微电子封装中芯片焊接技术及其设备的发展

微电子封装中芯片焊接技术及其设备的发展

杜鹏达

河北海航认证有限公司，河北 石家庄 050000

摘要：微电子技术是高新技术和信息产业的结合，是两者的核心技术，占有的地位比较高。微电子技术的渗透力比较强，技术发展速度很快，应用范围进一步扩大，微电子技术与其他各个部门的融合有可能在中国科技教育史上开辟一个新的时代，同时也造就了一个新的部门，提高了这个部门与经济增长点的联系程度。我们不断促进我国国民经济水平的发展和增长。另一方面，有关各方有必要从自身做起，提高微电子制造技术的研究程度，增强自身的意识。

关键词:微电子制造；封装技术；芯片焊接技术；发展研究

引言

过去，中国自主制造的集成芯片已广泛应用于射频通信、雷达电子和数字多媒体处理器。但是，从总体上看，与发达国家相比，在研发水平和制造能力等方面都有一定的差距。中国的核心集成电路的基础部分仍处于早期发展阶段，只有继续积极安排，创新体系完善，才能达到世界先进水平。集成电路技术主要包括电路设计、制造技术和封装检测等几个技术体系，随着集成电路产业的深入发展，制造和封装技术已经成为微电子产业的重要支柱。本文对微电子技术的制造以及封装技术的发展和应用进行了简要的阐述和研究。

1 微电子封装技术

微电子封装有多种技术类型，封装引脚的结构可分为通孔贴装和表面贴装两种。集成电路封装技术的发展通常分为三个阶段:第一阶段，20世纪70年代，当时微电子封装技术主要是插针式封装技术。在第二阶段，在20世纪80年代，表面贴装技术逐渐成熟，表面贴装技术可以适应更短的引线间距和高密度电路，取代引入技术。在第三阶段，即20世纪90年代，随着电子技术的发展和集成电路技术的进步，对微电子封装技术的需求越来越大，出现了许多封装技术，如BGA、CSP和MCM。

在这种动力下，微电子封装继续发展成多芯片组件、集成电路封装和集成电路封装，目前的重点是两种封装级技术深度的融合:集成电路封装和板级电路组装。芯片级互连技术是电子封装技术的核心和关键。由于芯片安装和电子封装技术是在衬底上操作的，这些可以应用于互连微技术，微互连技术是封装技术的核心，目前的微互连技术主要是引线键合技术，半导体芯片和电子封装外框通过一定的方式连接，工艺成熟，返工容易，并且仍然是最大的芯片互连技术，已经应用了载体自动焊接技术， 载体自动焊接技术通过卷轴的连续工作，在聚合物中产生相应的引线，将相应的晶片放入相应的焊盘中，最后用热电极依次焊接所有的引线，载体自动焊接技术的主要优点是组装密度高，有许多互连部件的引线，但间距小，但资金投入大、生产线长、返工困难等特点限制了该技术的应用。 倒装芯片技术，将芯片直接放置在相对的衬底上，焊盘可以放置在芯片的任何地方，大大提高了输入输出的数量，有可能增加封装密度。

然而，对凸点制作技术的需求很高，无法重做等问题必须继续研究，芯片倒装技术是目前和未来最具研究和应用价值的芯片互连技术。换句话说，微电子封装技术经历了从通孔封装、表面贴装封装、窄间距表面贴装焊球阵列封装、芯片级封装等封装发展阶段。当今最广泛使用的微电子封装技术是表面安装封装和芯片尺寸封装及其互连技术，随着电子器件体积缩小、输入/输出数量增加、引线间距变得更密集、安装难度变得越来越大，基于此，高频高密度电路被广泛应用于空间和其他军用电子设备，使得环境适应越来越苛刻，封装技术的可靠性成为新的。

2芯片焊接设备的现状及发展趋势

2.1 世界芯片焊接设备的现状

世界著名的封装设备公司ASM、ESEC、K＆S、东芝机械有限公司等都已开发了多种用途的键合系列产品能适应各种封装的键合要求，在设备销售市场占据主导地位。

ASM公司销售的AB309A全自动热声金丝球焊机采用热声压焊键合方法，引线直径20.3～76.2μm键合速度为7～8条／s（2mm引线环控制），键合精度为±5μm，键合面积25mm×50mm和30mm×30mm可选，键合引线数600条；可用引线框架宽13～70mm，长135～230mm，厚0.076～0.500mm。AB509A自动引线焊机采用铝引线、超声楔形压焊方法，引线直径为20～50μm，键合角度为30°，键合力0.147～0.588N可编程控制，键合时间0～255ms可编程控制，键合周期为0.40s，装卸时间为12s。键合面积为183.5mm×91.9mm或345.9mm×91.9mm。最新开发的AB339型鹰牌金丝球焊机可为35μm焊盘间距提供引线键合，生产效率比AB339原型球焊机提高了28％。

