半導體技術論文
隨著對半導體材料的研究,半導體技術成為一種重要的技術,在推動經濟發展的過程中,起著重大的作用。這是小編為大家整理的，僅供參考!
半導體器件封裝技術篇一
[摘要]半導體器件封裝技術是一種將晶片用絕緣的塑料、陶瓷、金屬材料外殼打包的技術。封裝技術對於晶片來說是必須的,也是非常重要的。
[關鍵詞]半導體器件 封裝技術
“半導體器件封裝技術”是一種將晶片用絕緣的塑料、陶瓷、金屬材料外殼打包的技術。以大功率晶體三極體為例,實際看到的體積和外觀並不是真正的三極體核心的大小和麵貌,而是三極體晶片經過封裝後的產品。封裝技術對於晶片來說是必須的,也是非常重要的。因為晶片必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質對晶片電路的腐蝕而造成電氣效能下降。另一方面,封裝後的晶片也更便於安裝和運輸。由於封裝技術的好壞直接影響到晶片自身效能的發揮和與之連線的PCB***印製電路板***的設計和製造,因此它是至關重要。
封裝也可以說是指安裝半導體晶片用的外殼,它不僅起著安放、固定、密封、保護晶片和增強導熱效能的作用,而且還是溝通晶片內部世界與外部電路的橋樑――晶片上的接點用導線連線到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件建立連線。因此,對於大功率器件產品而言,封裝技術是非常關鍵的一環。
半導體器件有許多封裝形式,按封裝的外形、尺寸、結構分類可分為引腳插入型、表面貼裝型和高階封裝三類。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術指標一代比一代先進。總體說來,半導體封裝經歷了三次重大革新:第一次是在上世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在上世紀90年代球型矩陣封裝的出現,滿足了市場對高引腳的需求,改善了半導體器件的效能;晶片級封裝、系統封裝等是現在第三次革新的產物,其目的就是將封裝面積減到最小。高階封裝實現封裝面積最小化。
一、封裝材料
封裝的基材有陶瓷、金屬和塑料三種。從數量上看,塑料封裝佔絕大部分,半導體塑料封裝用的材料是環氧塑封料,七十年代起源於美國,後發揚光大於日本,現在我國是快速掘起的世界環氧塑封料製造大國。塑料封裝多是用絕緣的環氧塑封料包裝起來,能起著密封和提高晶片電熱效能的作用。
二、封裝型別
1.金屬封裝。由於該種封裝尺寸嚴格、精度高、金屬零件便於大量生產,故其價格低、效能優良、封裝工藝容易靈活,被廣泛應用於電晶體和混合積體電路如振盪器、放大器、交直流轉換器、濾波器、繼電器等產品上。
2.陶瓷封裝。陶瓷封裝的許多用途具有不可替代的功能,特別是積體電路元件工作頻率的提高,訊號傳送速度的加快和晶片功耗的增加,需要選擇低電阻率的佈線導體材料及低介電常數、高導電率的絕緣材料等。
3.金屬-陶瓷封裝。它是以傳統多層陶瓷工藝為基礎,以金屬和陶瓷材料為框架而發展起來的。最大特徵是高頻特性好、噪音低而被用於微波功率器件。
4.塑料封裝。塑料封裝由於其成本低廉、工藝簡單,並適於大批量生產,因而具有極強的生命力,自誕生起發展得越來越快,在封裝中所佔的份額越來越大。目前我國環氧塑料封料年產9萬噸以上。
三、封裝時主要考慮的因素
1.芯片面積與封裝面積之比為提高封裝效率,儘量接近1:1。
2.引腳要儘量短以減少延遲,引腳間的距離儘量遠,以保證互不干擾,提高效能。
3.基於散熱的要求,封裝越薄越好。作為裝置或整機的重要組成部分,器件的效能直接影響整機的整體效能。而器件製造工藝的最後一步也是最關鍵一步就是它的封裝技術,採用不同封裝技術的器件,在效能上存在較大差距。只有高品質的封裝技術才能生產出完美的產品。
