片

面

積

的

同

時(shí)

使

得

芯

片

間

的

互

連

可

容

納

更

多

的

終

端

（最高可達(dá)到1000左右）。相對(duì)于普通的組裝而言，外引線鍵合對(duì)電路板的空間要求要少的多；

也要比絲焊芯片互連要求的空間小。組裝比絲焊更簡(jiǎn)單也更快。

每個(gè)鍵合區(qū)域的金凸點(diǎn)給下面的Al金屬鍍層提供了一個(gè)密封的空間。

這降低了被腐蝕的可能性，提高了可靠性。因此，TAB

適用于不需要

另外包裝的場(chǎng)合。（上面提及的環(huán)氧樹(shù)脂滴注還是最常用的）。

引線鍵合（絲焊）每次只能鍵合一個(gè)焊點(diǎn)，而群體焊操作起來(lái)的效率

則高得多，并且有更高的產(chǎn)品收益。5.

TAB載帶還可以用作單獨(dú)的，靈活的（flexible）小印刷電路板，在小

印刷電路板上同樣可以組裝其它元件。（這可以用瑞士手表樣品來(lái)舉

例，在瑞士，所有的電子產(chǎn)品都是在TAB載帶上的。）15什么是倒裝芯片？倒裝芯片組裝就是通過(guò)芯片上的凸點(diǎn)直接將元器件朝

下互連到基板、載體或者電路板上。而導(dǎo)線鍵合是將芯片的

面朝上。倒裝芯片元件是主要用于半導(dǎo)體設(shè)備；而有些元件，

如無(wú)源濾波器，探測(cè)天線，存儲(chǔ)器裝備也開(kāi)始使用倒裝芯片

技術(shù)，由于芯片直接通過(guò)凸點(diǎn)直接連接基板和載體上，因此，

更確切的說(shuō)，倒裝芯片也叫DCA

（

Direct

Chip

Attach

）。倒裝芯片示意圖在典型的倒裝芯片封裝中,

芯片通過(guò)3到5個(gè)密耳

(mil)厚的焊料凸點(diǎn)連接到芯片載體上，底部填

充材料用來(lái)保護(hù)焊料凸點(diǎn).16優(yōu)

點(diǎn)

小尺寸:

小的IC引腳圖形

(只有扁平封裝的5％）減小了高

度和重量。

功能增強(qiáng):

使用倒裝芯片能增加I/O

的數(shù)量。I/O

不像導(dǎo)線

鍵合中出于四周而收到數(shù)量的限制。面陣列使得在更小的空

間里進(jìn)行更多信號(hào)、功率以及電源等地互連。一般的倒裝芯

片焊盤(pán)可達(dá)400個(gè)。

性能增加:

短的互連減小了電感、電阻以及電容，保證了

信號(hào)延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通

道。

提高了可靠性:

大芯片的環(huán)氧填充確保了高可靠性。

倒裝

芯片可減少三分之二的互連引腳數(shù)。

提高了散熱熱能力：倒裝芯片沒(méi)有塑封，芯片背面可進(jìn)行

有效的冷卻。

低成本：批量的凸點(diǎn)降低了成本。倒裝鍵合的優(yōu)勢(shì)：

電

感

、

電

容

及

電

阻

值

低

，

傳輸速度快，頻率高；

電

氣

連

接

距

離

短

，

有

利

于

發(fā)

揮

芯

片

優(yōu)

越

的

電

學(xué)

性

能

，耗散功率大；

封

裝

體

積

小

，

封

裝

密

度

高

，

目

前

幾

乎

所

有

的

高

密

度

封

裝

方

式

都

采

用

了

倒

裝

技

術(shù)；倒裝鍵合技術(shù)優(yōu)勢(shì)?塑封?環(huán)氧材料

填充?芯片?焊球?焊球?芯片?粘接?芯片?引線?鍵合?基板?塑封?基板17信號(hào)效果比較缺

點(diǎn)

裸芯片很難測(cè)試

凸點(diǎn)芯片適應(yīng)性有限

隨著間距地減小和引腳數(shù)的增多導(dǎo)致PCB技術(shù)

面臨挑戰(zhàn)

必須使用X射線檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)不可見(jiàn)的焊點(diǎn)

和SMT工藝相容性較差

操作夾持裸晶片比較困難

要求很高的組裝精度

目前使用底部填充要求一定的固化時(shí)間

有些基板可靠性較低

維修很困難或者不可能18球

或

者

絲

網(wǎng)

工

藝

施

加

到

芯

片

上

，

再

回

流

工

藝

將

焊

料

熔

化

并

形

成

連

接；金錫焊接主

要

用

于

光

電

組

裝

領(lǐng)

域

，

其

焊

球

材

料

由

金

錫

組

成

，

適

用

于

無(wú)

助

焊

劑的工藝應(yīng)用熱壓焊接芯

片

高

精

度

對(duì)

位

及

貼

裝

到

基

板

表

面

后

，

將

芯

片

和

基

板

上

的

焊

接

材

料加熱到熔點(diǎn)溫度膠裝焊倒裝鍵合主要工藝（1）

共晶焊接（C4）采

用

共

晶

材

料

凸

點(diǎn)

，

焊

料

通

過(guò)

植

?蘸?貼?回流?底部?填充?帶焊球芯片?帶焊盤(pán)芯片?芯片與焊盤(pán)自對(duì)準(zhǔn)?共晶焊接過(guò)

程熱超聲焊接板

表

面

后

，

芯

片

通

過(guò)

超

聲

波

能

量

作

單

向

震

動(dòng)

，

在

壓

力

和

溫

度

的

作

用

下

使

芯

片

凸

點(diǎn)

與

基板焊盤(pán)形成連接膠粘工藝種不同的方式應(yīng)用于芯片

和基板之間，如：點(diǎn)膠，

絲網(wǎng)印刷或以膠膜形態(tài)使

兩者相互連接倒裝鍵合主要工藝（2）芯

片

高

精

度

對(duì)

位

及

貼

裝

到

基

?

粘性材料可以通過(guò)各?超聲能?加壓加熱?芯片?芯片?球狀或針狀金凸點(diǎn)?各向異性導(dǎo)電膠?非導(dǎo)電?加熱

?加壓加熱?基板?針狀凸點(diǎn)芯片?加熱膠?加熱?基板19倒裝芯片工藝—通過(guò)粘膠連接導(dǎo)電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法，導(dǎo)電膠連接既保持了封裝結(jié)構(gòu)的輕薄，成本也沒(méi)有顯著增加。該工

藝的優(yōu)點(diǎn)是：?

工藝簡(jiǎn)單?

固化溫度低?

連接后無(wú)需清洗各向同性、各向異性導(dǎo)電膠各向異性導(dǎo)電膠是膏狀或者薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹(shù)脂，加入了一定含量的金屬顆?；蚪饘偻扛驳母叻肿宇w粒。在連接前，導(dǎo)電膠在各個(gè)方向上都是絕緣的，但是在連接后它在垂直方向上導(dǎo)電。金屬顆?；蚋叻肿宇w粒外的金屬涂層一般為金或者鎳。各向同性導(dǎo)電膠是一種膏狀的高分子樹(shù)脂，加入了一定含量的導(dǎo)電顆粒，因此在各個(gè)方向上都可以導(dǎo)電。通常高分子樹(shù)脂

為環(huán)氧樹(shù)脂，導(dǎo)電顆粒為銀。20倒裝芯片導(dǎo)電膠連接示意圖倒裝鍵