ESEC公司销售的3006FX引线键合机采用快速键合头（BHD）、无摩擦的空气静压轴承和1μm分辨率的光学直接定位测量系统，可进行实时动态控制；可靠性高，速度快，精度高，平均无故障工作时间长；可选择金引线进行键合。3088型引线焊机可用于60μm焊盘间距生产环境的引线键合，50μm超细间距的引线焊机2000年上半年研制成功，键合面积增大到53mm×66mm，其焊线速度高于该产业平均水平，焊线长期一致性好，生产成本低。

K＆S公司生产的1474fp全自动铝／金引线焊机适用于PGA、BGA、声表器件（SAW）等封装形式的内引线键合。可采用25.4～50.8μm铝丝和18.0～50.8μm的金丝，每条引线的焊线时间最多0.21s，引线数可达到2000条。K＆S1482型高速超声热压球焊机采用25～38μm的引线工作温度约150℃，每秒可焊7～8条引线，两焊点的高度差为2.5mm。K＆S1484T型单点TAB键合机可处理引线数多达2000条的封装键合，每秒可焊17个焊点，键合面积为22.9mm×22.9mm，引线与焊凸的精度为±12.7μm，键合力为0.098～4.900N，键合环境温度为300℃，键合时间1～2000ms可调。

东芝机械有限公司生产的TTI－750BTAB键合机适用于多品种、小批量专用集成电路的组装，可安装2种键合工具，工具温度最高为600℃，TAB载带宽度为35、48、70mm3种，厚度为0.07～0.20mm，工作台温度为250℃（标准）、300℃（可选），加工速度为2.7s（不含键合时间），机器精度为7μm。

2.2 芯片焊接设备的发展趋势

在先进的IC封装市场中，芯片直接倒装贴装技术（DCA）1996～2001年以15％的年均增长率增长，2001年将增加到37亿块。2001年之后，芯片规模封装（CSP）将以低成本的优势替代DCA。CSP产品1996年还不到700万块，预计2001年将会增加到35亿块，年均增长率为250％。CSP销售从1996年的3100万美元增加到21亿美元（2001年），将会形成一定规模的市场。1995年起出现了BGA和CSP封装，BGA的外引线为焊料球，球栅排列在封装底面，焊球直径为1.0～1.5mm，适合于焊球数100～1000个以上，封装基板为陶瓷或PCB。CSP的外引线可以是引线框架的引线、焊料球或焊凸，目前已将焊凸直接做到硅圆片的各芯片上，然后再划切成独立的可直接倒装焊的IC芯片。

据国际半导体设备与材料协会（SEMI）对全球组装及封装设备市场的统计分析，1999年，全球组装及封装设备的销售额为20.04亿美元，比1998年增长了31.3％。预计，2000年为24.34亿美元（增长率为21.5％），2001年为28.55亿美元（17.3％），2002年为32.11亿美元（12.5％）。按VLSI研究公司的预测，键合设备的年销售额在整个组装及封装设备年销售额中所占的份额接近1／2，照此发展，今后几年全球键合设备的年销售收入至少在10亿美元以上，增长率在10％以上，市场前景良好。

结束语

今后一段时期内，芯片焊接设备仍然是以金、铝引线键合设备为主，倒装芯片焊接设备为附，实现超精细间距、多引脚、高运行速度、低制作成本的微电子封装。芯片焊接设备在不断提高精度的同时，提高自动化程度，采用模块式设计，实现多功能用途，提高生产效率，降低生产成本。随着铜金属化工艺的不断推进，铜丝键合设备将成为超细间距封装的主流键合技术。铜丝球与传统的铝焊盘焊接，不仅降低了生产成本，而且对高成品率、细间距封装提供了更坚固、刚性更好的引线。铜丝楔形焊和球焊与铜金属化圆片结合将是最细间距封装的有效途径。

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