四、主要封裝技術
半導體器件的封裝形式分為插入安裝式***DIP***和表面安裝式***SMD***兩大類。插入安裝式包括金屬外殼封裝、玻璃封裝、陶瓷封裝、塑料封裝和樹脂封裝等,使用較多的是塑料封裝和金屬外殼封裝。表面安裝式包括塑料封裝和樹脂封裝等,使用較多的是塑料封裝。
1.DIP技術
***Dual In-line Package***,也叫直插式封裝技術,指採用直插形式封裝的器件晶片,絕大多數器件採用這種封裝形式,其引腳數一般為三條。可以直接插在有相同焊孔數的電路板上進行焊接。
DIP封裝具有以下特點:
***1***適合在PCB***印刷電路板***上穿孔焊接,操作方便。
***2***芯片面積與封裝面積之間的比值較大,體積也較大。
典型的DIP封裝電晶體形式有TO-92、TO-126、TO-220、TO-251、TO-263等,主要作用是訊號放大和電源穩壓。
2.SMD技術
SMD封裝也叫表面安裝技術,用這種形式封裝的晶片必須採用SMD***表面安裝裝置技術***將晶片與主機板焊接起來。採用SMD安裝的晶片不必在主機板上打孔,一般在電路板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將晶片各腳對準相應的焊點,即可實現與電路板的焊接。用這種方法焊上去的晶片,如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
SMD封裝具有以下特點:
***1***適用於SMD表面安裝技術在PCB電路板上安裝佈線。
***2***適合高頻使用。
***3***操作方便,可靠性高。
***4***芯片面積與封裝面積之間的比值較小。
五、封裝的作用
封裝***Package***對於晶片來說是必須的,也是至關重要的。封裝也可以說是指安裝半導體器件晶片用的外殼,它不僅起著保護晶片和增強導熱效能的作用,而且還是溝通晶片內部世界與外部電路的橋樑和規格通用功能的作用。封裝的主要作用有:
***1***物理保護。因為晶片必須與外界隔離,以防止空氣中的雜質對晶片電路的腐蝕而造成電氣效能下降,保護晶片表面以及連線引線等,使相當柔嫩的晶片在電氣或熱物理等方面免受外力損害及外部環境的影響;同時通過封裝使晶片的熱膨脹係數與框架或基板的熱膨脹係數相匹配,這樣就能緩解由於熱等外部環境的變化而產生的應力以及由於晶片發熱而產生的應力,從而可防止晶片損壞失效。另一方面,封裝後的晶片也更便於安裝和運輸。
***2***電氣連線。封裝的尺寸調整***間距變換***功能可由晶片的極細引線間距,調整到實裝基板的尺寸間距,從而便於實裝操作。例如從以亞微米***目前已達到0.1 3μm以下***為特徵尺寸的晶片,到以10μm為單位的晶片焊點,再到以100μm為單位的外部引腳,都是通過封裝來實現的。封裝在這裡起著由小到大、由難到易、由複雜到簡單的作用,從而可使操作費用及材料費用降低,而且能提高工作效率和可靠性,特別是通過實現佈線長度和阻抗配比儘可能地降低連線電阻,寄生電容和電感來保證正確的訊號波形和傳輸速度。
***3***標準規格化。規格通用功能是指封裝的尺寸、形狀、引腳數量、間距、長度等有標準規格,既便於加工,又便於與印刷電路板相配合,相關的生產線及生產裝置都具有通用性。這對於封裝使用者、電路板廠家、半導體廠家都很方便。
六、半導體器件封裝技術發展
半導體器件有許多封裝形式,按封裝的外形、尺寸、結構分類可分為引腳插入型、表面貼裝型和高階封裝三類。從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術指標一代比一代先進。總體說來半導體技術經歷了三次重大革新:第一次是在20世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,它極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在20世紀90年代球型矩陣封裝的出現,滿足了市場對高引腳的需求,改善了半導體器件的效能;晶片級封裝、系統封裝等是現在第三次革新的產物,其目的就是將封裝面積減到最小。
