新型微电子封装技术标准化问题及改进方案研究
李彦林， 周晨， 甘玉田.
甘肃林业职业技术学院）。
摘要：电子封装是用塑料包裹裸露的IC硅片，以保护和制作外部引脚。 引脚间距越小，回流焊时越难以稳定供应焊料，故障率非常高。 多引脚封装是未来的主流，因此微电子封装的技术要求应尽可能适应多引脚封装。 但是，芯片的封装有一定的规格，如果每个封装厂都执行自己的标准，很明显芯片的通用性会大大降低，不可能在半导体行业创造繁荣。 鉴于此，本文讨论了不同电子封装技术存在的问题，分析了电子封装技术中存在的问题，并设计了具体的改进方案，以提高产品可靠性，降低制造成本和安全风险。 以期为微电子封装技术的标准化生产提供参考和指导。
介绍。 微电子封装是将一个或多个集成电路与倒装芯片粘接在一起，使它们成为电子元件或具有实用功能的元件。 本文围绕微电子封装技术的安全性和可靠性，通过技术攻关，攻克了高密度窄间距小焊盘铜线键合工艺的关键技术难题，提高了小焊盘和窄间距IC芯片封装领域铜线代替金线的工艺水平，促进了企业技术创新和产品自主开发能力， 缩小了与国外包装技术的差距，提高了产品质量和标准化水平。
1 微电子封装技术及现状。
电子封装技术涉及多个学科，包括材料科学、电磁学、热管理、微纳制造、电子器件等专业。 随着微电子封装科学家对三维集成电路研发的逐步深入，电子封装正在从传统的制造模式向系统封装（SOP-系统上封装SIP-系统级封装）和三维封装（3D封装）模式转变，系统封装的先进封装技术开始进入市场。 电子技术的飞速发展，日新月异，三维封装（3D封装）目前尚无具体的国家技术标准，电子封装技术大多采用国外研究机构的技术标准。 封装形式多种多样，以最常见的双列直插式封装（DIP，双列直插式封装）为例，DIP8表示有8个引脚，引脚的长度、间距、宽度等都有严格的标准来执行，封装厂只会按照这个标准来执行，如果现在模具上只有7个焊盘呢？当然，还是要用到dip8，只是挂了一个引脚，当然不可能随意设计引脚数，半导体产业各个方面都有标准，“没有规则就没有一个圆圈”，微电子封装技术从“原始成长”到“成熟发展”需要有机规范。 通过提高微电子封装技术的相关标准，消除不同品牌微电子封装技术硬件设备采集的数据格式和数据质量的差异，促进信息的流动和共享，消除数据孤岛已成为新型微电子封装技术发展和创新的迫切需要。
1.1.新型微电子封装技术。
根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫标准的要求，原标准《微电子技术第一浆料》（GB T 17472-2008）的适用范围已从厚膜微电子技术用第一浆料扩大到烧结固化微电子技术最佳浆料更注重浆料的可焊性和可焊性。 一般来说，微电子封装分为**，其中包含一些组装和包装的内容。 微电子封装的范围应包括单芯片封装（SCP）设计与制造、多芯片封装（MCM）设计与制造、芯片后封装工艺、各种封装基板设计与制造、芯片互连与组装、封装的整体电气、机械、热和可靠性设计、封装材料、封装模具夹具和绿色包装。
1.2、新型微电子封装技术主要包括以下几种。
从技术发展来看，微电子封装的关键技术主要包括：（1）3D封装，在2D封装的基础上，将多个裸芯片、封装芯片、多芯片组件甚至圆盘堆叠互连，形成三维封装，称为层压3D封装 （2）焊球阵列封装（BGA）： 阵列封装 （BGA） 以圆形或圆柱形焊点阵列的形式分布在封装下方，从而提高了装配良率。装配可共面焊接，可靠性高;（3）芯片级封装（CSP）是指芯片级封装。 CSP 封装允许芯片面积和封装面积之间的比例超过 1：114，已经相当接近1：1的理想情况了。 与 BGA 封装相比，CSP 封装可以在相同空间内将存储容量增加多达 3 倍（4）系统封装（SIP）是指通过封装实现整个系统的功能。
2 微电子三维（3D）封装技术分析。
2.1 应用范围不够广。
从微电子封装技术的材料可以看出，IC芯片将向小型化、高性能、环保要求方向发展。 微电子封装技术的应用范围不够广，过去几年已经超过208引脚、256引脚、304引脚，间距为05mm样式，包括间距04mm型的QFPS主要由塑料和陶瓷外壳制成，通常适用于各种类型的塑料器件的高铅数。
2.2 传统铜线键合工艺存在的问题。
由于传统铜线键合工艺的极限容量是50 m的芯片焊盘尺寸和60 m的焊盘间距，因此此尺寸以下的芯片只能采用金线工艺，而在研究过程中，为了实现这种金线工艺的合理替代，必须解决以下小焊点和窄间距铜线键合面临的问题
第一：铜线键合气球抗氧化技术;
二：防止铜线键合焊盘损坏，控制“铝飞溅”的键合技术;
第三：第二焊点粘接强度的研究;
第四：铜线键合防裂和缩孔技术。
随着QFP封装引线数量的增加，外壳尺寸急剧增加，引线间距可以进一步减小，以代替封装尺寸的增加。 因此，有必要开展高密度窄间距封装技术的研发和技术改进。
3、具体的改进方案。
为了解决微电子三维（3D）封装技术的问题，我们开发了以下解决方案：焊盘尺寸为38米，焊点间距为43米的芯片引线键合材料：普通铜线，直径07mil。对球囊尺寸在不同保护气体中的稳定性进行了研究。
3.1、技术路线方案论证。
3.1.1 技术路线。
前期调研、规划、工艺流程确定、关键技术攻关、工程批量试验、可靠性评估、风险批生产、小批量生产、转为量产。
3.1.2 技术方案。
为了解决上述问题，我们制定了以下两种解决方案：
a.选项 1.