所謂封裝是指安裝半導體器件用的外殼,它不僅起著安放、固定、密封、保護晶片和增強電熱效能的作用,而且還是溝通晶片內部世界與外部電路的橋樑―晶片上的接點用導線連線到封裝外殼的引腳上,這些引腳又通過印製板上的導線與其他器件建立連線。因此,封裝對CPU和其他LSI積體電路都起著重要的作用。新一代CPU的出現常常伴隨著新的封裝形式的使 用。 晶片的封裝技術已經歷了好幾代的變遷,從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術指標一代比一代先進,包括芯片面積與封裝面積之比越來越 接近於1,適用頻率越來越高,耐溫效能越來越好,引腳數增多,引腳間距減小,重量減小,可靠性提高,使用更加方便等等。
七、塑封器件封裝工藝簡介
劃片―粘片―壓焊―包封―列印―電鍍―切筋―測試―包裝―入庫
八、國內封裝技術存在的問題與不足
1.封裝技術人才嚴重短缺、急需封裝技術人員的培訓。
2.先進的封裝裝置、封裝材料及其產業鏈滯後,配套不上且質量不穩定。
3.封裝技術研發能力不足,生產工藝程式設計不周,可操作性差,執行能力弱。
4.封裝裝置維護保養能力差,缺少有經驗的維修工程師,且可靠性實驗裝置不齊全,失效分析能力不足。
5.國內封裝企業普遍還處於規模小,技術低,從事低端產品生產的居多,可持續發展能力低,缺乏向高檔發展的技術和資金。
九、建議和對策
1.依靠技術創新佔領高階市場,目前國內器件呈現兩極化的發展趨勢,即低端產品市場競爭激烈,高階市場增長迅速,產品供不應求。我們應積極進行技術研發,及時向市場推出新產品,佔領高階市場。
2.依靠高等院校,科技攻關和自然基金以及產業化專案培養人才,封裝目前已經成為一個支柱性的行業。封裝是一個典型的交叉學科,要提高封裝技術水平應從基礎做起,培養各個層次的人才,掌握核心技術。
3.利用外來技術帶動產業升級,目前跨國半導體企業紛紛加大在我國投資,擴大在國內的生產規模,這些國際企業製造水平處於世界領先水平,這對於提高國內器件行業整體技術水平,培養國內工程技術人員,進而帶動國內器件產業升級都有積極作用。
十、結束語
我國半導體器件封裝事業擔負著振興國內半導體行業的重任,面臨艱鉅的挑戰和各種困難,半導體器件封裝技術目前還存在不少問題和困難,我們還是要堅持在科學發展中尋找解決困難的途徑,以積極的姿態、創新的工作,共同迎接中國半導體事業的美好明天。
參考文獻:
[1]中國半導體封裝產業調研報告.中國半導體行業協會封裝分會.2005年度,2009年度.
[2]半導體封裝形式介紹.百度>專業文獻/行業資料.
半導體封裝工藝技術的探討篇二
摘要：半導體生產流程由晶圓製造、晶圓測試、晶片封裝和封裝後測試組成。半導體封裝是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立晶片的過程。
關鍵詞：半導體;封裝;工藝技術
中圖分類號：O471文獻標識碼： A
1、封裝的分類封裝***Package***種類繁多，而且每一種封裝都有它獨特的地方，它所用的封裝材料、封裝裝置、封裝技術也都根據其需要有所不同。
***1***根據所用材料劃分半導體器件封裝形式有金屬封裝、陶瓷封裝、金屬一陶瓷封裝和塑料封裝。
***2***根據封裝密封性方式分為氣密性封裝和樹脂封裝兩類。他們的目的都是將晶體與外部溫度、溼度、空氣等環境隔絕，使電氣絕緣，並實現向外散熱及緩和應力。
***3***根據封裝外形、尺寸、結構分為引腳插入型、表面貼裝型和高階封裝。
2、封裝過程及工藝說明
來自晶圓前道工藝的晶圓通過晶片***Chip***切割***Saw***工藝後，被切割為小的晶片***Die***，然後將切割好的晶片貼裝***Die bond/mount***到相應的基板引線框架***Leadframe***上，用銀膠***Ag Epoxy***、焊錫等助焊劑進行粘接，再用超細的金屬***金、銅、鋁***導線或導電性樹脂將晶片的接合焊盤***Bond Pad***連線到基板的相應引腳***Lead***,該工藝被稱為焊接鍵合***Wire bond***;然後對獨立的晶片用塑料外殼加以封裝保護，塑封之後，還要進行後樹脂固化***Post Mold Cure***、切筋和成型***Trim&Form***、電鍍***Plating***以及測試***Test***等工藝。最後將測試的良品經過打標***Marking***和包裝***Packing***入庫出貨***Ship***。
***1***晶片切割***Wafer Saw***工藝
晶片切割工藝是將wafer上連線在一起的晶片，經切割機切割分離開，主要操作是貼膜、切割和清洗。貼膜是用藍、白膜將wafer 固定在繃環上，為下一步切割做準備。該工序用5MPa 的壓縮空氣為固定藍膜提供動力，用真空為承載臺吸附wafer 提供吸力，承載臺45℃的溫度使藍、白膜和wafer 及繃環更好的貼上在一起。晶片切割是對貼膜後的wafer 進行切割。該工序使用5MPa 的壓縮空氣為主軸提供懸浮動力，真空為承載臺提供吸附力，參入二氧化碳的高純水對切割中的晶片進行靜電防護。清洗主要是對切割後的wafer 進行清洗，使劃片後的晶片表面無矽渣等異物殘留，以免影響後續壓焊及產品質量。
***2***貼片***Die bond/mount***工藝
貼片工藝分為熱焊接和冷焊接。熱焊接是在氮氫混合氣的保護下，用錫銀銻焊料將晶片貼上到框架上，以保護晶片在工作狀態下散熱良好，冷焊接則不需要氣體的保護而進行，但在焊接完成後要進行固化烘乾。粘片機使用壓縮空氣為進料和出料氣缸提供動力，用1︰10、1 ：5的氮氫混合氣對框架進行保護和還原。貼片工序主要由加熱、不加熱，點錫、膠，壓模，貼片四部分組成。加熱由長距離的軌道在傳送時完成，其加熱溫度為380℃左右，根據不同產品溫度稍有變化;點錫是在高溫的框架上將定量的焊錫熔在框架設定的位置上;壓模是在貼片前對熔解的焊錫進行整形，使貼片後錫層厚度，晶片的傾斜度能更好的控制在工藝範圍內，以保證晶片工作時散熱良好;點膠是在不加熱的軌道上進行的。貼片是將藍膜上好的晶片通過影象識別，用邦頭吸取並貼在框架熔有焊錫、銀膠的位置上，使晶片與框架通過焊錫、銀膠焊接起來。
***3***焊接鍵合***Wire Bond***工藝
W/B在封裝工藝中最為關鍵。其運用超聲壓焊技術，用鋁線，金線或銅線將晶片與引線管腳連線起來。超聲壓焊是利用壓焊臺的換能器將電能轉化為機械能。超聲機械能通過劈刀使焊線和焊接面摩擦，除去焊接表面的氧化層並使焊接面發生塑性形變，同時互相擴散，形成良好的分子鍵合完成焊線和焊接面的焊接。焊接鍵合的成功與功率***Power***，時間***Time***，壓力***Force***和溫度***Temperature***相關，功率過大會使晶片彈坑***Crater***，過小會有虛焊，壓力過大會使晶片壓碎，過小也會虛焊，時間過長會使焊接過焊，在焊點兩側燒灼色，過小也將造成虛焊，因此好的鍵合需要根據晶片表面的鋁層，焊線的線徑制定出合理的引數，既能保證焊接良好，又不損壞晶片。在以上基礎上還要有一定的軌道基板溫度來實現焊接的完成。