1）铜线键合气球抗氧化研究。
氢氮混合保护气体（流量：04 ～0.7L min），随机抽取1000个气球，比较如下：在N2+H2保护气体条件下，07mil普通铜线烧球有20个03%的气球表面有氧化和桃形球，不对称球、凹凸球、孔球等球形缺陷比例达到40%左右。
2）首次焊点研究实验。
第一次焊点研究实验的结果如下：在焊板尺寸为38 m、焊点间距为43 m的芯片上进行铜线键合测试，球形缺陷（高尔夫球）占57%，粘接强度（不粘和铝损）不符合质量要求占677%；图 1 随机选择 1000 个气球进行质量分析球形差 （01%）合格（99.）。9%）。
b.备选方案二.
芯片焊盘尺寸为 38 m、38 m，焊点间距为 43 m;
引线键合材料：镀钯铜线（PD涂层铜线），线径为07mil
1）铜线键合气球抗氧化研究。
通过研究球囊尺寸在不同保护气体中的稳定性、球囊形状在不同保护装置（套件）中的稳定性以及保护气体（来自气体）的流速对球囊的影响，已达到铜线键合工艺标准。
2）首次焊点研究实验。
选用配套设备和配套的毛细管模型，研究粘接工艺参数，通过功率、冲击力、x-y方向摩擦、旋转摩擦等参数的优化试验，最终确定一套理想的工艺参数。 此外，联合芯片厂商对芯片铝焊盘进行了改进，建立了铜线工艺能力评估规范，使焊盘的“铝飞溅”和铝损（剥落）得到有效控制，最终达到铜线键合工艺标准，首次焊点研究的实验数据合格（100%）， 如图 2 所示。
3）第二次焊点研究实验。
通过优化毛细管设计，选择合适的囊状结构模型，增加了第二点接触的面积和鱼尾的厚度通过优化线弧参数，鱼尾和铅拟合效果更好;〔2〕通过优化焊接参数，提高第二焊点的功率和压力，必要时利用打磨参数增强第二焊点的张力，稳定焊尾长度通过对二次焊点键合质量的深入研究，达到了铜线键合质量标准。
4）铜线键合、防裂及周锥研究。
通过铜线的抗氧化措施，对焊盘铝层厚度和成分的控制，以及对铝焊盘残余厚度的研究，快速确认铜线键合，铜线键合裂纹和凹坑得到了有效控制。
结论通过以上研究，镀钯铜线的粘接能力满足工艺要求，满足高密度窄间距（43 m）小焊盘（38 m 38 m）IC芯片的封装要求。 实现了SEMI（国际半导体设备与材料协会）等国际标准化组织在电子封装领域的标准化要求。
结论。 该解决方案使用焊盘尺寸为 38 m 38 m、焊盘间距为 43 m、铝焊盘厚度为 0研究了具有FSG（氟硅酸盐玻璃）介电结构的9 m芯片的铜线键合技术，其线径为07mil高可靠性镀钯铜线键合工艺的工艺能力，有效保证了小焊盘（38 m、38 m）、窄间距（43 m）铜线键合封装技术在LQFP、TQFP、ELQFP、多匝QFN系列产品中的推广应用。 因此，设计方案可以实现项目的技术指标，达到研究的目的和意义，为标准化生产提供技术支持。