***4***塑封***Mold***工藝
將鍵合後的晶片用塑料材料***EMC***包裝封閉，可以保護和隔熱。塑封工藝流程為：a、排片：用排片機將鍵合好的產品從料盒中拉至預熱臺;b、上料：用上料架將預熱好的整模框架放置於塑封模具內;c、合模加壓：操作包封機，合閉上下模具，使模具內形成型腔;d、塑封料加熱：操作高頻預熱機，將塑封料軟化;e、加料：將軟化好的塑封料通過料筒新增至模具中;f、注塑：操作塑封壓機，用注塑元件將塑封料推擠至型腔中;g、塑封料固化：在180℃條件下，通過90 到150 秒使塑封料從玻璃化狀態轉為固態;h、下料：將整模框架從模具上拿下，並將產品從塑料體上剝離。
***5***後固化工藝
後固化就是對塑封產品進行深度處理，使產品上的塑料粉更充分的粘結，使器件發揮最佳效能。後固化工藝流程：a、裝置操作：設定烘箱加熱時間和加熱溫度;b、進料：待烘箱溫度穩定在170℃時，佩戴耐高溫絕熱手套將產品連同老化盒放入烘箱中;c、出料：後固化4 小時後開啟烘箱，佩戴耐高溫絕熱手套取出產品。
***6***電鍍***Plating***工藝
產品塑封完成後要去溢料，表面鍍錫。先將產品放入盛有軟化劑的不鏽鋼軟化槽內，加熱到105 度。根據產品溢料嚴重情況加熱30至120 分鐘，將產品背部散熱片及其它部位的溢料泡軟。然後放入盛有清水的不鏽鋼槽內，將框架表面的軟化劑清洗乾淨，進入去溢料工序。將框架逐條放在去溢料機的進料軌道槽內，要求框架背部散熱片朝向操作者，鋼帶將產品帶入高壓水槽內，利用高壓水將框架上的溢料去除乾淨。然後鋼帶將框架帶入吹乾槽內吹乾，再帶入烘乾槽內烘乾，然後下料進入鍍錫。將框架按照框架背部散熱片向外的原則將框架掛在掛架上。然後將掛架掛在軌道掛具上，以此經過除油槽、熱純水洗槽、冷純水洗槽、去氧化槽、二道自來水洗槽、一道自來水洗槽、二道純水洗槽、一道純水洗槽、酸預浸槽、鍍錫槽、二道自來水洗槽、一道自來水洗槽、中和槽、二道自來水洗槽、一道自來水洗槽、二道熱純水洗槽、一道熱純水洗槽、烘乾槽。再將產品放入烘箱內，溫度設定175 度，烘烤1 小時，以消除鍍錫應力。
***7***切筋和成型***Trim&Form***工藝
切筋切斷是用切筋切斷裝置將整條已電鍍的產品分割成型的過程。切筋切斷工藝流程：a、上料：將檢驗合格的產品按正確方向放到料盒內，並將料盒推入上料軌道中;b、衝切：操控自動衝切系統，將衝切軌道中的產品切割。成型是在切筋工藝完成後對產品的引腳成型的過程，以達到工藝需要求的形狀。
***8***測試***Test***工藝
測試工序：將切筋切斷好的產品按料管放入分選機上料槽內，根據產品測試規範連線好相應的測試機，然後開啟相應測試站，產品依次經過1、2、3 測試站，最後分選機將合格產品根據分檔要求分別放入不同的下料槽內，測試完成。
***9***打標***Marking***工藝
打標是利用鐳射打標機將測試後的良性產品刻蝕上標記。打標工藝流程：a、裝置預熱：開啟裝置氪燈開關，等待5 分鐘，裝置進入穩定工作狀態;b、程式設計：使用標記軟體，按生產要求編輯標記內容;c、上料：按方向將產品放置於軌道上;d、標記：利用高能鐳射刻蝕塑封體表面，使塑封體表面留下痕跡;e、下料：將打標後的產品放置於傳遞盒之內。
***10***包裝***Packing***工藝
包裝是將測試，打標通過的產品根據不同檔位分開，按客戶的包裝規範要求裝料釘，裝盒，貼標籤，裝箱，貼標籤，打包，入庫，包裝完成。
3、結束語
綜上，封裝***Package***對晶片來說是必須也是至關重要的。封裝也可以說是安裝半導體積體電路晶片用的外殼，它不僅可以保護晶片、增強導熱效能，還有溝通晶片內部世界與外部電路的橋樑和規格通用的功能。因此我們只有熟練掌握各種封裝工藝，才能在以後的工作中提高效率，保證質量，並做到精益求精。